TWI753446B

TWI753446B - 頭燈光學系統及其應用之燈具

Info

Publication number: TWI753446B
Application number: TW109118285A
Authority: TW
Inventors: 施淳耀; 陳益成
Original assignee: 財團法人車輛研究測試中心
Priority date: 2020-06-01
Filing date: 2020-06-01
Publication date: 2022-01-21
Also published as: TW202146810A

Abstract

一種頭燈光學系統及其應用之燈具，此頭燈光學系統為使用單一透鏡之一光學系統，包括：一第一入射面；一第二入射面，其環設於該第一入射面之外圍，該第二入射面之內緣與該第一入射面之邊緣相連接，且該第二入射面具有一傾斜角；以及一出光面，一光源所發出的光線經過該第一入射面或該第二入射面折射進入該光學系統，再經過該出光面折射後射出。本發明藉由在第一入射面外圍環繞設置的傾斜的第二入射面，使亮度更集中，且光源所投射之發光影像邊緣銳利度提升。

Description

頭燈光學系統及其應用之燈具

本發明係有關一種光學照明系統，特別是指一種頭燈光學系統及其應用之燈具。

近年來，車用系統的發展以安全性、性能與自動輔助駕駛之大方向為大宗，而智慧型頭燈會是先進駕駛輔助系統(Advanced Driver Assistance Systems,ADAS)的溝通手段之一。先進駕駛輔助系統除了系統間的電子通訊外，還可利用智慧型頭燈提供額外的視覺輔助功能，如警示、重要提示等，做為車與人之間直接且快速的溝通方式。舉例來說，習知智慧型頭燈利用陣列發光特性之光學設計，並藉由對單體照明區域進行明滅控制，能夠實現以多個小面積照明單位模組組合出符合需求的警示效果。

在光學設計方面，因為智慧型頭燈的發光面積較大，同時為了避光功能，銳利度更為要求。因此，設計上與現有其他的燈具系統相比，難度較高。第1A圖所示為單一透鏡30之光路圖。如第1A圖所示，當光源發光進入智慧型頭燈的單一透鏡30時，其發射出的發光影像會有像散問題，且對於放大率越大、越邊緣的區域，影像銳利度的影響越嚴重。若以一般透鏡來組成數個區域之孔徑較小的光學系統而言，如第1B圖所示，智慧型頭燈需要數個輔助的收光透鏡31與投影鏡組32互相搭配。亦有如第1C圖所示，智慧型頭燈運用一次光學元件，如導光條33，對每個LED限縮發光面，再經由投影透鏡34放大投影到前方路面。如第1C圖所示，智慧型頭燈運用多個光學元件，因此光利用率會較為減損。未來陣列式LED的像素會越來越高、單元越來越小，對於銳利度的要求會加提升，以避免互相干擾。然而，習知智慧型頭燈並無法達到上述要求。

有鑑於此，本發明針對上述習知技術之缺失及未來之需求，提出一種頭燈光學系統及其應用之燈具，以有效解決上述該等問題，具體架構及其實施方式將詳述於下：

本發明之主要目的在提供一種頭燈光學系統，其在單一透鏡上設置一傾斜面之第二入射面，以對光源所產生之光源影像改善銳利度，進而投射出放大且具有充足銳利度之發光影像。

本發明之另一目的在提供一種頭燈光學系統，其在第一入射面外圍環設連續傾斜的第二入射面，使外圍的光線入射到光學系統的時候被第二入射面折射到較為聚光的方向。

本發明之再一目的在提供一種頭燈光學系統及其應用之燈具，其將採用多晶光源以產生發光圖案，提供智慧燈具更多元的用途，搭配單一透鏡之頭燈光學系統使投射出的光線更亮，及發光影像效果更清晰。

為達上述目的，本發明提供一種頭燈光學系統，其為使用單一透鏡之一光學系統，包括：一第一入射面；一第二入射面，其環設於該第一入射面之外圍，該第二入射面之內緣與該第一入射面之邊緣相連接，且該第二入射面以一傾斜角相對該第一入射面傾斜；以及一出光面，一光源所發出的光線經過該第一入射面或該第二入射面折射進入該光學系統，再經過該出光面折射後射出。

依據本發明之實施例，該傾斜角為該第一入射面與該第二入射面之夾角，其角度範圍為90~180度。

依據本發明之實施例，該第一入射面為一水平面。

依據本發明之實施例，該第二入射面為環型之連續曲面。

依據本發明之實施例，該第二入射面為一傾斜面。

依據本發明之實施例，該光源為複數發光元件所組成之多晶光源。

承上，該等發光元件為mini LED、micro LED、LD之其中一種。

本發明另提供一種應用頭燈光學系統之燈具，包括：一多晶光源，包含複數發光元件以發出光線；以及一光學系統，其為單一透鏡所構成，包括：一第一入射面；一第二入射面，環設於該第一入射面之外圍，該第二入射面之內緣與該第一入射面之邊緣相連接，且該第二入射面以一傾斜角相對該第一入射面傾斜；以及一出光面，該多晶光源所發出的光線經過該第一入射面或該第二入射面折射進入該光學系統，再經過該出光面折射後射出。

