一种提高氛围灯光能利用率的光学系统

技术领域

本发明涉及汽车技术领域，具体涉及一种提高氛围灯光能利用 率的光学系统。

背景技术

随着时代的进步和审美的追求，汽车内饰氛围灯的数量和种 类都大大增加。氛围灯通常使用LED作为光源，通过光导侧面发光 实现导光。但是光导的侧面发光效率有限，很大一部分光线通过光 导末端逸出。且随着光导的长度不断增加，光功率不断损耗，远、 近光端的光导发光亮度容易出现不均匀的现象。

目前主流的解决方案有两种。

第一种如图1所示，除光导10的一端设置有光源模块11以 外，在其远光端增加一颗LED的光源模块12作为补偿光源，由此 形成双端光源的方案。

第二种方案如图2所示，将长光导拆分为独立LED光源点亮 (图示中光源模块23和24)的两段短光导21和22，也可以此思 路拓展为多段独立光源和短光导的拆分光导方案。

在上述基础上还会优化光导表面光洁度减少光损耗。

但是，上面两种现有技术存在如下不足：

第一，增加光源模块和光导的数量会导致成本的大幅上升；

第二，两个光导搭接的部分会出现无法消除的亮斑，均匀性 不好，间接式氛围灯必须增加散射灯罩才能优化视觉效果，对于直 接式氛围灯，即使增加散射灯罩，亮斑也会比较明显；

第三，不同的光源存在一定的色差，导致氛围灯颜色一致性 不佳；

第四，增加光导的光洁度只能利用到从光导侧壁逃逸的光， 这只占逃逸光的极小部分，本质上绝大部分的光依然会从远光端出 光面逃逸。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种提高光能利用率的氛围灯光 学系统，可实现光导末端出射光的回收利用，提升光能利用效率。

应当理解，本公开以上的一般性描述和以下的详细描述都是 示例性和说明性的，并且旨在为本公开提供进一步的解释。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种提高氛围灯光能利 用率的光学系统，其特征在于，所述光学系统包括：

