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CN115095836A - 透镜组件及使用该透镜组件的汽车灯 - Google Patents

透镜组件及使用该透镜组件的汽车灯 Download PDF

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CN115095836A
CN115095836A CN202210807562.1A CN202210807562A CN115095836A CN 115095836 A CN115095836 A CN 115095836A CN 202210807562 A CN202210807562 A CN 202210807562A CN 115095836 A CN115095836 A CN 115095836A
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symmetric optical
lens assembly
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祁高进
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Changzhou Xingyu Automotive Lighting Systems Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种透镜组件及使用该透镜组件的汽车灯，包括：自入光侧向出光侧依次设有的第一透镜、第二透镜和第三透镜；其中在第一透镜的出光侧或者第一透镜与第二透镜之间还设有可变光阑；第二透镜具有负光焦度；第一透镜和第三透镜均具有正光焦度；以及第一透镜为双凸结构；第二透镜朝向第一透镜的侧端为凹面，且该第二透镜朝向第三透镜的侧端为凸面；第三透镜朝向的第二透镜的侧端为凸面。本发明可以提升投射光型的质量。

Description

透镜组件及使用该透镜组件的汽车灯
技术领域
本发明涉及汽车配件技术领域，尤其涉及一种透镜组件及使用该透镜组件的汽车灯。
背景技术
汽车照明领域的飞速发展，Micro LED在车灯上的应用越来越普遍。其中以DMD(digital micro mirror)为载体的DLP像素大灯，具有高像素和技术成熟度高的优势，成为了极具量产性的优选方案。DLP包含照明端和投影端，投影端的镜头决定了投射光型的品质，尤其是其清晰度、畸变、色散的关键指标，如何设计好投影镜头决定了一款投影大灯的投影品质。
此外，如今的Micro LED技术方案普遍采用全玻璃结构，为了很好的矫正各种相差，传统镜头内往往需要采用数量较多的玻璃镜头，这就导致镜头整体尺寸大、重量重。而实际上玻璃的重量大使得整个系统的重量与现在车灯减重的趋势背道而驰。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种透镜组件，以解决提升投射光型的质量的技术问题。
本发明的第二目的是提供一种汽车灯，以解决提升投射光型的质量的技术问题。
本发明的透镜组件是这样实现的：
一种透镜组件，适于汽车灯，包括：自入光侧向出光侧依次设有的第一透镜、第二透镜和第三透镜；其中
在所述第一透镜的出光侧或者第一透镜与第二透镜之间还设有可变光阑；
所述第二透镜具有负光焦度；所述第一透镜和第三透镜均具有正光焦度；以及
所述第一透镜为双凸结构；所述第二透镜朝向第一透镜的侧端为凹面，且该第二透镜朝向第三透镜的侧端为凸面；所述第三透镜朝向的第二透镜的侧端为凸面。
在本发明可选的实施例中，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜分别为单透镜或胶合透镜。
在本发明可选的实施例中，所述第一透镜的两个光学面分别为旋转对称光学面S1和旋转对称光学面S2；
