CN109708072A - 带有自由曲面出光面的大尺寸光导的光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种带有自由曲面出光面的大尺寸光导的光学系统，包括有光源和光导，所述光导包括右部的入光面、入光面左侧的光线耦合部、前部的光学反射部和后部的出光面；所述光源至少2个有纵向两个设置在入光面右侧；出光面是带曲率的凹面，即出光面为自由曲面的出光面，出光面以建模得到；光学反射部为光导齿面。带有自由出光曲面的大尺寸光导的光学系统，尤其是其出光面为带有曲率的自由曲面的设计，出光面为依据光源位置建模设计的凹面，能够实现更大的出光视角、解决亮线缺陷以及提高光耦合效率和均匀性；大于三个光源时，采用模块化的阵列或者叠加设计方法，能方便设计过程。

Description

带有自由曲面出光面的大尺寸光导的光学系统

技术领域

本发明涉及汽车照明光学系统领域，尤其涉及一种新型的带有自由曲面出光面的大尺寸光导的光学系统。

背景技术

目前，随着人们对汽车外观造型的要求不断提高，车灯作为汽车外饰件展现汽车个性造型的作用愈发重要。光源在车灯上的应用给车灯设计者提供了广阔的思路，普通的圆形光导的光学系统以其点亮效果均匀及空间占比小被广泛应用在汽车照明上。

然而，对于大尺寸的光导的光学系统，由于出光面积和出光视角小、并且会有明显的亮线缺陷、光耦合效率低，现有技术的圆形光导的光学系统的概念已经不能满足车灯设计的要求。由此另一种现有技术中设计者提出了一种大尺寸椭圆形光导的光学系统方案，虽然理论上较圆形光导的出光面积和出光视角稍大一些，但仍是不够的，无法满足整车厂的出光面积和出光视角这方面的要求，同时由于椭圆形光导是中间凸出来的造型原因，其对光线有汇聚聚光作用，也有明显的亮线缺陷。

鉴于上述问题，本发明提供了一种新型的带有自由曲面出光面的大尺寸光导的光学系统。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种新型的带有自由曲面出光面的大尺寸光导的光学系统，来实现更大的出光视角、解决亮线缺陷以及提高光耦合效率和均匀性。

本发明的目的是提供一种带有自由曲面出光面的大尺寸光导的光学系统，包括有光源和光导，所述光导包括右部的入光面、入光面左侧的光线耦合部、前部的光学反射部和后部的出光面；所述光源至少有纵向两个设置在入光面右侧；出光面是带曲率的凹面，即出光面为自由曲面的出光面；光学反射部为光导齿面。