光导和光源模块，所述光源模块设置在所述光导第一端；

反射系统，所述反射系统设置在所述光导第二端，所述反射系 统包括设置由密封套筒固设的凸透镜模块和聚光模块；

其中，所述凸透镜模块与所述聚光模块共焦点，所述聚光模块 收集反射光汇聚于所述凸透镜模块的焦点后，再次入射所述凸透镜 模块形成平行光注入所述光导。

比较好的是，本发明进一步提供了一种提高氛围灯光能利用率 的光学系统，其特征在于，

所述聚光模块包括凹面镜。

比较好的是，本发明进一步提供了一种提高氛围灯光能利用率 的光学系统，其特征在于，

所述凸透镜模块包括第一凸透镜。

比较好的是，本发明进一步提供了一种提高氛围灯光能利用率 的光学系统，其特征在于，

所述光导的最大发光角的顶点与所述第一凸透镜的焦点重合。

比较好的是，本发明进一步提供了一种提高氛围灯光能利用率 的光学系统，其特征在于，

所述第一凸透镜的焦距f为：

其中，r是所述凸透镜的曲率半径，d是凸透镜厚度，f

比较好的是，本发明进一步提供了一种提高氛围灯光能利用率 的光学系统，其特征在于，

所述凹面镜的焦距f

其中，a为最大发光角，L是光导垂直方向的最大宽度。

比较好的是，本发明进一步提供了一种提高氛围灯光能利用率 的光学系统，其特征在于，

所述凹面镜为球型凹面镜，其焦距和曲率半径R的关系满足：

f

比较好的是，本发明进一步提供了一种提高氛围灯光能利用率 的光学系统，其特征在于，

所述凸透镜模块进一步包括第二凸透镜，设置在所述第一凸透 镜和所述凹面镜之间，所述第二凸透镜与所述凹面镜共焦点，所述 第一凸透镜和所述第二凸透镜也共焦点。

比较好的是，本发明进一步提供了一种提高氛围灯光能利用率 的光学系统，其特征在于，

所述密封套筒内所述凸透镜模块和所述聚光模块之间的介质 包括空气。

比较好的是，本发明进一步提供了一种提高氛围灯光能利用率 的光学系统，其特征在于，

所述凸透镜的材料包括PMMA。

本发明的光学系统可以在不增加光源模块或光导的情况下满 足长光导氛围灯发光均匀性，成本更低，保证了颜色的一致性，提 升氛围灯的光利用率，具有一定的灵活性。

附图说明

现在将详细参考附图描述本公开的实施例。现在将详细参考 本公开的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下， 在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。此外， 尽管本公开中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本 公开说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来 选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求 不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意 义来理解本公开。

下面，参照附图，对于熟悉本技术领域的人员而言，从对 本发明的详细描述中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将显 而易见。

图1是现有技术中双端光源构成光学系统的示意图；

图2是现有技术中拆分光导构成光学系统的示意图；

图3是本发明一较佳实施例中的光学系统组成示意图；

图4是图3中反射系统的局部爆炸示意图；

图5是图3的较佳实施例中反射系统的布置示意图；

图6是图3的较佳实施例中入射光路示意图；

图7是图3的较佳实施例中经凹面镜反射后的光路示意图；

图8是图3的实施例中凸透镜成像光路关系图；

图9是图3的实施例中光导凸透镜和凹面镜的约束关系示意 图；

图10是本发明另一较佳实施例中共焦透镜组的入射光路示 意图；

图11是图10的较佳实施例中共焦透镜组的反射光路示意 图。

附图标记

10，21，22，30――光导

11，12，23，24，31――光源模块

32――反射系统

321――凹面镜

322――密封套筒

323――凸透镜

324――第二凸透镜

具体实施方式

为了更清楚地说明本申请的实施例的技术方案，下面将对实 施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描 述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通 技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附 图将本申请应用于其他类似情景。除非从语言环境中显而易见或另 做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情 形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数， 也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已 明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗 列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤 的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当 明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照 实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法 和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有 示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。 因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相 似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在 一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨 论。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、 下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指 示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是 为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些 方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或 者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的 限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在…… 之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用 来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间 位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中 所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图 中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他 器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方” 或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方” 可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可 以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所 使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限 定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声 明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围 的限制。此外，尽管本申请中所使用的术语是从公知公用的术语中 选择的，但是本申请说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他 或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说 明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个 术语所蕴含的意义来理解本申请。

图3示意了本发明的提高氛围灯光能利用率的光学系统的组 成示意图。

该系统包括光导30、光源模块31和反射系统32。其中，光导 30为透明材料。

图4进一步分解示意了反射系统32的分解示意图。

该反射系统32包括一组共焦的凸透镜323和凹面镜321的 组合光学系统以及密封套筒322构成。

其中，凹面镜321的曲率小于凸透镜323的表面曲率，光导 30的最大发光角a的顶点与凸透镜323的另一侧焦点重合。如图5 所示。

图6和7分别示意了入射光路和经凹面镜反射光路的示意 图，结合该光路，具体说明如下：

由于光导30的最大发光角a的顶点与凸透镜323的焦点重 合，因此光导30的出射光首先通过凸透镜323形成一束平行光， 对应图6所示，平行入射凹面镜321，随后，凹面镜321收集反射 光汇聚于公共焦点F处，并再次入射凸透镜323，经过凸透镜323 的折射形成平行光再次注入光导，从而减小系统逸出光，提升系统 的光能利用率。

同时，因为凹面镜321的曲率小于凸透镜323表面曲率，即 凹面镜321的表面曲率半径较凸透镜323的表面曲率半径大，凸透 镜323相较于凹面镜321距公共焦点F的距离更近，故凸透镜323 的光线入射面积相对较小，可以形成更为集中的平行光，进一步提 升光能利用率。