所述第二透镜的两个光学面分别为旋转对称光学面S3和旋转对称光学面S4；以及
所述第三透镜的两个光学面分别为旋转对称光学面S5和旋转对称光学面S6；其中
所述旋转对称光学面S1、旋转对称光学面S2、旋转对称光学面S3、旋转对称光学面S4、旋转对称光学面S5和旋转对称光学面S6分别为球面或非球面。
在本发明可选的实施例中，所述旋转对称光学面S1的光学开口直径小于40mm；以及
所述透镜组件的光学总长L<90mm。
在本发明可选的实施例中，在所述第一透镜的出光侧设有所述可变光阑；
所述可变光阑到旋转对称光学面S1的边缘距离Estp与该旋转对称光学面S1的有效通光直径D1满足如下约束关系：Estp<0.3D1；以及
所述旋转对称光学面S1的有效通光直径D1与旋转对称光学面S3的有效通光直径D3满足如下约束关系：D1>D3。
在本发明可选的实施例中，所述旋转对称光学面S2和旋转对称光学面S3沿光轴边缘间隙E23与旋转对称光学面S4和旋转对称光学面S5沿光轴边缘间隙E45满足如下约束关系：E23<E45。
在本发明可选的实施例中，所述旋转对称光学面S2的曲率半径为R2，旋转对称光学面S3面的曲率半径为R3，旋转对称光学面S4面的曲率半径为R4；以及
|R3|<|R2|；|R3|<|R4|。
在本发明可选的实施例中，所述旋转对称光学面S3的矢高为Sag3；
所述旋转对称光学面S3的有效通光直径为D3；以及
|Sag3|>0.1D3。
在本发明可选的实施例中，所述透镜组件的F/#满足：0.5<F/#<1.8。
本发明的汽车灯是这样实现的：
一种汽车灯，包括：配合使用的支架和镜筒，以及设于支架上的光源和设于镜筒内的所述的透镜组件。
采用了上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：本发明的透镜组件及使用其的汽车灯，合理的光焦度组合和面型设计，极大的提升了设计的自由度，从而实现了模组的小型化。通过合理的可变光阑设计，平衡了中心视场和边缘视场的性能。
此外，可通过合理的材料选择以及光焦度分配实现低色散和低像差，提升投射光型的质量；透镜组件的F/#小，光圈大，大大提升了透镜组件的极光效率；综上，本发明的透镜组件的整体具有结构紧凑、畸变小、色差小、光学效率高、光型品质好的优势。
附图说明
图1示出了本发明的透镜组件的结构示意图；
图2示出了本发明的实施例1的透镜组件在一种具体数值下的点列图；
图3示出了本发明的实施例1的透镜组件在一种具体数值下的MTF曲线；
图4示出了本发明的实施例1的透镜组件在一种具体数值下的色散；
图5示出了本发明的实施例1的透镜组件在一种具体数值下的畸变；
图6示出了本发明的实施例2的透镜组件在一种具体数值下的点列图；
图7示出了本发明的实施例2的透镜组件在一种具体数值下的MTF曲线；
图8示出了本发明的实施例2的透镜组件在一种具体数值下的色散；
图9示出了本发明的实施例2的透镜组件在一种具体数值下的畸变。
图中：第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、光源4、可变光阑5、旋转对称光学面S1、旋转对称光学面S2、旋转对称光学面S3、旋转对称光学面S4、旋转对称光学面S5、旋转对称光学面S6。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
请参阅图1至5所示，本实施例提供一种透镜组件，适于汽车灯，包括：自入光侧向出光侧依次设有的第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3；其中在第一透镜1的出光侧或者第一透镜1与第二透镜2之间还设有可变光阑5。也就是说此处的可变光阑5可以设置在第一透镜1的出光侧，也可以是设置在第一透镜1与第二透镜2之间，这两种情况均满足本实施例的使用需求，而本实施例接下来结合附图仅仅以可变光阑5设置在第一透镜1的出光侧的情况为例。