进一步改进在于：所述光源为两个；出光面的建模作图过程如下：

a:在光导前部先以两个光源为圆心作出两个半径为r的圆， r不大于5mm；

b:将位于上面的半径为r的圆的直径2r等分为3等份，沿着中心线并且过距离其顶部端点向下2r/3处的点做法线，分别与上面的半径为r的圆相交两点A,C；

c:将位于下面的半径为r的圆的直径2r等分为3等份，沿着中心线并且过距离其底部端点向上2r/3处的点做法线，分别与下面的半径为r的圆相交两点B,D；

d:过A与B两点在光导右部作半径为R的圆弧面，R不小于r，此段圆弧面即出光面；

e:过C与D两点作圆弧与两个半径为r的圆相切，并与之前所做缝合成豌豆状；

f:最后继续做出光线反射部，便形成了带有自由出光曲面的大尺寸的光导的截面。

进一步改进在于：上面的半径为r的圆的底部和下面的半径为r的圆的顶部之间有间距，并且距离是变化的，即光源之间的距离是可调节的。

进一步改进在于：所述光源纵向排列在入光面前部的失焦处。

进一步改进在于：当光线经过出光面时，即光线由光导的出光面6出射到空气时，光线传播方向会改变，出射角一θ2=arcsin（n1*sinθ1/n2），其中θ1为入射角一，n2为空气的折射率，n1为光导的折射率；在所述光导的截面的中间部分，由于是凹进去的自由曲面的出光面，光线经过出光面时会发生方向改变，出射角为出射角一θ2，并不是像椭圆形或圆形出光面的会将光汇聚的作用，而是会将光扩散，这样便解决了大尺寸的光导的相邻光源的光源之间，尤其是中间部分，会产生亮线的问题，使光线更加均匀；出射角二θ2'= arcsin（n1*sinθ1'/n2），其中θ1'为入射角二，在所述光导的自由曲面的出光面的凹进去的部分，其靠近两侧处的光经过出光面时会发生方向改变，出射角为出射角二θ2'，光线会往两侧处发生扩散，扩大出光视角。

进一步改进在于：当半径R 变小，即凹面的曲率1/R变大，入射角一θ1变大到入射角三θ1''，由于θ2=arcsin（n1*sinθ1/n2），θ2''= arcsin（n1*sinθ1''/n2），其中θ1''为入射角三，θ2''为出射角三，并且由于n2为空气的折射率，n1为光导的折射率，即n1/n2为常数，所以当入射角一θ1的导数变大时，出射角一θ2的导数会随之变大，即当θ1的变化率变大，θ2的变化率也随之变大，光线扩散的变化速度也变大。

进一步改进在于：光导的宽度可以变化，当光导的宽度做大但均匀性仍然要和光导宽度没变大时一样时，带有自由出光曲面的大尺寸的光导由于光线的出光视角更大，可以减少光源的光源的数量，能很大程度的降低成本。

进一步改进在于：所述光学反射部的光导齿的为向内凹陷的棱形或向外凸出的棱形，光导齿包括光导齿台阶面和光导齿反射面；光导齿反射面则是用来将光线反射出去，光导齿台阶面是控制光导齿反射面的出光面大小。

进一步改进在于：半径R可以往小调，但R不可以无限变小，R不能小于r。

进一步改进在于：当光源数目多于2个时，每相邻的两个光源及其之间的光导的光学面的建模作图如前所述，每两个光源形成的光学面进行模块式的阵列或者叠加形成出光面。

进一步改进在于：所述光源为红色的光源，来实现尾灯位置灯或者尾灯制动灯；或为白色的光源，来实现日间行车灯或者前灯位置灯；或为黄色的光源，来实现转向灯。

进一步改进在于：所述光导材料为聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯。

本发明的有益效果：本发明带有自由出光曲面的大尺寸光导的光学系统，尤其是其出光面为带有曲率的自由曲面的设计，出光面为依据光源位置建模设计的凹面，能够实现更大的出光视角、解决亮线缺陷以及提高光耦合效率和均匀性；大于三个光源时，采用模块化的阵列或者叠加设计方法，能方便设计过程。

附图说明

图1示出本发明的带有自由出光曲面的大尺寸光导的轴侧图。

图2示出本发明的带有自由出光曲面的大尺寸光导的主视图。

图3示出本发明的示图1的带有自由出光曲面的大尺寸光导的反射部的光学剖面图。

图4示出本发明的示图2的带有自由出光曲面的大尺寸光导的A-A线剖面图。

图5示出本发明的带有自由出光曲面的大尺寸光导的建模作图过程原理图。

图6示出光线经过本发明的带有自由出光曲面的大尺寸光导的出光面的光路图。

图7示出本发明的θ2变化率与θ1的变化率的关系原理图。

图8示出光线在本发明的带有自由出光曲面的大尺寸光导的内部进行光线耦合的频率的示意图，为侧视图和俯视图结合关系原理图。

图9示出本发明的带有自由出光曲面的大尺寸光导的有三个光源时的截面图。

其中：1-光源；2-光导；3-入射面；4-光线耦合部；5-光线反射部；51-光导齿台阶面；52-光导齿反射面；6-出光面；θ1-入射角一；θ1'-入射角二；θ1''-入射角三；θ2-出射角一；θ2'-出射角二；θ2''-出射角三；n1-光导折射率；n2-空气折射率。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

