TWI697642B

TWI697642B - 透鏡裝置

Info

Publication number: TWI697642B
Application number: TW108142570A
Authority: TW
Inventors: 施明智
Original assignee: 堤維西交通工業股份有限公司
Priority date: 2019-11-22
Filing date: 2019-11-22
Publication date: 2020-07-01
Also published as: TW202120863A

Abstract

一種透鏡裝置，適用於往前投射光線，並包含一光學透鏡，及一出光透鏡。該光學透鏡包括一折射面、一圍繞該折射面並由前往後徑縮的反射面，以及一由該反射面後端往前延伸連接該折射面的連接面。該出光透鏡包括一位於該光學透鏡前方且往前凸的出光面。該出光面定義出一位於該光學透鏡後方的出光焦區。其中，經該折射面折射後的光線的延長線，定義出一重疊該出光焦區的第一焦區。經該連接面折射並經該反射面反射後的光線的延長線，定義出一重疊該出光焦區的第二焦區。本發明的特點在於即使該出光面為凸面，仍能產生與現有設計類似的光形。

Description

透鏡裝置

本發明是有關於一種光學裝置，特別是指一種能搭配一發光單元使用以構成一車燈的透鏡裝置。

參閱圖1、2，一種現有的透鏡裝置，適用於搭配一個設置在後方的發光單元11以作為一車燈使用。該透鏡裝置包括一個光學透鏡12，以及一個一體連接該光學透鏡12前端的出光透鏡13。

該光學透鏡12包括一個沿一中心軸14位於該出光透鏡13後方的折射面121、一個圍繞該折射面121並由前往後徑縮的反射面122，以及一個連接於該折射面121與該反射面122間的連接面123。該出光透鏡13包括一個位於該中心軸14上並位於該折射面121前方的出光平面131。

該發光單元11能提供投射往該折射面121及該連接面123的光。經過該折射面121而折射的光，以及經過該連接面123而折射再經該反射面122反射的光，自該出光平面131折射出去後，將產生如圖2所示的光形，然而目前市場上有將該出光平面131改為往前凸的凸面需求，因此如何在該出光平面131調整為凸面後大致維持住原來的光形需求，為一待解決的問題。

本發明的目的，在於提供一種能夠克服先前技術的至少一個缺點的透鏡裝置。

該透鏡裝置，適用於沿一投射方向往前投射光線，並包含一個光學透鏡，以及一個出光透鏡。

該光學透鏡包括一個定義出一條沿該投射方向延伸的中心軸的折射面、一個圍繞該折射面並由前往後徑縮的反射面，以及一個圍繞該中心軸並由該反射面後端往前延伸連接該折射面的連接面。該出光透鏡包括一個位於該中心軸並位在該光學透鏡前方的出光面，該出光面沿該投射方向往前凸，並定義出一個位於該光學透鏡後方的出光焦區。其中，經過該折射面而折射的光線的延長線，定義出一個重疊該出光焦區的第一焦區。經過該連接面而折射並經該反射面反射後的光線的延長線，定義出一個重疊該出光焦區的第二焦區。

該透鏡裝置的功效在於：利用該第一焦區及該第二焦區重疊該出光焦區的設計，可使光經過凸面狀的該出光面折射而射出後，產生與現有車燈類似的光形。

在以下的說明內容中，類似或相同的元件將以相同的編號來表示。

參閱圖3至6，本發明透鏡裝置的一個實施例，包含兩個結構相同且左右一體連接的透鏡裝置10，並適用於搭配兩個設置在後方的發光單元2使用。由於該等透鏡裝置10的構造相同，下面將以描述其中一個透鏡裝置10及對應的其中一個發光單元2為主以便於瞭解。

該透鏡裝置10適用於搭配設置在後方的該發光單元2以構成一車燈使用，並能沿一投射方向D1將該發光單元2所提供的光往前投射。該發光單元2在本第一實施例中為一塊LED芯片，並能提供往前投射至該透鏡裝置10的光線。

該透鏡裝置10包含一個位於該發光單元2前方的光學透鏡3，以及一個一體連接該光學透鏡3前端並包括一個定義出一出光焦區42(見圖5)的出光面41的出光透鏡4。

該光學透鏡3包括一個定義出一條沿該投射方向D1延伸的中心軸A1的折射面31、一個圍繞該折射面31並由該折射面31前方往後徑縮至該折射面31後方的反射面32，以及一個圍繞該中心軸A1並由該反射面32後端往前延伸連接該折射面31前端的連接面33。在本第一實施例中，該中心軸A1為該光學透鏡3的對稱軸，且該中心軸A1與該出光焦區42定義出一出光焦點421。

