一种基于全反射的车灯透镜及车灯装置的制作方法

1.本发明属于车辆照明的技术领域，具体涉及一种基于全反射的车灯透镜及车灯装置。

背景技术：

2.在车辆照明技术领域中，对车辆的远光照明、近光照明和雾灯的发光强度和照射方向提出了明确的要求。对于前照灯的近光灯而言，为防止炫目，要求所发出光线必须形成清晰的明暗截止线，例如，小型车德国法规要求h-h线往上3.4度《2lux，其他国家法规也有类似要求。
3.对于该明暗截止线的形成，目前主要采用如下方法：
4.(1)遮挡法。光源发射出的光线，通过设置遮光板于聚焦和准直部件焦点附近对部分光线进行遮挡，进而形成一个明暗区域，在明暗交界处形成一明暗截止线，如此满足相关照明标准的规定。该方法的优点是明暗截止线很清晰，缺点是光学系统工作距离长，多元件，因此在速度快，有空间的大型车如汽车上应用广泛，但不适合小型车，比如自行车。
5.(2)光学整形法。用一枚或多枚光学元件，通过设计反射或折射光学表面面形，对出射光光斑进行整形来实现明暗截止。该方法的优点是光学系统工作距离短，元件少，可用于小型车，缺点是明暗截止线不容易清晰，灯具越小截止线越难达到标准。
6.因此，小型车客户不断提高的外观、体积大小和截止线清晰度的要求，给光学设计带来巨大挑战。

