CN107664295A - 一种准直透镜及其车用光学模组 - Google Patents

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Abstract

一种准直透镜和车用光学模组，准直透镜呈锥状，前端面为出光面，后端为聚光端，聚光端为整体向后凸出、中心处凹陷、凹陷的底部表面向后凸出，聚光端径向最外层表面为侧壁，聚光端有一个焦点，位于凹陷的底部表面的后方、靠近聚光端的后端边缘的区域，出光面与聚光端表面之外的表面为侧壁，侧壁为前后方向上连续的平面或曲面。车用光学模组包括一组或多组准直透镜单元，准直透镜单元包括一一对应的LED光源和准直透镜，光源布置在准直透镜的焦点处，准直透镜单元呈矩阵式一排或多排间隔排列，间隔处光源侧侧壁有筋连接。使用时两个模组配合使用，共同形成连续光型。本发明光线利用效率高，模具工艺简单，适用于矩阵式大灯。

Description

一种准直透镜及其车用光学模组
技术领域
本发明涉及一种准直透镜和采用该透镜的车用光学模组，所述准直透镜和采用该透镜的车用光学模组具有更高的光学效率，可用于矩阵式大灯的光学***。
背景技术
近年车灯技术日新月异，矩阵式大灯是未来几年的一阵风潮。矩阵式大灯是多颗光源组合排列，通过车内雷达及传感器，对各种行车状态做出收集，再运用智能***对子光源进行控制，使光型能自动适应行车环境。由于矩阵大灯的技术难度大，最初仅在少数高端车型应用，如奔驰、奥迪。随着市场化的推广，越来越多的中级车型开始配备矩阵式大灯。矩阵式大灯光学模组由各子单元构成，制造工艺简单的准直透镜单元更助力此项技术的发展。
奔驰E级轿车上配备的的矩阵式大灯，核心零件为硅胶制成带有一个个针状结构准直器的初级光学件。这种准直器的原理靠零件侧壁全反射达到准直效果。该方案的缺点是为满足全反射条件，侧壁不能连接，因此相邻准直器之间间隔很小，在0.1mm以内。这种零件模具有严重尖钢，模具要求高，工艺难度大，加工困难，只能采用较软的硅胶材料成型，零件成本也高，目前只有少数国外公司能制造加工。硅胶材料偏软，安装定位上不同于刚性材料，需要一些辅助零件才能固定。这也带来了成本的增加。
发明内容
为了克服现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供了一种准直透镜和车用光学模组，准直透镜单元构成的初级光学件结构模具简单，而且不局限于硅胶材料，普通PC或PMMA均可注塑，成本较低。本发明为矩阵式大灯提供一种新的光学***解决方案。
本发明的主要技术方案有：
一种准直透镜，其特征在于：
从后端的聚光端至前端出光面呈径向截面渐小的锥状，
所述聚光端为整体向后凸出、中心处凹陷、凹陷的底部表面向后凸出的结构，
所述聚光端的表面为沿光轴的旋转曲面，所述聚光端的径向最外层表面为全反射面，
所述聚光端有一个焦点，焦点位于所述凹陷的底部表面的后方、靠近所述聚光端的后端边缘的区域；
所述出光面与聚光端表面之外的表面侧壁是一个连续表面或由多个连续表面连续拼接组成，所述连续表面为曲面和/或平面，所述侧壁在前后方向上是连续的。
侧壁在LED非点光源，会有一部分光线折射到侧壁上，这时侧壁要有全反射的效果，把这一小部分光线全反射到出光面上，有利于提高光效。