在上述结构的基础上，具体来说，第二透镜2具有负光焦度；第一透镜1和第三透镜3均具有正光焦度；以及第一透镜1为双凸结构；第二透镜2朝向第一透镜1的侧端为凹面，且该第二透镜2朝向第三透镜3的侧端为凸面；第三透镜3朝向的第二透镜2的侧端为凸面。对于此处的第三透镜3朝向光源4的侧端呈凸面还是凹面，本实施例不做绝对限定。此处为了保证整体的透镜组件具备足够的工作距离，第三透镜3的中心和/或边缘离光源4发光面最小距离大于30mm。
需要加以说明的是，第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3分别为单透镜或胶合透镜。此处也就是说这三个透镜可以都是单透镜，也可以都是胶合透镜，还可以是其中部分为单透镜，部分为胶合透镜，具体是单透镜和胶合透镜不限定是哪一个透镜。上述几种情况都满足本实施例的使用需求。
从材质来说，本实施例中的第一透镜1采用塑胶或玻璃透镜，第二透镜2采用塑胶或玻璃透镜，第三透镜3采用塑胶或玻璃透镜。也就是说此处三种透镜可以形成不同材质的组合，均满足本实施例的使用需求。其中才有纯塑胶透镜的组合，或者是塑胶透镜与玻璃透镜的组合，在有效保证光效的基础上，相比单一玻璃透镜形成的透镜组件来说，具有明显降低整体透镜组件重量的好处。
关于本实施例的第二透镜2，其有效焦距为f2，而整个的透镜组件的有效焦距为f，这两个满足如下关系：|f2|<0.9f。并且第二透镜2的阿贝数为Vd2，Vd2<35。
更为详细地来说，第一透镜1的两个光学面分别为旋转对称光学面S1和旋转对称光学面S2；第二透镜2的两个光学面分别为旋转对称光学面S3和旋转对称光学面S4；以及第三透镜3的两个光学面分别为旋转对称光学面S5和旋转对称光学面S6。
其中，旋转对称光学面S1、旋转对称光学面S2、旋转对称光学面S3、旋转对称光学面S4、旋转对称光学面S5和旋转对称光学面S6分别为球面或非球面。
在上述结构的基础上，还需要说明的是，旋转对称光学面S1的光学开口直径小于40mm；以及透镜组件的光学总长L<90mm，此处的光学总长L指的是从旋转对称光学面S1的顶点到光源4的发光表面的距离。此处L<90mm，可以满足车用灯的开口小型化和结构紧凑化要求，从而提升了整体透镜组件的可集成性。
再者，可变光阑5到旋转对称光学面S1的边缘距离Estp(有效光学边缘沿光轴的距离)与该旋转对称光学面S1的有效通光直径D1满足如下约束关系：Estp<0.3D1；以及旋转对称光学面S1的有效通光直径D1与旋转对称光学面S3的有效通光直径D3满足如下约束关系：D1>D3。
当移动透镜组件以进行聚焦时，可变光阑5与透镜组件的其它透镜一起移动，从而减少周边光量的变化和由这种变化引起的像差。因此，可以保持光学性能。
旋转对称光学面S2和旋转对称光学面S3沿光轴边缘间隙E23与旋转对称光学面S4和旋转对称光学面S5沿光轴边缘间隙E45满足如下约束关系：E23<E45。
旋转对称光学面S2的曲率半径为R2，旋转对称光学面S3面的曲率半径为R3，旋转对称光学面S4面的曲率半径为R4；以及|R3|<|R2|；|R3|<|R4|。并且旋转对称光学面S3的矢高为Sag3；旋转对称光学面S3的有效通光直径为D3；以及|Sag3|>0.1D3。
最后，还需要加以说明的是，本实施例中的透镜组件的F/#(F/#是镜头组件的有效焦距与有效孔径直径之间的比率)满足：0.5<F/#<1.8，光圈大，以确保透镜组件的高收光效率。
接下来举例一种具体数值下的透镜组件的详细参数：
表面 表面分类 半径(mm) 中心厚度 折射率(Nd) 阿贝数(Vd) 口径(mm)
物面 球面 无穷大 10000
系统光阑 球面 无穷大 -3.5
S1 非球面 34.3 10.4 1.54 56 40.3
S2 非球面 -95.4 12.2
S3 非球面 -6.8 3.3 1.58 28 37.8
S4 非球面 -23.4 3.2
S5 非球面 13.0 10.5 1.54 56 37.9
S6 非球面 -70.5 34.0
像面 球面 无穷大 0
约束条件 实例1设计值