該折射面31能折射該發光單元2投射過來的光線，且光線經該折射面31折射後，延長線將交會定義出一第一焦區311(輔參圖7示意)。在本第一實施例中，該第一焦區311是呈點狀，且以該發光單元2所產生的點光源作為基準並定義該點光源的坐標為(0,0,0)，則該第一焦區311的坐標為(0,0,-20)。

其中，圖式中的前後方向為 z軸方向，左右方向為 x軸方向，上下方向為 y軸方向，而坐標的距離單位則為mm。

由於該反射面32的定義較為複雜，因此將先說明該連接面33，再說明該反射面32。

該連接面33圍繞界定出一個以該中心軸A1為對稱中心的光路空間331，並能折射該發光單元2投射過來的光線。該連接面33包括一個呈圓環狀並連接該反射面32的環面區332，以及一個連接該環面區332及該折射面31的接面區333。光線經該連接面33的該接面區333折射後，延長線將交會定義出一虛擬焦區321(輔參圖8)。由於該接面區333是繞中心軸A1環繞一圈，因此該虛擬焦區321實際上也是環繞一圈，但圖式僅於圖5中示意一點代表。

該虛擬焦區321的其中一點(於本第一實施例中為與縱截面相交的兩點中位於上方的一點，如圖5所示)與該出光焦點421定義出一條雙曲線5(見圖5)。該雙曲線5包括開口相背的一第一線條51與一第二線條52。該虛擬焦區321位於該第一線條51的焦點上。該第一線條51包括一個由該折射面31前方延伸至該折射面31後方的反射線段511。該反射線段511與該虛擬焦區321分別位於該中心軸A1的兩相反側。該反射面32是由該反射線段511以該中心軸A1為對稱中心旋轉一圈定義而成。該第二線條52定義出一位於焦點的第二焦區521，該第二焦區521與該出光焦區42重疊。

該出光透鏡4包括位於該中心軸A1上並沿該投射方向D1位在該光學透鏡3的該折射面31前方的該出光面41。該出光面41沿該投射方向D1往前凸，且該出光面41與縱截面的一交界線L1如圖5所示地往前彎突，且該出光面41與一橫截面的交界線L2如圖6所示地往前彎突。因此，該出光面41是一種雙軸凸面，或者說是凸透鏡的透鏡面。

該出光面41定義出了位於該光學透鏡3後方的該出光焦區42。在本第一實施例中，該出光焦區42呈點狀，且坐標為(0,0,-20)。由於在本第一實施例中，該出光焦區42為點狀，因此該出光焦點421即為該出光焦區42本身。該出光焦區42及該出光焦點421於本第一實施例中的物理意義在於：位在該出光焦區42的點光源所產生的光線，經該出光面41折射後，將幾乎彼此平行。

參閱圖5、7，該透鏡裝置10搭配該發光單元2使用時，該發光單元2投射往該折射面31的光經折射後，其延長線構成的虛焦點即為該第一焦區311，且該第一焦區311位於該出光焦區42中，並與該出光焦點421的坐標同為(0,0,-20)而完全重疊，因此投射往該折射面31在經過該折射面31而折射並自該出光面41射出的光線，彼此近乎平行。

參閱圖5、8、9，接著說明該反射面32與該連接面33的光學作用原理。亦即該雙曲線5反射的光學原理：從該第一線條51的焦點(即虛擬焦區321)出發的光線經該第一線條51反射後，延長線將交會於第二線條52的焦點(即第二焦區521)。

由於經該連接面33的該接面區333折射後的光線的延長線定義出的該虛擬焦區321位於該第一線條51的焦點上，且該反射面32又由該第一線條51的一部分(即反射線段511)旋轉構成，因此光線經該反射面32反射後，將如同由該虛擬焦區321射出(即如同由該第一線條51的焦點射出)，使得光線的延長線將如圖9所示地交會於該第二焦區521。如此一來，當該第二焦區521與該出光焦區42重疊時，經該反射面32反射的光線自該出光面41射出時，將實質上平行，特別是如本第一實施例的該第二焦區521與該出光焦區42/出光焦點421是完全重疊時，光線彼此平行的效果最好。