本發明提供一種頭燈光學系統及其應用之燈具，本發明所運用的光源為多晶LED，具有複數個發光晶粒。因此，可依照避光需求，獨立控制個別發光晶粒之亮暗，以產出不同的亮與暗區域。多晶LED的面積比一般LED要大，且設計上不再是以整體發光面考量，而是個別的發光面。從多晶LED發出的光線經過光學系統後所產生的成像，除了亮度與光形考量外，還需要有銳利度的需求。為求高度的光利用率，光學系統以單鏡片為設計目標，而一般光學系統所用的球面透鏡，其焦平面為彎曲的。彎曲的焦平面會造成邊緣光源離焦，造成發光影像模糊、不等量之放大等問題，進而使邊緣區域較容易干擾到其他周圍的暗區。為了解決上述問題，本發明藉由傾斜焦平面之設計，在單透鏡架構下可改善發光影像的銳利度。

請同時參考第2圖、第3圖及第4圖，第2圖及第3圖分別為本發明頭燈光學系統不同角度之實施例示意圖，第4圖為本發明頭燈光學系統之側視圖。

本發明一實施例之頭燈光學系統10包含為單一透鏡之光學系統12，且透鏡可為任意透鏡。本實施例之光學系統12包括一第一入射面14、一第二入射面16及一出光面18。第一入射面14為一水平面。第二入射面16為環型之連續曲面，環設於第一入射面14之外圍。第二入射面16之內緣與第一入射面14之邊緣相連接，且第二入射面16以一傾斜角相對第一入射面14傾斜。光源所發出的光線經過第一入射面14或第二入射面16折射進入光學系統12後，穿過光學系統12，再經過出光面18折射後射出。本實施例中，第一入射面14及第二入射面16接收光線，並準直從光源照射出的光線，而出光面18則具有重新定向準直光線以滿足設計需求的發光影像及其照明性質的功能。

特別的是，本發明中第二入射面16為彎曲面。一般而言，彎曲的焦平面易造成邊緣光源離焦，產生發光影像模糊、不等量放大等不利影響。因此，本發明為了解決此問題，將彎曲的第二入射面16設計為具有傾斜角的一傾斜面。如此一來，將可讓光線斜向入射以減緩該些光學之不利影響。換言之，第二入射面16具有能將光線集中，提高光利用率，進一步能提升成像的銳利度等功效。在本實施例中，傾斜面的傾斜角為第一入射面14與第二入射面16之夾角。傾斜角之角度範圍為90~180度。

從第5A圖及第5B圖之比較可更明顯看出在單一透鏡之光學系統下，本發明第二入射面16之聚光作用。第5A圖為先前技術中不具有第二入射面的透鏡之光路圖，此單一透鏡之光學系統22僅具有一入射面24。光源20發出的光線經過入射面24折射後，進入光學系統22中，穿過光學系統22並從另一端的出光面26折射後射出。請同時參考第5B圖，其為本發明之頭燈光學系統之光路圖，光源20發出的光線經過第一入射面14或第二入射面16折射後，進入光學系統12中，穿過光學系統12並從另一端的出光面18折射後射出。經比對後可明顯看出，當使用相同的光源20時，第5B圖中通過第一入射面14的光線與第5A圖中入射面24中間區域的光線，其出光路徑是相同的，但由於本案具有第二入射面16，因此外圍的入射光線在射出光學系統後就產生了差異。特別是，第5B圖中通過第二入射面16的光線與第5A圖中入射面24外圍區域的光線，明顯第5B圖的光線更為集中，而第5A圖的光線則較為發散。

在上述頭燈光學系統之架構下，本發明另一實施例提供一種應用頭燈光學系統之燈具，包括一多晶光源20及上述之光學系統12。請參考第5B圖，其中之光源20即為多晶光源20，其為一種陣列式光源，由複數發光元件所組成。多晶光源20用以發出光線，且還可組合成光源影像，發光元件為mini LED、micro LED、LD之其中一種。多晶光源20所發出的光線經過第一入射面14或第二入射面16折射後進入光學系統12，再經過出光面18折射後射出，形成發光影像並提供車輛照明之用。