Estp<0.3D1 Estp＝3mm,D1＝40mm,满足Estp<0.3D1约束
E23<E45 E23＝4.1mm,E45＝13.3mm,满足E23<E45约束
D1>D3 D1＝40mm,D3＝38mm,满足D1>D3约束
|R3|<|R2| R3＝-6.8mm,R2＝-95.4mm,满足|R3|<|R2|约束
|R3|<|R4| R3＝-6.8mm,R4＝-23.4mm,满足|R3|<|R4|约束
|Sag3|>0.2D3 |Sag3|＝10mm,D3＝37.8mm，满足|Sag4|>0.2D4约束
|f2|<0.9f |f2|＝17.5mm,f＝50mm，满足|f2|<0.9f约束
Vd2<35 Vd2＝28,满足Vd2<35约束
非球面系数如下：
非球面系数 S1 S2 S3 S4 S5 S6
c 0.03 -0.01 -0.15 -0.04 0.08 -0.01
k -2.97 -5.01 -2.76 -20.26 -5.43 -33.99
α1 0 0 0 0 0 0
α2 8.33E-06 4.95E-07 4.94E-06 7.36E-06 7.01E-06 2.89E-06
α3 -1.18E-09 -1.10E-09 -4.21E-09 -8.27E-09 -9.40E-10 7.55E-09
α4 0 0 0 0 0 0
α5 0 0 0 0 0 0
α6 0 0 0 0 0 0
α7 0 0 0 0 0 0
α8 0 0 0 0 0 0
在本实施例的透镜组件的描述中，术语“非球面的”或“非球面”具有以下定义。
当光轴被设置为z轴时，垂直于光轴的方向被设置为y轴，并且光线的传播方向表示为正方向，透镜的非球面可以由下面的条件定义。在该条件中，z表示在透镜的光轴方向上测量的距透镜的顶点的距离，r表示在垂直于光轴的方向上测量的距光轴的距离，K表示二次曲线常数，A、B、C、D、...表示非球面系数，c表示透镜顶点处的曲率半径的倒数(1/R):
Figure BDA0003738385860000081
图2示出了基于上述具体数值下的透镜组件的点列图；图3示出了基于上述具体数值下的透镜组件的MTF曲线；图4示出了基于上述具体数值下的透镜组件的色散；图5示出了基于上述具体数值下的透镜组件的畸变。
综上，本实施例的透镜组件整体具有结构紧凑、畸变小、色差小、光学效率高以及光型品质好的优势。
实施例2：
请参阅图6至9所示，在实施例1的透镜组件的基础上，本实施例提供的透镜组件与实施例1的大致结构相同。
本实施例举例另一种具体数值下的透镜组件的详细参数：
表面 表面分类 半径(mm) 中心厚度 折射率(Nd) 阿贝数(Vd) 口径(mm)
物面 球面 无穷大 10000
系统光阑 球面 无穷大 -2.13E+00
S1 非球面 29.6 8.8 1.49 57 33.2
S2 非球面 -68.1 11.0
S3 非球面 -6.9 3.8 1.59 30 30.9
S4 非球面 -33.4 3.4
S5 非球面 11.3 9.7 1.49 57 32.6
S6 非球面 -75.2 36.0
像面 球面 无穷大 0
约束条件 实例2设计值
Estp<0.3D1 Estp＝3mm,D1＝33.2mm,满足Estp<0.3D1约束
E23<E45 E23＝5.2mm,E45＝12mm,满足E23<E45约束
D1>D3 D1＝33.2mm,D3＝30.9mm,满足D1>D3约束
|R3|<|R2| R3＝-6.9mm,R2＝-68.1mm,满足|R3|<|R2|约束
|R3|<|R4| R3＝-6.9mm,R4＝-33.4mm,满足|R3|<|R4|约束
|Sag3|>0.1D3 |Sag3|＝-7.4mm,D3＝30.9mm，满足|Sag4|>0.1D4约束
|f2|<0.9f |f2|＝15.7mm,f＝50.6mm，满足|f2|<0.9f约束
Vd2<35 Vd2＝30,满足Vd2<35约束
非球面系数如下：