实施例一

如图1-8所示，本实施例提供一种带有自由曲面出光面的大尺寸光导的光学系统，包括有光源1和光导2，所述光导2包括右部的入光面3、入光面3左侧的光线耦合部4、前部的光学反射部5和后部的出光面6；所述光源1有两个且纵向设置在入光面3右侧；出光面6是带曲率的凹面，即出光面6为自由曲面的出光面；光学反射部5为光导齿面。

出光面6的建模作图过程如下：

a:在光导前部先以两个光源为圆心作出两个半径为r的圆，r为4mm；

b:将位于上面的半径为r的圆的直径2r等分为3等份，沿着中心线并且过距离其顶部端点向下2r/3处的点做法线，分别与上面的半径为r的圆相交两点A,C；

c:将位于下面的半径为r的圆的直径2r等分为3等份，沿着中心线并且过距离其底部端点向上2r/3处的点做法线，分别与下面的半径为r的圆相交两点B,D；

d:过A与B两点在光导右部作半径为R的圆弧面，R不小于r，此段圆弧面即出光面6；

e:过C与D两点作圆弧与两个半径为r的圆相切，并与之前所做缝合成豌豆状；

f:最后继续做出光线反射部5，便形成了带有自由出光曲面的大尺寸的光导2的截面。

上面的半径为r的圆的底部和下面的半径为r的圆的顶部之间有间距，并且距离是变化的，即光源1之间的距离是可调节的。所述光源1纵向排列在入光面3前部的失焦处。

如图6所示，当光线经过出光面时，即光线由光导的出光面6出射到空气时，光线传播方向会改变，出射角一θ2=arcsin（n1*sinθ1/n2），其中θ1为入射角一，n2为空气的折射率，n1为光导的折射率；在所述光导的截面的中间部分，由于是凹进去的自由曲面的出光面，光线经过出光面时会发生方向改变，出射角为出射角一θ2，并不是像椭圆形或圆形出光面的会将光汇聚的作用，而是会将光扩散，这样便解决了大尺寸的光导的相邻光源的光源之间，尤其是中间部分，会产生亮线的问题，使光线更加均匀；出射角二θ2'= arcsin（n1*sinθ1'/n2），其中θ1'为入射角二，在所述光导的自由曲面的出光面的凹进去的部分，其靠近两侧处的光经过出光面时会发生方向改变，出射角为出射角二θ2'，光线会往两侧处发生扩散，扩大出光视角。

如图7所示，当半径R 变小，即凹面的曲率1/R变大，入射角一θ1变大到入射角三θ1''，由于θ2=arcsin（n1*sinθ1/n2），θ2''= arcsin（n1*sinθ1''/n2），其中θ1''为入射角三，θ2''为出射角三，并且由于n2为空气的折射率，n1为光导的折射率，即n1/n2为常数，所以当入射角一θ1的导数变大时，出射角一θ2的导数会随之变大，即当θ1的变化率变大，θ2的变化率也随之变大，光线扩散的变化速度也变大。

半径R可以往小调，但R不可以无限变小，R不能小于r，即出光面6的最凹面处不能超过图5中的中心线。

所述光学反射部5的光导齿的为向内凹陷的棱形或向外凸出的棱形，光导齿包括光导齿台阶面51和光导齿反射面52；光导齿反射面52则是用来将光线反射出去，光导齿台阶面51是控制光导齿反射面52的出光面大小。所述光导2材料为聚碳酸酯。

图8示出光线在本发明的带有自由出光曲面的大尺寸的光导2的内部进行光线耦合的频率的示意图，从图中可以看出，光线在出光面6的越凹的面处的光全反射次数越多，光线反射频率越频繁，使得光的耦合性更好，光更均匀，由此会比现有技术的中部的越凹进去的部分的均匀性更好，光导2整体的均匀性也会较现有技术更好。

图4的 A-A线剖面图中，光源1发出的光线经过光线反射部5将光线反射到出光面6处，出光面6是经过如上描述的设计方法进行设计的带一定曲率的凹面，是一个自由曲面，上下平行的光线经过出光面6会发生扩散，带一定曲率的凹面的自由曲面的出光面6的设计能够解决现有技术的光导的出广视角小、均匀性欠缺以及尤其中间部分存在亮线的问题。