根据本发明所述的一种准直透镜，其特征在于，所述聚光端表面径向上由外向内依次为外层侧边聚光面、内层侧边聚光面和前端聚光面，所述聚光端的径向最外层表面即为所述外层侧边聚光面，所述凹陷的侧壁构成所述内层侧边聚光面，所述凹陷的底部表面构成所述前端聚光面；
内、外层侧边聚光面在后端边缘相接，内层侧边聚光面的前端边缘与所述前端聚光面的边缘相接，用于把光线平行或呈角度的汇聚起来，由此，通过内层聚光面和外层聚光面的曲率调整，可以改变光线折射的角度。
所述聚光端有一个焦点，位于所述凹陷的底部表面的后方、靠近所述聚光端的后端边缘的区域，所述出光面与聚光端表面之外的表面为侧壁，所述侧壁为全反射面。
根据本发明所述的一种准直透镜，其特征在于，
所述聚光端的径向最外层表面为抛物面；所述出光面为平面或曲面，形状为多边形、圆形或椭圆形。
出光面的形状像被透镜投射在灯前25m的屏幕上，呈倒立的像，车灯的配光光型并不是方正的矩形，而是特定的形状，所以单个的出光面作为组成的小像素，形状会根据需求发生变化；出光面为圆形时，光斑为圆形，出光面为方形时，屏幕的光斑为方形。
所述侧壁是一个连续表面或者是由多个连续表面相拼接组成的表面，所述连续表面为曲面和/或平面，所述侧壁在前后方向上是连续的。
根据本发明所述的一种准直透镜，其特征在于，
所述出光面为正方形，所述侧壁由四个平面组成，每个平面与所述旋转中心线平行或呈一夹角。
侧壁起部分全反射的效果，让光线更多的汇聚到出光面，能提高光效；左右方向上最好是出光端小，入光端大，这样单独的准直透镜在左右方向上的形成的光斑较窄，在规定的角度范围内左右方向便于排布更多的准直器，从而提高像素精度。上下方向上，侧壁与中轴的角度不做特别限定，主要由出光面的高度决定。出光面上下方向宽度较大，形成的光型在上下方向就越长，反之越短。
所述侧壁由四个平面组成，每个平面与所述旋转中心线平行或呈一夹角的意义在于：一般要求出光面尺寸更小，这样通过透镜在25m屏幕上的成像也会更小，有利于设计精度更高的Matrix模组；而入光端又希望做大一些，因为LED芯片有一定的大小，聚光端大一些，所接收的光线会更多，这样光线的利用率就高。
出于以上的设计要求，所以准直透镜就形成了入光端大，出光端小的样子。另外，侧壁是负责连接入光端和出光端的，所以就形成了与光轴即旋转中心线呈一定角度的外观效果。当然，这个角度值的设定是入光端出光端共同影响的结果。也可以存在侧壁平行，或者出光端大于入光端的情况。
根据本发明，准直透镜采用PC、PMMA或透明硅胶制成。
本发明的一种车用光学模组技术方案如下：
一种车用光学模组，其特征在于：
包括一组或多组准直透镜单元，所述准直透镜单元包括一一对应的 LED光源和所述的准直透镜，所述LED光源布置在所述准直透镜的焦点处，且其出光面朝向所述准直透镜；
当所述准直透镜单元为多组时，各组所述准直透镜单元呈矩阵列式一排间隔排布，相邻两个所述准直透镜的出光面之间无连接地相互间隔一个出光面宽度的距离；
入光侧间隔处有材料连接，使分散间隔的准直透镜连成一体；
矩阵的准直透镜单元形成初级光学件，出光面位于二级透镜的焦面上。
根据本发明的一种车用光学模组，其特征在于，
所述准直透镜单元相同或不同，它们的入光焦点在同一平面上。
根据本发明的车用光学模组，其特征在于：
所述准直透镜单元对应不同的LED光源，焦点位置可以在同一平面前后浮动。