技术实现要素：

7.本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于全反射的车灯透镜及车灯装置，通过斜面的全反射临界角巧妙地将投向明区的光线进行反射，将可能投向暗区的光线进行折射，从而得到清晰的明暗截止线。
8.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
9.本发明的一个方面，提供了一种基于全反射的车灯透镜，为光密介质，包括由上至下依次设置的入光部、准直部和全反射部，以及设置于全反射部水平侧的出光部；
10.所述全反射部包括一倾斜的光学面t，所述准直部用于将入光部入射的光线汇聚并以一定角度射向光学面t，其中，入射角大于光学面t的全反射临界角的入射光被反射至水平侧的出光部，并在被照射区域形成明区；入射角小于光学面t的全反射临界角的入射光被折射至光疏介质而无法被反射，在被照射区域形成暗区，进而得到具有清晰明暗截止线的照明光斑。
11.作为优选的技术方案，准直部射向光学面t方向的光束入射角与光学面t的倾角根据所需明暗截止线取向角θ设置，具体为：
12.相对于水平方向x，光学面t的法线方向角ψ如下式：
[0013][0014]
相对于水平方向x，准直部射向光学面t的光束角度为一定范围，其中心角度等于φ，如下式：
[0015]
φ＝π-α-ψ
[0016]
其中，为光学面t的全反射临界角，β为出光部法线方向角，θ为明暗截止线取向角，n为全反射部光密介质的材料折射率，n0为光疏介质的材料折射率；相对于水平x方向，逆时针为正，顺时针为负。
[0017]
作为优选的技术方案，所述准直部为tir透镜，或为准直透镜；所述准直透镜为一枚或多枚分立。
[0018]
作为优选的技术方案，所述倾斜的光学面t为光密介质与光疏介质的分界面，采用平面，或在水平方向上具有曲率的弧面，或在水平方向上为周期性弧面的柱面阵列面，用于对被照射区域的明区光斑进行整形。
[0019]
作为优选的技术方案，所述出光部采用竖直平面，或倾斜平面，或在水平方向上具有曲率的弧面，或在水平方向上为周期性弧面的柱面阵列面，用于对被照射区域的明区光斑进行整形。
[0020]
作为优选的技术方案，所述光密介质包括光学玻璃和光学树脂，光学面t外侧的光疏介质包括空气、水或折射率低于所述光密介质的溶剂或材料。
[0021]
作为优选的技术方案，所述准直部与全反射部为一体成型结构，或为单独成型并进行组装的结构。
[0022]
作为优选的技术方案，所述全反射部与出光部为一体成型结构，或为单独成型并进行组装的结构。
[0023]
本发明的另一个方面，提供了一种车灯装置，包括上述的一种基于全反射的车灯透镜、光源以及外壳，所述光源出射的光线通过入光部进入所述准直部内。
[0024]
作为优选的技术方案，所述光源为led光源；所述车灯装置还包括电路板，所述电路板与led光源电气连接并提供电能。
[0025]
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
[0026]
(1)本技术利用斜面的全反射临界角巧妙地将投向明区的光线进行反射，将可能投向暗区的光线进行折射，从而得到清晰的明暗截止线；
[0027]
(2)本技术的光源方向与出光方向不在一条直线上，以大角度进行转折，在空间上错开，从而大幅降低了车灯的厚度。
[0028]
(3)达到相同的明暗截止线对比度，本技术所需要的光学元件几何空间更小，进而显著降低了相关产品小型化给光学系统设计带来的难度和困扰。
附图说明
[0029]
图1是本发明实施例的基于全反射的车灯透镜的结构原理示意图；
[0030]
图2是本发明实施例基于全反射的车灯透镜所得明暗截止线示意图；
[0031]
图3是本发明实施例准直部为准直透镜结构的车灯透镜的结构示意图；
[0032]
图4是本发明实施例光学面t在水平方向上为具有曲率的弧面的结构示意图；
[0033]
图5是本发明实施例光学面t为在水平方向上为周期性弧面的柱面阵列面的结构示意图；
[0034]
图6是本发明实施例的小型车ece r149 class a标准的非对称截止线示意图；
[0035]
图7是本发明实施例的汽车ece r112标准的截止线示意图；
[0036]
图8是本发明实施例出光部为竖直平面的结构示意图；
[0037]
图9是本发明实施例出光部为在水平方向上具有曲率的弧面的结构示意图；
[0038]
图10是本发明实施例出光部为在水平方向上周期性弧面的柱面阵列面的结构示意图；
[0039]
图11是本发明实施例出光部分体结构示意图；
[0040]
图12是本发明实施例的车灯装置的结构示意图。
具体实施方式
[0041]
为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0042]
实施例1
[0043]
如图1所示，本实施例提供了一种基于全反射的车灯透镜，为光密介质，包括由上至下依次设置的入光部、准直部和全反射部，以及设置于全反射部水平侧的出光部；
[0044]
光源设置在顶部，从上往下进行照射，发出的光经过准直部汇聚后以一定角度射向全反射部的倾斜的光学面t，光学面t为光密介质与光疏介质(空气)的分界面(光线从光密介质射向光疏介质，其折射角将大于入射角；当入射角为某一数值时，折射角等于90
°
，此入射角称临界角critical angle，是使得全内反射发生的最小入射角)，设置一定的角度，使得反射指向明区方向的入射光入射角大于光学面t的全反射临界角，此部分入射光被反射至被照明区域明区实现照明；同时使得反射指向暗区方向的入射光入射角小于光学面t的全反射临界角，无法被反射至暗区，被折射因而被挡掉，相当于加一块“挡板”将光线挡住，实现与“遮挡法”相近的高对比清晰明暗截止线。同时，本技术的“挡板”非常智能，象一个过滤筛子，只会挡住截止线以上的光线，而截止线以下的光线则不影响。图2是本实施例的基于全反射的车灯透镜所得到的明暗截止线示意图，利用全反射临界角，将h-h线(水平面)2.5度以上光线截止。
[0045]
进一步的，准直部射向光学面t方向的光束入射角与光学面t的倾角根据所需明暗截止线取向角设置，具体为：
[0046]
相对于水平方向x，光学面t的法线方向角ψ如下式：
[0047][0048]
相对于水平方向x，准直部射向光学面t的光束角度为一定范围，φ是范围内对应明暗截止线取向角θ的一个点。如图1所示，范围内，角度小于φ的光线(大于临界角α)被反
射，角度大于φ的光线被折射。所以φ划分了有效被利用的光能(去了明区)和被折射损失的光能。为了效率，设计准直部时需要考虑其光束范围的中心角度等于、近似等于或略小于φ，如下式：