參閱圖5、7、9、10，綜上所述，不論是投射往該折射面31偏折後再經該出光面41射出的光線，或者投射往該連接面33的該接面區333偏折後經該反射面32反射再經該出光面41射出的光線，都將實質上平行，而能產生如圖10所示的光形。因此本第一實施例的該出光面41即使非平面，同樣也能產生與先前技術類似的光形。

在本發明的其他實施態樣中，依照不同的法規或照明需求，例如自該出光面41射出的光需要稍微發散以形成特定光形或增加照明面積，則該出光焦區42、該第一焦區311、該第二焦區521則不以點狀為限，也可呈以上述坐標為球心並以3mm～5mm的單位為直徑的球狀。

舉例來說，經該反射面32反射的光的延長線所定義出來的呈點狀或球狀的該第二焦區521只需要位於以(0,0,-20)為球心而呈球狀的該出光焦區42中即可，亦即僅需位於(0,0,-20)附近，而無需完全與該坐標(0,0,-20)完全重疊。也就是說，本說明書中所述的該第一焦區311、該第二焦區521、該出光焦區42，在本發明的其他實施態樣中，彼此間無需完全重疊，部分重疊亦可。

參閱圖11及12，本發明透鏡裝置的一個第二實施例與該第一實施例類似，不同的地方在於本第二實施例僅包含一個所述的透鏡裝置10，且該第一焦區311、該第二焦區521及該出光焦區42呈以(0,0,-20)為球心且球直徑約為4mm左右的球狀。也就是說，經該折射面31折射後的光線或者經該連接面33折射後經該反射面32反射的光線的延長線會通過出光焦點421(0,0,-20)附近，而不是完全交會於出光焦點421(0,0,-20)。

由於在本第二實施例中，光線(及其延伸線)略往左右兩側偏移(沿 x軸方相偏移)，因此在圖11中的光形，包含有額外往左右兩側尖突的部分(即圖中圈選處)，但其主體部分的光形仍與先前技術類似。

參閱圖13至15，本發明透鏡裝置的一個第三實施例包含數個左右一體連接的所述透鏡裝置10。由於本第三實施例中的該等透鏡裝置10的結構彼此相同，因此在下面的描述中同樣以其中一個所述的透鏡裝置10為例作說明。

本第三實施例的該透鏡裝置10類似於該第一實施例的該透鏡裝置10，不同的地方在於該透鏡裝置10的該出光面41為單軸凸面，而具有彷彿是圓柱面的一部分的外形。具體來說，該出光面41與縱截面的交界線L3是往前彎突而如圖14所示，但該出光面41與橫截面的交界線L4是左右延伸而呈如圖15所示的直線。此外，該連接面33省略了該環面區332，而以該接面區333直接連接該反射面32。

由於該出光面41與不同縱截面的交界線L3均能定義出一個如圖14所示的出光焦區42，因此在本第三實施例中，該出光焦區42是呈垂直該中心軸A1且左右延伸的線狀，且該第一焦區311位於線狀的該出光焦區42上，該第二焦區521位於線狀的該出光焦區42上，該出光焦點421為線狀的該出光焦區42與該中心軸A1的交點。

參閱圖14、16至圖18，本第三實施例的效果與該第一實施例類似，自該出光面41射出的光，同樣能如圖16、17所示地實質上平行，不同的地方在於本第三實施例能投射出如圖18所示與先前技術類似但相對來說較為橫向扁長延伸的光形。

綜上所述，本發明透鏡裝置的功效在於：利用該第一焦區311及該第二焦區521重疊該出光焦區42的設計，可使光經過凸面狀的該出光面41折射並射出後，仍可產生與先前技術類似的光形。

以上所述者，僅為本發明的實施例而已，不能以此限定本發明的申請專利範圍，且依本發明申請專利範圍及說明書的記載內容所作的等效變化態樣，亦應為本發明申請專利範圍所涵蓋。

10:透鏡裝置 2:發光單元 3:光學透鏡 31:折射面 311:第一焦區 32:反射面 321:虛擬焦區 33:連接面 331:光路空間 332:環面區 333:接面區 4:出光透鏡 41:出光面 42:出光焦區 421:出光焦點 5:雙曲線 51:第一線條 511:反射線段 52:第二線條 521:第二焦區 A1:中心軸 D1:投射方向 L1:交界線 L2:交界線 L3:交界線 L4:交界線