在设计过程中，一般会使用相同的LED光源，相同的LED光源放在同一线路板上，光源中心是一个平面。但是一般边缘的像素亮度要求并非那么高，如果使用跟中间LED相同的型号，成本会更昂贵。从成本方面考虑，如果边缘的LED采用更便宜的型号，LED也有不同的尺寸，可能它光源中心会与中间的LED光源中心不在同一平面，这时，只要调整准直器的前后位置，让边缘准直器的焦点在新的LED光源中心即可。
根据本发明的车用光学模组，其特征在于：
准直透镜单元的出光面在成像用二级透镜的焦面上，成像用二级透镜为单个凸透镜或一凹一凸的组合透镜。
二级透镜的正面轮廓投影可以是圆形，或矩形或椭圆或多边形。
根据本发明的车用光学模组，
当所述准直透镜单元为多组时，所述准直透镜单元呈阵列式间隔排布，相邻两个所述准直透镜的出光面之间隔一个出光面宽度的距离。
这是因为，LED颗粒有一定的尺寸，聚光端尺寸不能做太小，否则接收的LED光量不多；单位角度范围内，如果要排列很多像素，单个的出光面必须要做的很窄，窄于聚光端的宽度。
侧壁，尤其是靠近出光面的侧壁，会有一小部分光在出光面附近侧壁发生全反射，不能相互连接，否则会相互攒光，影响单个像素光型的大小和亮度；因此，每个准直透镜的出光面必须要间隔开，最终形成的光型也是间隔的。
为了使光型连续，必须要用另外一个模组把间隔的暗区照亮，形成完整连续的光型。此时，为了方便设计，节约成本，另外一个模组最好是与这个模组一模一样，因此，间隔的宽度设置成一个出光面的宽度。这里成为子第一模组和子第二模组。两个子模组集成在一起，形成一个整体的模组。通过调整光型位置使子第二模组的光斑正好填充在第一模组的间隔处，第二模组的光斑也正好填补在第一模组的间隔出。两个模组光斑配合起来，形成连续且均匀的完整光型。
入光侧间隔处有材料连接，使各准直透镜连成一体，形成一个整体，即上述车用光学模组。模组包含光源、上述初级光学件、二级透镜及其他辅助零件。
根据本发明的一种车用光学模组，其特征在于，
作为初级光学件的准直透镜单元可以排成一列，也可以排成多列，原理上都是出光面间隔排列，由两个模组相互补充光型来达到完整效果。
第一模组和第二模组可以水平排布，也可以上下排布，前后位置也可以调整。可满足不同造型及设计需求。
相配合的第一模组与第二模组推荐设计相同，这样能节约零件成本。考虑特殊情况，也可以分别设计。
本发明的有益效果是：
单个初级光学件(准直透镜单元)的出光面间隔开来，可提供更小的出光面，反映到配光屏幕上的就是更小的像素，可做出高像素高精度的 Matrix大灯模组。聚光端侧壁可以连接起来，使分散的准直器形成一个统一的整体，增加了初级光学件的强度和刚性；相邻两个准直器单元之间间隔大，模具上不会形成尖钢，模具加工难度低，制造工艺难度低。初级光学件的选材可以是硅胶材料，也可以用PC或PMMA注塑，单件成本降低。选用PC或PMMA材料时，因为这种材料刚性好于硅胶材料，常规安装定位方式即可，省掉了硅胶件的安装辅助零件，进一步降低成本。
附图说明
图1为本发明的一个实施例的立体结构示意图；
图2A，B分别为本发明光路示意图，图2A光线平行射出，图2B光线成角度a射出；
图3为本发明的一个实施例中初级光学件(准直透镜单元)立体示意图；
图4为本发明的车用光学模组原理图；
图5为第一模组的光型示意图；
图6为第二模组的光型示意图；
图7为整个模组的光型示意图。