[0049]
φ＝π-α-ψ
[0050]
其中，为光学面t的全反射临界角，β为出光部法线方向角，θ为明暗截止线取向角，n为全反射部光密介质的材料折射率，n0为光疏介质的材料折射率(空气折射率为1)；相对于水平x方向的角度，逆时针为正，顺时针为负。
[0051]
进一步的，所述准直部为tir透镜，如图1所示。此外，准直部还可采用如图3所示的准直透镜结构，准直透镜可以是一枚或多枚分立。
[0052]
进一步的，所述倾斜的光学面t为光密介质与光疏介质的分界面，贡献清晰明暗截止的同时，也可用于对明区光斑进行整形，实现相应光学指标。在本实施例中采用如下几种光学面结构，但不仅限于此，其他未一一举例的光学面在未背离本发明的精神实质与原理下的实施方式均应包含在本发明的保护范围之内：
[0053]
(1)如图1、图3所示的倾斜平面；
[0054]
(2)如图4所示的在水平方向上具有曲率的弧面；
[0055]
(3)如图5所示的在水平方向上为周期性弧面的柱面阵列面。
[0056]
作为优选的技术方案，本实施例还设计该倾斜的光学面t，使出射光满足非对称截止线标准，例如，小型车ece r149 class a(如图6所示)，汽车ece r112(如图7所示，其中zone ii受h-h线(水平面)、zone i、zone iv以及位于9
°
l和9
°
r的垂直线所限制)。进一步的，所述出光部用于对被照射区域的明区光斑进行整形，实现相应光学指标。在本实施例中采用如下几种出光部光学结构，但不仅限于此，其他未一一举例的光学结构在未背离本发明的精神实质与原理下的实施方式均应包含在本发明的保护范围之内：
[0057]
(a)如图8所示的竖直平面(β＝0)；
[0058]
(b)如图1、图3所示的倾斜平面；
[0059]
(c)如图9所示的在水平方向上具有曲率的弧面；
[0060]
(d)如图10所示的在水平方向上为周期性弧面的柱面阵列面。
[0061]
进一步的，所述光密介质包括光学玻璃和光学树脂在内的任何折射率大于所采用的光疏介质的光学材料，如k玻璃、石英玻璃、pc树脂、pmma树脂等。全反射部的光学面t外侧的光疏介质可以是空气，水或其他折射率低于所述光密介质的溶剂或其他材料。
[0062]
进一步的，所述准直部与全反射部之间、全反射部与出光部之间可以为一体成型结构，也可以为单独成型并进行组装的结构，前者光学设计上更灵活，后者方便装配及小型化。如图11所示，出光部与全反射部为分体结构，可将沿水平方向的波纹面放在窗内侧，这样车灯外表面光滑，可防止积尘。
[0063]
实施例2
[0064]
如图12所示，本实施例提供了一种车灯装置，包括实施例1中所述的一种基于全反射的车灯透镜、光源以及外壳，所述光源设置于车灯透镜顶部的入光部，其出射的光线通过入光部进入所述准直部内；所述车灯透镜通过螺丝固定安装于外壳内部。
[0065]
进一步的，所述光源为led光源；所述车灯装置还包括电路板，所述电路板设置于
led光源上方并通过螺丝进行固定安装，同时与led光源电气连接，用于提供电能。
[0066]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种基于全反射的车灯透镜，其特征在于，为光密介质，包括由上至下依次设置的入光部、准直部和全反射部，以及设置于全反射部水平侧的出光部；所述全反射部包括一倾斜的光学面t，所述准直部用于将入光部入射的光线汇聚并以一定角度射向光学面t，其中，入射角大于光学面t的全反射临界角的入射光被反射至水平侧的出光部，并在被照射区域形成明区；入射角小于光学面t的全反射临界角的入射光被折射至光疏介质而无法被反射，在被照射区域形成暗区，进而得到具有清晰明暗截止线的照明光斑。2.根据权利要求1所述的一种基于全反射的车灯透镜，其特征在于，准直部射向光学面t方向的光束入射角与光学面t的倾角根据所需明暗截止线取向角θ设置，具体为：相对于水平方向x，光学面t的法线方向角ψ如下式：相对于水平方向x，准直部射向光学面t的光束角度为一定范围，其中心角度等于φ，如下式：φ＝π-α-ψ其中，为光学面t的全反射临界角，β为出光部法线方向角，θ为明暗截止线取向角，n为全反射部光密介质的材料折射率，n0为光疏介质的材料折射率；相对于水平x方向，逆时针为正，顺时针为负。3.根据权利要求1所述的一种基于全反射的车灯透镜，其特征在于，所述准直部为tir透镜，或为准直透镜；所述准直透镜为一枚或多枚分立。4.根据权利要求1所述的一种基于全反射的车灯透镜，其特征在于，所述倾斜的光学面t为光密介质与光疏介质的分界面，采用平面，或在水平方向上具有曲率的弧面，或在水平方向上为周期性弧面的柱面阵列面，用于对被照射区域的明区光斑进行整形。5.根据权利要求1所述的一种基于全反射的车灯透镜，其特征在于，所述出光部采用竖直平面，或倾斜平面，或在水平方向上具有曲率的弧面，或在水平方向上为周期性弧面的柱面阵列面，用于对被照射区域的明区光斑进行整形。6.根据权利要求1所述的一种基于全反射的车灯透镜，其特征在于，所述光密介质包括光学玻璃和光学树脂，光学面t外侧的光疏介质包括空气、水或折射率低于所述光密介质的溶剂或材料。7.根据权利要求1所述的一种基于全反射的车灯透镜，其特征在于，所述准直部与全反射部为一体成型结构，或为单独成型并进行组装的结构。8.根据权利要求1所述的一种基于全反射的车灯透镜，其特征在于，所述全反射部与出光部为一体成型结构，或为单独成型并进行组装的结构。9.一种车灯装置，其特征在于，包括权利要求1-8中任一项所述的一种基于全反射的车灯透镜、光源以及外壳，所述光源出射的光线通过入光部进入所述准直部内。10.根据权利要求9所述的一种车灯装置，其特征在于，所述光源为led光源；所述车灯装置还包括电路板，所述电路板与led光源电气连接并提供电能。

技术总结

本发明公开了一种基于全反射的车灯透镜及车灯装置，该车灯透镜为光密介质，包括由上至下依次设置的入光部、准直部和全反射部，及设置于全反射部水平侧的出光部；全反射部为倾斜光学面，准直部汇聚入射光并以一定角度射向光学面，其中，入射角大于光学面全反射临界角的入射光被反射至水平侧的出光部，形成明区；入射角小于光学面的全反射临界角的入射光被折射至光疏介质而无法被反射，形成暗区，得到具有清晰明暗截止线的照明光斑。本申请利用全反射临界角巧妙将投向明区的光进行反射，将投向暗区的光进行折射，从而得到清晰的明暗截止线；同时，光源方向与出光方向以大角度进行转折，不在一条直线上，在空间上错开，大幅降低了车灯的厚度。车灯的厚度。车灯的厚度。