Figure BDA0003738385860000091
Figure BDA0003738385860000101
图6示出了基于上述具体数值下的透镜组件的点列图；图7示出了基于上述具体数值下的透镜组件的MTF曲线；图8示出了基于上述具体数值下的透镜组件的色散；图9示出了基于上述具体数值下的透镜组件的畸变。
综上，本实施例的透镜组件整体具有结构紧凑、畸变小、色差小、光学效率高以及光型品质好的优势。
实施例3：
在实施例1或者实施例2的透镜组件的基础上，本实施例提供了一种汽车灯，包括：配合使用的支架和镜筒，以及设于支架上的光源4和设于镜筒内实施例1或实施例2的透镜组件。
以上的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，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设备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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

Claims (10)

1.一种透镜组件，适于汽车灯，其特征在于，包括：自入光侧向出光侧依次设有的第一透镜、第二透镜和第三透镜；其中
在所述第一透镜的出光侧或者第一透镜与第二透镜之间还设有可变光阑；
所述第二透镜具有负光焦度；所述第一透镜和第三透镜均具有正光焦度；以及
所述第一透镜为双凸结构；所述第二透镜朝向第一透镜的侧端为凹面，且该第二透镜朝向第三透镜的侧端为凸面；所述第三透镜朝向的第二透镜的侧端为凸面。
2.根据权利要求1所述的透镜组件，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜分别为单透镜或胶合透镜。
3.根据权利要求1所述的透镜组件，其特征在于，所述第一透镜的两个光学面分别为旋转对称光学面S1和旋转对称光学面S2；
所述第二透镜的两个光学面分别为旋转对称光学面S3和旋转对称光学面S4；以及
所述第三透镜的两个光学面分别为旋转对称光学面S5和旋转对称光学面S6；其中
所述旋转对称光学面S1、旋转对称光学面S2、旋转对称光学面S3、旋转对称光学面S4、旋转对称光学面S5和旋转对称光学面S6分别为球面或非球面。
4.根据权利要求3所述的透镜组件，其特征在于，所述旋转对称光学面S1的光学开口直径小于40mm；以及
所述透镜组件的光学总长L<90mm。
5.根据权利要求3或4所述的透镜组件，其特征在于，在所述第一透镜的出光侧设有所述可变光阑；
所述可变光阑到旋转对称光学面S1的边缘距离Estp与该旋转对称光学面S1的有效通光直径D1满足如下约束关系：Estp<0.3D1；以及
所述旋转对称光学面S1的有效通光直径D1与旋转对称光学面S3的有效通光直径D3满足如下约束关系：D1>D3。
6.根据权利要求3或4所述的透镜组件，其特征在于，所述旋转对称光学面S2和旋转对称光学面S3沿光轴边缘间隙E23与旋转对称光学面S4和旋转对称光学面S5沿光轴边缘间隙E45满足如下约束关系：E23<E45。
7.根据权利要求3或4所述的透镜组件，其特征在于，所述旋转对称光学面S2的曲率半径为R2，旋转对称光学面S3面的曲率半径为R3，旋转对称光学面S4面的曲率半径为R4；以及
|R3|<|R2|；|R3|<|R4|。
8.根据权利要求3或4所述的透镜组件，其特征在于，所述旋转对称光学面S3的矢高为Sag3；
所述旋转对称光学面S3的有效通光直径为D3；以及
|Sag3|>0.1D3。
9.根据权利要求1所述的透镜组件，其特征在于，所述透镜组件的F/#满足：0.5<F/#<1.8。
10.一种汽车灯，其特征在于，包括：配合使用的支架和镜筒，以及设于支架上的光源和设于镜筒内的如权利要求1～9任一项所述的透镜组件。
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