带有自由出光曲面的大尺寸光导的光学系统，尤其是其出光面为带有曲率的自由曲面的设计，出光面为依据光源位置建模设计的凹面，能够实现更大的出光视角、解决亮线缺陷以及提高光耦合效率和均匀性。

实施例二

如图9所示，本实施例有三个光源1，左边的光源和中间的光源及其之间的光导光学面的建模作图设计与图5中的建模作图设计过程一样，而接下来的中间的光源和右边的光源及其之间的光导光学面的建模作图设计过程和左边光源及中间光源的设计过程一样，因此此时，只需将之前进行的左边的光源和中间的光源及其之间的光导光学面的设计过程进行模块式的阵列到右边，就能完成当有三个光源1时的带有自由出光曲面的大尺寸的光导2的设计，这种模块式叠加的设计可以很大程度的简化设计周期，使设计过程更加方便。

Claims (8)

1.一种带有自由曲面出光面的大尺寸光导的光学系统，包括有光源（1）和光导（2），其特征在于：所述光导（2）包括右部的入光面（3）、入光面（3）左侧的光线耦合部（4）、前部的光学反射部（5）和后部的出光面（6）；所述光源（1）至少有两个且纵向设置在入光面（3）右侧；出光面（6）是带曲率的凹面，即出光面（6）为自由曲面的出光面；光学反射部（5）为光导齿面。

2.如权利要求1所述带有自由曲面出光面的大尺寸光导的光学系统，其特征在于：所述光源（1）为两个；出光面（6）的建模作图过程如下：

a:在光导前部先以两个光源为圆心作出两个半径为r的圆， r不大于5mm；

b:将位于上面的半径为r的圆的直径2r等分为3等份，沿着中心线并且过距离其顶部端点向下2r/3处的点做法线，分别与上面的半径为r的圆相交两点A,C；

c:将位于下面的半径为r的圆的直径2r等分为3等份，沿着中心线并且过距离其底部端点向上2r/3处的点做法线，分别与下面的半径为r的圆相交两点B,D；

d:过A与B两点在光导右部作半径为R的圆弧面，R不小于r，此段圆弧面即出光面（6）；

e:过C与D两点作圆弧与两个半径为r的圆相切，并与之前所做缝合成豌豆状；

f:最后继续做出光线反射部（5），便形成了带有自由出光曲面的大尺寸的光导（2）的截面。

3.如权利要求2所述所述带有自由曲面出光面的大尺寸光导的光学系统，其特征在于：上面的半径为r的圆的底部和下面的半径为r的圆的顶部之间有间距，并且距离是变化的，即光源（1）之间的距离是可调节的。

4.如权利要求1或2所述带有自由曲面出光面的大尺寸光导的光学系统，其特征在于：所述光源（1）纵向排列在入光面（3）前部的失焦处。

5.如权利要求1所述带有自由曲面出光面的大尺寸光导的光学系统，其特征在于：所述光学反射部（5）的光导齿的为向内凹陷的棱形或向外凸出的棱形，光导齿包括光导齿台阶面（51）和光导齿反射面（52）；光导齿反射面（52）则是用来将光线反射出去，光导齿台阶面（51）是控制光导齿反射面(52)的出光面大小。

6.如权利要求2所述带有自由曲面出光面的大尺寸光导的光学系统，其特征在于：当光源（1）数目多于2个时，每相邻的两个光源（1）及其之间的光导（2）的光学面的建模作图如前所述，每两个光源形成的光学面进行模块式的阵列或者叠加形成出光面（6）。

7.如权利要求1所述带有自由曲面出光面的大尺寸光导的光学系统，其特征在于：所述光源（1）为红色的光源，来实现尾灯位置灯或者尾灯制动灯；或为白色的光源，来实现日间行车灯或者前灯位置灯；或为黄色的光源，来实现转向灯。

8.如权利要求1所述带有自由曲面出光面的大尺寸光导的光学系统，其特征在于：所述光导（2）材料为聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯。