透镜组件、车灯模组、车灯和车辆的制作方法

1.本发明涉及光学元件，具体地，涉及一种透镜组件。此外，本发明还涉及一种车灯模组、车灯和车辆。


背景技术：

2.随着车灯行业的发展，单一的道路照明已难以满足交通参与者对安全舒适照明的需求，人车交互及人人交互信息的需求也越来越高。同时实现矩阵式照明和像素显示的新型智能车灯系统也逐渐被应用到汽车上。
3.现有的解决方案有基于dlp或lcd的高像素matrix模组方案，其分辨角很小，能够实现连续变化的像素照明，能够提供更加柔和的光型变化，结合不同路况，同时实现高像素照明和显示。但其系统结构复杂、设计及加工难度大，光机电系统要求苛刻、控制模块要求高。导致这两种方案的成本很高，价格昂贵，量产难度大。
4.另有技术方案是将整个前照灯的照明空间连续的分割成不同的区块，每个区块由数量不同的阵列led来实现像素照明及显示。这种技术方案可以在一定程度上控制成本。但由于阵列led的数量限制，导致最后信息化显示的像素有限，显示分辨率比较低。在车身垂直方向的视角有一部分是无效的，导致能量的浪费，整个路面上的照度比较低。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的第一方面的技术问题是提供一种透镜组件，该透镜组件能够对上下方向的视角进行压缩，从而满足道路照明水平方向和垂直方向的照明角度要求，提高路面的有效照明范围内的照度。
6.本发明所要解决的第二方面的技术问题是提供一种车灯模组，该车灯模组能够对上下方向的视角进行压缩，从而合理有效地利用有限阵列led或micro-led的数量，满足道路照明水平方向和垂直方向的照明角度要求，提高路面的有效照明范围内的照度。
7.本发明所要解决的第三方面的技术问题是提供一种车灯，该车灯能够对上下方向的视角进行压缩，从而合理有效地利用有限阵列led或micro-led的数量，满足道路照明水平方向和垂直方向的照明角度要求，提高路面的有效照明范围内的照度。
8.本发明所要解决的第四方面的技术问题是提供一种车辆，该车辆的车灯能够对上下方向的视角进行压缩，从而合理有效地利用有限阵列led或micro-led的数量，满足道路照明水平方向和垂直方向的照明角度要求，提高路面的有效照明范围内的照度。
9.为了解决上述技术问题，本发明第一方面提供一种透镜组件，包括依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；所述第一透镜为凹透镜，所述第二透镜为凸透镜，所述第一透镜的透镜出光面和所述第二透镜的透镜入光面贴合；所述第三透镜和所述第四透镜均为变形透镜，所述第三透镜的透镜入光面为向所述第三透镜的透镜出光面凹陷的曲面，所述第三透镜的透镜出光面为向所述第三透镜的透镜入光面凹陷的曲面；所述第四透镜的透镜入光面为向所述第三透镜的透镜出光面凸出的曲面，以能够使得所述第一透镜、
第二透镜、第三透镜和第四透镜的组合在子午面内的放大倍率小于在弧矢面内的放大倍率。
10.优选地，所述第一透镜的透镜入光面和透镜出光面均能够与球面匹配；所述第二透镜的透镜入光面和透镜出光面均为球面。
11.优选地，所述第四透镜的透镜出光面为向所述第四透镜外凸出的旋转对称面。
12.优选地，所述第三透镜的透镜出光面为二次曲面或与偶次非球面匹配；所述第四透镜的透镜出光面为二次曲面或偶次非球面。
13.优选地，所述第三透镜的透镜出光面与偶次非球面匹配；所述第四透镜的透镜出光面为偶次非球面；
14.所述第三透镜的透镜出光面和所述第四透镜的透镜出光面的面型方程为：
[0015][0016]
其中，z为面型矢高，c为表面的曲率，k为二次曲面系数，r为径向半径，α1、α2、α3、α4、α5、α6、α7、α8分别为面型的高次项系数。
[0017]
优选地，所述第三透镜的透镜入光面和所述第四透镜的透镜入光面均为自由曲面；
[0018]
所述第三透镜的透镜入光面和所述第四透镜的透镜入光面的面型方程为：
[0019][0020]
其中，z为面型的矢高，x和y分别为x方向和y方向的坐标，c
x
和cy分别为x方向和y方向的曲率，k
x
和ky分别为x方向和y方向的二次曲面系数，ar、br、cr、dr、ap、bp、cp和dp分别为非球面的高次项系数。
[0021]
更优选地，所述第一透镜和所述第二透镜均为玻璃成型件；所述第三透镜和所述第四透镜均为透光塑料成型件。
[0022]
第二方面，本发明提供一种车灯模组，所述车灯模组包括光源和上述第一方面任一技术方案所述的透镜组件，所述透镜组件设置在所述光源的出光方向上。
[0023]
第三方面，本发明提供一种车灯，所述车灯包括上述第二方面所述的车灯模组。
[0024]
第四方面，本发明提供一种车辆，所述车辆包括上述第三方面所述的车灯。
[0025]
通过上述技术方案，本发明的透镜组件通过将第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜组合使用，将第三透镜的透镜入光面设置为向第三透镜的透镜出光面凹陷的曲面，第三透镜的透镜出光面设置为向第三透镜的透镜入光面凹陷的曲面，第四透镜的透镜入光面设置为向第三透镜的透镜出光面凸出的曲面，以能够使得第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜的组合在子午面内的放大倍率小于在弧矢面内的放大倍率，从而使得透镜
模组在水平方向的焦距大于其在上下方向上的焦距，以能够获得比上下方向更大的水平方向视场角。对于固定数量的阵列led或micro-led来说，可以将其压缩在一定视场角内，这样可以保证道路照明显示时分辨率提高，且不会有过多的能量浪费，提高路面照度。
[0026]
有关本发明的其他优点以及优选实施方式的技术效果，将在下文的具体实施方式中进一步说明。
附图说明
[0027]
图1是本发明车灯一个具体实施方式的结构示意图；
[0028]
图2是本发明车灯另一个具体实施方式在结构示意图；
[0029]
图3是本发明车灯另一个具体实施方式在弧矢面上的投影示意图；
[0030]
图4是本发明车灯另一个具体实施方式在子午面上的投影示意图；
[0031]
图5是本发明车灯一个具体实施方式投影效果示意图。
[0032]
附图标记说明
[0033]1ꢀꢀ
第一透镜
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第二透镜
[0034]3ꢀꢀ
第三透镜
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第四透镜
[0035]5ꢀꢀ
光源
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ6ꢀꢀꢀ
像面
[0036]
11第一透镜的透镜入光面
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
12 第一透镜的透镜出光面
[0037]
21 第二透镜的透镜入光面
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
22 第二透镜的透镜出光面
[0038]
31 第三透镜的透镜入光面
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
32 第三透镜的透镜出光面
[0039]
41 第四透镜的透镜入光面
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
42 第四透镜的透镜出光面
具体实施方式
[0040]
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0041]
需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。如图1和图5所示，z轴是指光学系统光轴，y轴是轴外物点的主光线(垂直向上)，与z轴、y轴均垂直且经过原点的直线为x轴，子午面是指轴外物点的主光线与光学系统主轴构成的平面，也就是z轴和y轴所构成的平面；弧矢面是指与子午面垂直的平面，也就是x轴和z轴所构成的平面。更具体地，y轴所指方向为“上”，z轴所指方向为“前”，x轴所指方向为“右”。
[0042]
本发明的基本实施方式中，如图1所示，本发明提供一种透镜组件，包括依次设置的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4；第一透镜1为凹透镜，第二透镜2为凸透镜，第一透镜1的透镜出光面12和第二透镜2的透镜入光面21贴合；第三透镜3和第四透镜4均为变形透镜，第三透镜3的透镜入光面31为向第三透镜3的透镜出光面32凹陷的曲面，第三透镜3的透镜出光面32为向第三透镜3的透镜入光面31凹陷的曲面；第四透镜4的透镜入光面41为向第三透镜3的透镜出光面32凸出的曲面，以能够使得第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4的组合在子午面(y，z)内的放大倍率小于在弧矢面(x，z)内的放大倍