本發明的頭燈光學透鏡由於銳利度佳、亮度更集中，將其應用在車輛前方智慧燈具，可使車輛前方智慧燈具具有更廣泛的應用。例如，本發明的頭燈光學透鏡可應用於夜間警示。假設夜間行駛期間，透過車上影像模組得到前方資訊，以偵測前方是否有行人、類行人或車輛接近。當偵測前方有行人、類行人或車輛接近時，系統切換前方智慧燈具為聚光燈模式，照射前方的用路人，以警示前方用路人有車輛接近。另外，亦可將陣列式光源做為本發明頭燈光學透鏡的光源，做為另一種顯示警示用途的實施態樣。此設計係對應陣列發光特性進行相關的光學設計，藉由單體照明區域明滅控制，以實現多個小面積照明單位模組、組合出符合需求的警示效果。此組合出的燈光效果對於銳利度要求更高，如此才能在經過光學系統後得到清晰的發光圖案。由於本發明之頭燈光學系統能夠讓光線聚焦、亮度集中，使圖案邊緣影像清晰。因此，應用於此設計時，本發明不會因光線發散而模糊圖案邊界，致使發生發光圖案達不到符合需求的警示效果的問題。

綜上所述，本發明所提供之一種頭燈光學系統係採用多晶光源，將多個照明面的光度疊加，以產生符合聚光燈、照明警示燈等之各別照明範圍與銳利度需求的亮度。此外，本發明將第二入射面設計為傾斜的曲面，以減緩焦平面彎曲所產生的光學不利之影響，進一步修正像差，使發光影像各區域之光型不被影響。如此一來，亮度更為集中，暗區更暗，能夠在提升光利用率的同時讓發光影像更加清晰。因此，本發明極適合應用在燈具，特別是車輛的頭燈。本發明之頭燈光學系統中所使用的單一透鏡由於變形結構少，因此製造成本較非球面及其他變形結構更低廉。此外，由於本發明只使用單一透鏡，不須額外的導光條、透鏡組等光學元件，故燈具之整體體積小，變化性更高。

唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍。故即凡依本發明申請範圍所述之特徵及精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

10… 頭燈光學系統 12 …光學系統 14 …第一入射面 16… 第二入射面 18… 出光面 20… 光源、多晶光源 22 …光學系統 24… 入射面 26… 出光面 30… 單一透鏡 31… 收光透鏡 32… 投影鏡組 33… 導光條 34 …投影透鏡

第1A圖至第1C圖分別為先前技術中車用智慧燈具之光學系統之示意圖。第2圖為本發明頭燈光學系統之實施例示意圖。第3圖為本發明頭燈光學系統另一角度之實施例示意圖。第4圖為本發明頭燈光學系統之側視圖。第5A圖為先前技術中不具有第二入射面的透鏡之光路圖。第5B圖為本發明頭燈光學系統之光路圖。

10… 頭燈光學系統 12… 光學系統 14… 第一入射面 16… 第二入射面 18… 出光面

Claims

一種頭燈光學系統，其為使用單一透鏡之一光學系統，包括：一第一入射面；一第二入射面，其環設於該第一入射面之外圍，該第二入射面之內緣與該第一入射面之邊緣相連接，且該第二入射面以一傾斜角相對該第一入射面傾斜；以及一出光面，一光源所發出的光線經過該第一入射面或該第二入射面折射進入該光學系統，再經過該出光面折射後射出。
如請求項1所述之頭燈光學系統，其中該傾斜角為該第一入射面與該第二入射面之夾角，其角度範圍為90~180度。
如請求項1所述之頭燈光學系統，其中該第一入射面為一水平面。
如請求項1所述之頭燈光學系統，其中該第二入射面為環型之連續曲面。
如請求項1所述之頭燈光學系統，其中該第二入射面為一傾斜面。
如請求項1所述之頭燈光學系統，其中該光源為複數發光元件所組成之多晶光源。
如請求項6所述之頭燈光學系統，其中該等發光元件為mini LED、micro LED、LD之其中一種。
一種應用頭燈光學系統之燈具，包括：一多晶光源，包含複數發光元件以發出光線；以及一光學系統，其為單一透鏡所構成，包括：一第一入射面；一第二入射面，環設於該第一入射面之外圍，該第二入射面之內緣與該第一入射面之邊緣相連接，且該第二入射面以一傾斜角相對該第一入射面傾斜；以及一出光面，該多晶光源所發出的光線經過該第一入射面或該第二入射面折射進入該光學系統，再經過該出光面折射後射出。
如請求項8所述之應用頭燈光學系統之燈具，其中該傾斜角為該第一入射面與該第二入射面之夾角，其角度範圍為90~180度。
如請求項8所述之應用頭燈光學系統之燈具，其中該第一入射面為一水平面。
如請求項8所述之應用頭燈光學系統之燈具，其中該第二入射面為環型之連續曲面。
如請求項8所述之應用頭燈光學系統之燈具，其中該第二入射面為一傾斜面。
如請求項12所述之應用頭燈光學系統之燈具，其中該等發光元件為mini LED、micro LED、LD之其中一種。