图中，A为准直透镜，1为准直透镜后端的聚光端，1-1a为聚光端的径向最外层表面，1-1b为内层侧边聚光面，1-2为前端聚光面，2为准直透镜侧壁，3为准直透镜前端的出光面，4为焦点，4-1为LED光源，5 为光轴，6为出光面的间隔，7为由准直透镜构成的一组准直透镜单元，8 为二级透镜，9为线路板。
具体实施方式
如图1所示，本发明公开了一种准直透镜，呈锥状，其前端面为出光面3，后端为聚光端1，光由后向前传播。所述聚光端为整体向后凸出、中心处凹陷、凹陷的底部表面向后凸出的异形结构，所述聚光端的表面为旋转曲面，所述聚光端的旋转中心线向前穿过所述出光面，所述聚光端的径向最外层表面1-1a为全反射面。所述聚光端有一个焦点，位于所述光轴5上、所述凹陷的底部表面的后方、靠近所述聚光端的后端边缘的区域。从焦点发出的光经过所述聚光端能平行直射出出光面，也可以形成一次交叉呈一定夹角射出出光面。所述焦点4优选为光源放置点。所述出光面与聚光端表面之外的表面为侧壁2，所述侧壁可以是一个连续表面，也可以是由多个连续表面相拼接组成的表面，所述连续表面可以为曲面和/或平面。所述侧壁优选在前后方向上是连续的。所述侧壁与光轴方向5平行，也可以是与所述光轴方向呈一夹角。
所述聚光端表面径向上由外向内依次为外层侧边聚光面、内层侧边聚光面1-1b和前端聚光面1-2。所述聚光端的径向最外层表面即为所述外层侧边聚光面1-1a。所述凹陷的侧壁构成所述内层侧边聚光面，所述内层侧边聚光面为不规则曲面，作用是把光线折射到所述外层侧边聚光面上。所述凹陷的底部表面构成所述前端聚光面，起凸透镜的作用，光源光线通过所述前端聚光面平行或交叉汇聚到位于出光面上。内、外层侧边聚光面在后端边缘相接，内层侧边聚光面的前端边缘与所述前端聚光面的边缘相接，所述焦点在轴向上与所述聚光端的后端边缘平齐。
所述聚光端的径向最外层表面用于把自所述内层侧边聚光面射入的光全部反射出去。聚光面的曲率可以单独设计，把光线平行或呈一定角度射出。所述聚光端的径向最外层表面优选采用抛物面，呈碗状。所述出光面可以为平面或曲面。所述出光面优选与所述旋转中心线垂直。所述出光面可以为多边形、圆形或椭圆形，相应地，所述侧壁的表面各不相同，但在所述侧壁与所述聚光端表面相接之前，应不影响光线路径。
附图所示实施例中所述出光面为正方形，对应屏幕光斑形状，相应地，所述侧壁由四个平面组成。通过二级透镜，光源经所述准直透镜在屏幕上的投影也是正方形。如果出光面是上述其他形状，光斑在屏幕上的投影也会随之变化。出光面具体可以按需要进行设计。侧壁与光轴平行或呈一夹角，附图所示的准直透镜的侧壁有轻微的倾斜，即呈一夹角，整个准直透镜呈前细后粗的锥形。倾斜度可根据材料折射率、透镜的长度、光效、单元排布、模具工艺等确定。
所述准直透镜优选采用PC、PMMA或透明硅胶制成；
如图4所示，本发明还公开了一种车用光学模组原理图，包括多组准直透镜单元，所述准直透镜单元包括一一对应的LED光源4和所述准直透镜，所述LED光源布置在所述准直透镜的焦点处，在同一线路板9上，且其出光面朝向所述准直透镜，所述聚光端可以完全包裹LED光源发出的光，因此光线利用效率显著提高。各组所述准直透镜单元呈单排阵列式排布，相邻两个所述准直透镜的出光面之间间隔一个出光面的距离。单独的准直透镜单元之间，在靠近光源侧有筋把侧壁连接，形成一个整体的零件。各个出光面之间是不连接的，因为各出光面的是间隔的，光源点亮时投影在屏幕上的光斑也是间隔的。如图6所示。
我们需要的是连续均匀的光斑，因此考虑使用两个模组相配合，来达到预期光斑。具体的，模组1投影出如图5所示的光型，另外一个模组2 投影出如图6所示的光型，图6的光斑明暗正好和图5相反，因此明暗互补，共同形成图7的连续光型。
根据本发明，单个初级光学件(准直透镜单元)的出光面间隔开来，可提供更小的出光面，反映到配光屏幕上的就是更小的像素，可做出高像素高精度的Matrix大灯模组。聚光端侧壁可以连接起来，使分散的准直器形成一个统一的整体，增加了初级光学件的强度和刚性；相邻两个准直器单元之间间隔大，模具上不会形成尖钢，模具加工难度低，制造工艺难度低。初级光学件的选材可以是硅胶材料，也可以用PC或PMMA注塑，单件成本降低。选用PC或PMMA材料时，因为这种材料刚性好于硅胶材料，常规安装定位方式即可，省掉了硅胶件的安装辅助零件，进一步降低成本。

Claims (9)

1.一种准直透镜，其特征在于：
从后端的聚光端至前端出光面呈径向截面渐小的锥状，
所述聚光端为整体向后凸出、中心处凹陷、凹陷的底部表面向后凸出的结构，
所述聚光端的表面为沿光轴的旋转曲面，所述聚光端的径向最外层表面为全反射面，
所述聚光端有一个焦点，焦点位于所述凹陷的底部表面的后方、靠近所述聚光端的后端边缘的区域；
所述出光面与聚光端表面之外的表面侧壁是一个连续表面或由多个连续表面连续拼接组成，所述连续表面为曲面和/或平面，所述侧壁在前后方向上是连续的。
2.如权利要求1所述的准直透镜，其特征在于：所述聚光端表面径向上由外向内依次为外层侧边聚光面、内层侧边聚光面和前端聚光面，所述聚光端的径向最外层表面即为所述外层侧边聚光面，所述凹陷的侧壁构成所述内层侧边聚光面，所述凹陷的底部表面构成所述前端聚光面；
内、外层侧边聚光面在后端边缘相接，内层侧边聚光面的前端边缘与所述前端聚光面的边缘相接，用于把光线平行或呈角度的汇聚起来，由此，通过内层聚光面和外层聚光面的曲率调整，可以改变光线折射的角度。
3.如权利要求2所述的准直透镜，其特征在于：所述聚光端的径向最外层表面为抛物面；所述出光面为平面或曲面，形状为多边形、圆形或椭圆形。
4.如权利要求1所述的准直透镜，其特征在于：所述出光面为正方形，所述侧壁由四个平面组成，每个平面与所述旋转中心线平行或呈一夹角。
5.一种车用光学模组，其特征在于：
包括一组或多组准直透镜单元，所述准直透镜单元包括一一对应的LED光源和权利要求1一项所述的准直透镜，所述LED光源布置在所述准直透镜的焦点处，且其出光面朝向所述准直透镜；
当所述准直透镜单元为多组时，各组所述准直透镜单元呈矩阵列式一排间隔排布，相邻两个所述准直透镜的出光面之间无连接地相互间隔一个出光面宽度的距离；
入光侧间隔处有材料连接，使分散间隔的准直透镜连成一体；
矩阵的准直透镜单元形成初级光学件，出光面位于二级透镜的焦面上。
6.如权利要求5所述的车用光学模组，其特征在于，
所述准直透镜单元相同或不同，它们的入光焦点在同一平面上。
7.如权利要求6所述的车用光学模组，所述准直透镜单元对应不同的LED光源，焦点位置可以在同一平面前后浮动。
8.如权利要求5所述的车用光学模组，其特征在于，
准直透镜单元可以呈一排间隔排列，也可以呈多排间隔排列。
9.如权利要求5所述的车用光学模组，其特征在于两个模组配合使用，两个模组的排布方式可以是上下，也可以是左右排布。
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