率。
[0043]
根据本发明，第一透镜1的透镜出光面12各部分的曲率与第二透镜2的透镜入光面21各部分的曲率一一对应相等，以使得第一透镜1的透镜出光面12与第二透镜2的透镜入光面21贴合。第一透镜1和第二透镜2能够形成消色差双胶合透镜或双分离透镜。
[0044]
变形透镜是指形状区别于常规凸透镜以及凹透镜的透镜。具体地，变形透镜是指将透镜入光面和透镜出光面中的其中至少一者设置为自由曲面的透镜。未设置成自由曲面的透镜入光面或透镜出光面可以设置为非球面或者二次曲面。自由曲面是指不关于中心旋转对称的曲面，其可以沿某个截面对称，也可以关于某个轴对称，也可以没有对称轴或对称面。
[0045]
具体地，第三透镜3的透镜出光面32可以为旋转对称面或者非旋转对称面，优选地，为了方便加工及固定，第三透镜3的透镜出光面32为旋转对称面。
[0046]
上述基本实施方式提供的透镜组件，将第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4组合后，能够减小其在水平方向上的焦距，从而获得相对于垂直方向更大的视场角。同时可以增加其在垂直方向上的焦距，能够将垂直方向上的有效的像素压缩在一定的视场内，既可以提高道路照明显示时的分辨率，又不会有过多的能量浪费，提高路面照度。而且能够通过不同压缩比的透镜组合来满足道路照明子午面(y，z)和弧矢面(x，z)的视觉要求，提高路面有效照明范围内的照度。
[0047]
在本发明的一个具体实施方式中，第一透镜1的透镜入光面11和透镜出光面12均能够与球面匹配；第二透镜2的透镜入光面21和透镜出光面22均为球面。将第一透镜1的透镜入光面11和透镜出光面12以及第二透镜2的透镜入光面21和透镜出光面22均设置为球面，能够便于两个透镜的加工，同时也能够在保证放大倍率的基础上使得第一透镜1和第二透镜2的贴合更为紧密。
[0048]
具体地，第一透镜1的透镜入光面11和透镜出光面12均能够与球面贴合，也就是说，第一透镜1的透镜入光面11和透镜出光面12的曲率与球面一致。
[0049]
为了满足车灯或透镜组件的外观要求，在本发明的一个具体实施方式中，第四透镜4的透镜出光面42为向第四透镜4外凸出的旋转对称面。
[0050]
第三透镜3的透镜出光面32和第四透镜4的透镜出光面42可以是任意能够形成旋转对称的曲面。在本发明的一个具体实施方式中，第三透镜3的透镜出光面32为二次曲面或与偶次非球面匹配；第四透镜4的透镜出光面42为二次曲面或偶次非球面。能够进一步方便在第三透镜3和第四透镜4加工时有寻找光学中心的定位位置，从而方便第三透镜3和第四透镜4的加工，同时也能进一步方便透镜组件中各透镜的安装。
[0051]
具体地，第三透镜3的透镜出光面32为二次曲面或者能够与偶次非球面贴合。
[0052]
为了能够进一步方便在第三透镜3和第四透镜4加工时有寻找光学中心的定位位置，方便第三透镜3和第四透镜4的加工。在本发明的一个具体实施方式中，如图3和图4所示，第三透镜3的透镜出光面32与偶次非球面匹配；第四透镜4的透镜出光面42为偶次非球面；
[0053]
第三透镜3的透镜出光面32和第四透镜4的透镜出光面42的面型方程为：
[0054][0055]
其中，z为面型矢高，c为表面的曲率，k为二次曲面系数，r为径向半径，α1、α2、α3、α4、α5、α6、α7、α8分别为面型的高次项系数。
[0056]
为了能够进一步方便在第三透镜3和第四透镜4加工时有寻找光学中心的定位位置，方便第三透镜3和第四透镜4的加工。在本发明的一个具体实施方式中，如图3和图4所示，第三透镜3的透镜入光面31和第四透镜4的透镜入光面41均为自由曲面；
[0057]
第三透镜3的透镜入光面31和第四透镜4的透镜入光面41的面型方程为：
[0058][0059]
其中，z为面型的矢高，x和y分别为x方向和y方向的坐标，c
x
和cy分别为x方向和y方向的曲率，k
x
和ky分别为x方向和y方向的二次曲面系数，ar、br、cr、dr、ap、bp、cp和dp分别为非球面的高次项系数。能够方便对透镜组件在子午面(y，z)和弧矢面(x，z)内放大倍率的控制。
[0060]
在本发明的一个具体实施方式中，第一透镜1和第二透镜2均为玻璃成型件；第三透镜3和第四透镜4均为透光塑料成型件。第一透镜1和第二透镜2靠近光源，采用玻璃成型件，能够降低光源处的高温对第一透镜1和第二透镜2的影响。第三透镜3和第四透镜4采用透光塑料成型件，能够在保证面型自由度的同时，降低加工难度和加工成本，同时也能够降低透镜组件的整体重量和体积。透光塑料可以为常规的光学塑料，如聚丙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、丙乙烯丙烯腈共聚物或者其它光学塑料。
[0061]
在本发明的一个相对优选地具体实施方式中，如图1-图4所示，提供一种透镜组件，包括依次设置的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4；第一透镜1和第二透镜2均为玻璃成型件，第三透镜3和第四透镜4均为透光塑料成型件；第一透镜1为凹透镜，第二透镜2为凸透镜，第一透镜1的透镜入光面11和透镜出光面12均能够与球面匹配，第二透镜2的透镜入光面21和透镜出光面22均为球面，且第一透镜1的透镜出光面12和第二透镜2的透镜入光面21贴合；第三透镜3和第四透镜4均为变形透镜，第三透镜3的透镜入光面31为向第三透镜3的透镜出光面32凹陷的曲面，第四透镜4的透镜入光面41为向第三透镜3的透镜出光面32凸出的曲面，以能够使得第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4的组合在子午面(y，z)内的放大倍率小于在弧矢面(x，z)内的放大倍率，第三透镜3的透镜入光面31和第四透镜4的透镜入光面41的面型方程为：
[0062][0063]
其中，z为面型的矢高，x和y分别为x方向和y方向的坐标，c
x
和cy分别为x方向和y方向的曲率，k
x
和ky分别为x方向和y方向的二次曲面系数，ar、br、cr、dr、ap、bp、cp和dp分别为非球面的高次项系数；
[0064]
第三透镜3的透镜出光面32为向第三透镜3的透镜入光面31凹陷的旋转对称曲面，第四透镜4的透镜出光面42为向第四透镜4外凸出的旋转对称曲面，第三透镜3的透镜出光面32和第四透镜4的透镜出光面42的面型方程为：
[0065][0066]
式中，z为面型矢高，c为表面的曲率，k为二次曲面系数，r为径向半径，α1、α2、α3、α4、α5、α6、α7、α8分别为面型的高次项系数。
[0067]
上述相对优选地具体实施方式提供的透镜组件，通过特定形状的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4的组合使用，能够对车身垂直方向的视角进行一定程度的压缩，对于固定数量的阵列led或micro-led光源来说，可以将其压缩在一定视场角内，这样可以保证道路照明显示时分辨率提高，且不会有过多的能量浪费，提高路面照度。且体积较小，设计合理，使用方便，实用性强。
[0068]
此外，本发明的基本实施方式还提供一种车灯模组，如图1-图4所示，所述车灯模组包括光源5和上述各实施例提供的透镜组件，透镜组件设置在光源5的出光方向上。光源5可以采用阵列led、micro-led或者其它能够出射规则图案的光源。
[0069]
上述基本实施方式提供的车灯模组形成的像面6在上下方向上的长度和在左右方向上的长度的比值小于光源5在上下方向上的长度和在左右方向上的长度的比值，如图1和图5所示，在图5中，a为光源5不经过透镜组件形成的像面6，b为光源5经过透镜组件形成的像面6。
[0070]
作为本发明的一个具体实施方式，如图2-图4所示，车灯模组中各元件的参数如表1所示：
[0071]
表1
[0072][0073]
其中，曲率对应的是各个面的曲率，是曲率半径的倒数。间距表示沿光轴方向当前表面到下一表面的中心距离。半口径为光学面的有效半口径。第一透镜1和第二透镜2采用双胶合玻璃透镜，第一透镜1的透镜出光面12和第二透镜2的透镜入光面21重合，面型相同。第四透镜4的透镜出光面中42中的间距是透镜出光面42与像面6之间的距离。
[0074]
第一透镜1的透镜入光面11和透镜出光面12均能够与球面匹配；第二透镜2为凸透镜，第二透镜2的透镜入光面21和透镜出光面22均为球面，第一透镜1的透镜出光面12和第二透镜2的透镜入光面21贴合；
[0075]
第三透镜3的透镜入光面31和第四透镜4的透镜入光面41的面型方程为：
[0076][0077]
其中，z为面型的矢高，x和y分别为x方向和y方向的坐标，c