密封套筒322中，由凹面镜321与凸透镜323组成的共焦透 镜围设的空腔部分，默认工作介质为空气，但是可以依据实际工作 需求注入不同的光学介质，调节系统反射效率，实现不同的工作效 果。

对该反射系统32中的共焦透镜系统各焦距约束关系进行理 论分析如下：

请参见图9所示的凸透镜成像光路关系图，其中，P为轴线 上任意位置的发光点，P’为最后成像位置，P′

以O

类似的，以O

考虑到该技术方案中使用的是凸透镜323的两面曲率半径 相等，即(r1＝r2＝r)，发光点P在焦点上，出射光为平行光，凸透 镜323的厚度d不可忽略，因此，令S

化简可以得到：

类似的，当从P点发出光线时，有S′

可以根据所设定的折射率进行进一步化简。

由于默认透镜两端介质均为空气，其折射率n约为1，透镜 材料PMMA(全称是聚甲基丙烯酸甲酯)的折射率nL约为1.5，带 入公式可以得到透镜的焦距f为：

接下来，本光学系统中的球型凹面镜321的焦距f

f＝R/2 (7)

请参见图10，给出了光导30的最大发光角a与凸透镜323 的焦距f

由光的反射定律和圆的性质可知，

在等腰三角形BO′Q中，由余弦定理有：

在直角三角形BPQ中有：

则有：

由于直角三角形COF

由于OF

在直角三角形AOF

在直角三角形BO′P中有：

默认凸透镜两端介质均为空气，f

凸透镜最小半径h为：

设置凹面镜的焦距f

由此可得到光导最大发光角a，凸透镜焦距f和凹面镜焦距 f

图10和11给出了本发明的另一个较佳实施例，其中的反射 系统中在一个凸透镜323的基础上还加入了第二凸透镜324，设置 在凸透镜323和凹面镜321之间，该第二凸透镜324既与凸透镜 232共焦点，如图11中焦点F1，同时还与凹面镜321共焦点，如 图10中焦点F2。如此设计的目的，旨在通过这样的组合设计，有 效收集光导的出射光，并返回光导，从而提升氛围灯的光利用率。

需要说明的是，共焦透镜组还可以增加凸透镜数目，以实现 更好的光线收集效果。凹面镜321也可使用其他聚光结构代替。

综上所述，应用本发明的提高氛围灯光能利用率的光学系 统，具有如下技术效果：

第一，可以在不增加光源模块或光导的情况下满足长光导氛 围灯发光均匀性，成本更低；

第二，避免了不同光源和光导造成的色差问题，颜色一致性 更佳；

第三，通过共焦凸透镜和凹面镜的组合设计，有效收集光导 末端出射光，并返回光导，提升氛围灯的光利用率；

第四，通过透镜系统空腔的工作介质的更换，调节系统反射 效率，实现不同的工作效果，具有一定的灵活性，具体可通过目标 效果和实际的空间，结合前述公式计算透镜组的参数，透镜的数量 及其布置位置。

上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来 说，上述发明披露仅仅作为示例，而并不构成对本申请的限定。虽 然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本申请进行各种 修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请示范实施例的精神和范围。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一 个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请 至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注 意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或 “一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。 此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以 进行适当的组合。

同理，应当注意的是，为了简化本申请披露的表述，从而帮 助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本申请实施例的描述 中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。 但是，这种披露方法并不意味着本申请对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个 实施例的全部特征。

一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解 的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大 约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、 “近似”或“大体上”表明所述数字允许有±20％的变化。相应地， 在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似 值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施 例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方 法。尽管本申请一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数 为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能 精确。

虽然本申请已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领 域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本申 请，在没有脱离本申请精神的情况下还可作出各种等效的变化或替 换，因此，只要在本申请的实质精神范围内对上述实施例的变化、 变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。