本發明其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一個剖視圖，說明一個現有的透鏡裝置；圖2是一個光形圖，說明該現有的透鏡裝置所能產生的光形；圖3是一個立體圖，說明本發明透鏡裝置的一個第一實施例；圖4是一個立體圖，從另外一個角度說明該第一實施例，圖中省略數個發光單元；圖5是一個剖視圖，縱向剖切，說明該第一實施例，圖中輔以虛線大致示意一雙曲線的一第一線條與一第二線條；圖6是一個剖視圖，橫向剖切，說明該第一實施例；圖7是一個剖視圖，類似於圖5，並說明光線經過一折射面而折射的路徑；圖8是一個剖視圖，類似於圖5，並說明光線經過一連接面而折射的路徑；圖9是一個剖視圖，類似於圖5，並說明光線經過一反射面反射的路徑；圖10是一個光形圖，說明該第一實施例的其中一個透鏡裝置所能產生的光形；圖11是一個剖視圖，說明本發明透鏡裝置的一個第二實施例，圖中橫向剖切該第二實施例的一個所述的透鏡裝置；圖12是一個光形圖，說明該第二實施例所能產生的光形；圖13是一個立體圖，說明本發明透鏡裝置的一個第三實施例；圖14是一個剖視圖，縱向剖切，說明該第三實施例；圖15是一個剖視圖，橫向剖切，說明該第三實施例；圖16是一個剖視圖，類似於圖14，說明光線路徑；圖17是一個剖視圖，類似於圖15，說明光線路徑；及圖18是一個光形圖，說明該第三實施例中的其中一個所述的透鏡裝置所能產生的光形。

10:透鏡裝置

2:發光單元

3:光學透鏡

31:折射面

311:第一焦區

32:反射面

321:虛擬焦區

33:連接面

331:光路空間

4:出光透鏡

41:出光面

42:出光焦區

421:出光焦點

5:雙曲線

51:第一線條

511:反射線段

52:第二線條

521:第二焦區

A1:中心軸

D1:投射方向

L1:交界線

Claims

一種透鏡裝置，適用於沿一投射方向往前投射光線，並包含：一個光學透鏡，包括一個定義出一條沿該投射方向延伸的中心軸的折射面、一個圍繞該折射面並由前往後徑縮的反射面，以及一個圍繞該中心軸並由該反射面後端往前延伸連接該折射面的連接面；及一個出光透鏡，包括一個位於該中心軸並位在該光學透鏡前方的出光面，該出光面沿該投射方向往前凸，並定義出一個位於該光學透鏡後方的出光焦區；其中，經過該折射面而折射的光線的延長線，定義出一個重疊該出光焦區的第一焦區，經過該連接面而折射並經該反射面反射後的光線的延長線，定義出一個重疊該出光焦區的第二焦區；其中，經該連接面折射後的光線的延長線定義出一虛擬焦區，該出光焦區與該中心軸定義出一出光焦點，該虛擬焦區的其中一點與該出光焦點定義出一雙曲線，該雙曲線包括開口相背的一第一線條與一第二線條，該虛擬焦區重疊該第一線條的焦點，該第二焦區重疊該第二線條的焦點，該第一線條包括一由該折射面前方延伸至該折射面後方的反射線段，該反射線段與該虛擬焦區分別位於該中心軸的兩相反側，該反射面由該反射線段以該中心軸為對稱中心旋轉一圈定義而成。
如請求項1所述的透鏡裝置，其中，該出光面為雙軸凸面，該出光焦區呈點狀或球狀。
如請求項1所述的透鏡裝置，其中，該出光面與橫截面的交界線往前彎突，該出光面與縱截面的交界線往前彎突，該出光焦區呈點狀或球狀。
如請求項2或3所述的透鏡裝置，其中，該出光焦區、該第一焦區、該第二焦區呈點狀，該第一焦區完全重疊該出光焦區，該第二焦區完全重疊該出光焦區。
如請求項1所述的透鏡裝置，其中，該出光面為單軸凸面，該出光焦區呈垂直該中心軸的線狀，並與該中心軸交會定義出該出光焦點。
如請求項1所述的透鏡裝置，其中，該出光面與橫截面的交界線呈左右延伸的直線，該出光面與縱截面的交界線往前彎突，該出光焦區呈垂直該中心軸且左右延伸的線狀。
如請求項5或6所述的透鏡裝置，其中，該第一焦區、該第二焦區呈點狀，該第一焦區位於線狀的該出光焦區上，該第二焦區位於線狀的該出光焦區上。