x
和cy分别为x方向和y方向的曲率，k
x
和ky分别为x方向和y方向的二次曲面系数，ar、br、cr、dr、ap、bp、cp和dp分别为非球面的高次项系数；
[0078]
上述各参数如表2所示：
[0079]
表2
[0080] 第三透镜的透镜入光面31第四透镜的透镜入光面41x方向上的曲率c
x
(mm-1
)0.021860.01579y方向上的曲率cy(mm-1
)0.0205010.03782x方向上的二次曲面系数k
x-30.13066-5.40398y方向上的二次曲面系数k
y-58.17834-5.12610高次项系数ar-1.56921e-054.13771e-06高次项系数br-1.28141e-07-1.51474e-08高次项系数cr4.90549e-101.83520e-11高次项系数dr-7.17566e-13-9.04839e-15高次项系数ap-0.206350.219275高次项系数bp-0.113350.24234
高次项系数cp-0.101050.20592高次项系数dp-0.10967-0.17859
[0081]
第三透镜3的透镜出光面32和第四透镜4的透镜出光面42的面型方程为：
[0082][0083]
式中，z为面型矢高，c为表面的曲率，k为二次曲面系数，r为径向半径，α1、α2、α3、α4、α5、α6、α7、α8分别为面型的高次项系数；
[0084]
上述各参数如表3所示：
[0085]
表3
[0086] 第三透镜的透镜出光面32第四透镜的透镜出光面42表面曲率c(mm-1
)0.046520.02717二次曲面系数k-3.190930.05713高次项系数α10.00000e 000.00000e 00高次项系数α
2-1.76031e-052.92887e-06高次项系数α
3-2.66865e-089.77352e-09高次项系数α41.33682e-10-4.76685e-12高次项系数α
5-2.37578e-137.75394e-16高次项系数α61.71847e-163.41992e-18高次项系数α71.19737e-207.41520e-21高次项系数α
8-3.53637e-235.31334e-24
[0087]
在本具体实施方式中，如图3所示，阵列led的顶点51发出光线a经过第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4的各个表面折射后为出射光线a。阵列led的顶点52发出光线b经过第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4的各个表面折射后为出射光线b。出射光线a和出射光线b在弧矢面的夹角为7
°
。
[0088]
在本具体实施方式中，如图4所示，阵列led的顶点51发出光线a经过第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4的各个表面折射后为出射光线a。阵列led的顶点52发出光线b经过第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4的各个表面折射后为出射光线b。出射光线a和出射光线b在子午面的夹角为5
°
。
[0089]
本具体实施方式中，车灯弧矢面内的焦距为33.37mm，子午面内焦距为45.65mm。在弧矢面内的放大倍率为767.4，在子午面内的放大倍率为546.8。经过系统后出射角度为7
°×5°
，系统的压缩比为1.4。阵列led采用的是32
×
32像素的micro-led，则在两个方向上的像素分辨率分别为0.21875
°
和0.15625
°
。
[0090]
如附图5所示，当方形阵列led弧矢面内和子午面内比例为1:1，经过透镜组件投射后，其压缩比例为1:1.4，本发明提供的透镜组件将物像关系压缩后也是能清晰成像的，在子午方向的像素分辨角明显提高，压缩比为1.4，像面6照度相对提高了1.4倍。
[0091]
本发明的实施例还提供一种车灯，所述车灯包括上述实施例的车灯模组。该车辆
至少具有上述车灯模组的优点，在此不再一一赘述。
[0092]
本发明的实施例还提供一种车辆，所述车辆包括上述实施例的车灯。该车辆至少具有上述车灯的优点，在此不再一一赘述。
[0093]
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。