CN1037573A - 整体压制的光准直器 - Google Patents

Abstract

一种整体压制的光准直器，具有高的效率和不大 的轴向尺寸，不需要涂覆镜面。它包含有光学关系的 凸面折射器(1)和凹面的有折边的折射器(1)以及反 射折射的反射器(2)，它们都制作在共同的承载层 上。折射器(1)的侧面部分包含一个环状聚光透镜 (4)，它安置在光线(13)由焦点(F)到反射器(2)的路 径上，它包括有菲涅耳折射圈(5、6)，圈(5、6)的安置 要便于准直器制备时可用一道工序直接压制。

Description

本发明涉及的是关于照明技术，更具体地讲，是关于一种整体压制的光准直器（灯碗）。

本发明可以最有效地应用在供大量生产的定向照明器件中，例如，汽车的信号灯和前灯、交通信号灯、小功率探照灯、各种用途的携带式信号灯，其中包括可随身带的袖珍信号灯。

光准直器（灯碗）是各种定向照明器件的最重要的部件，一般采用凹面反射器或聚光透镜作为光准直器。此外，还采用包括有反射和折射元件的光准直器之混合光学系统。在供大量生产的照明器件中，例如在信号灯中，如果混合光学系统可能制成一种整体压制零件，那么，混合光学系统的工艺性是最良好的。

光准直器的优点是：高的有效作用系数，相对小的（与光输出孔的直径相比较）轴向尺寸，材料用量不多，免除了镜面涂复工艺处理，在整体压制的光准直器情况下压制工艺简单（用一道工序直接压制而成）。把这些优点综合在一个照明器件上是与器件的（如汽车灯的）扩大生产相关的技术问题。

美国专利（US-A-2，254，962）公开了一种光准直器，它具有整体的（整体压制的）由透光材料制成的光学部件，该部件由聚光透镜（折射器）和与透镜同轴的反射折射圈（反射器）组成，该圈的内边和透镜的外边沿紧配合，并包住它。为了保证高的有效作用系数（大的光源聚集角），在适度的材料用量的情况下，这样的光准直器必须要有小的照明孔直径（或者为达到满意的横截尺寸时消耗过于大量的材料用量），它只能适合袖珍（小功率）光源，而不可能保证有大的定向辐射光通量。

美国专利US-A-3，883，733和法国专利FR-A-2，507，741公开了几种汽车信号灯的整体压制光准直器，包括了由透光材料制成的共同承载层，其上有轴对称的折射的和反射折射的元件（菲涅耳cppeHeлb圈），相应地作为折射器和反射器。在适中的材料用量情况下此种光准直器有足够大的照明孔，但是，在光学关系方面，折射元件和反射元件独立起作用，因而US-A-3，883，733公开的简单压制的光准直器不能保证有高的有效作用系数（聚集光的立体角小），而FR-A-2507741公开的光准直器有高的有效作用系数，压制也简单。

在US-A-4，292，664中描述的用于仪器的整体压制光准直器是最接近本申请技术方案的。该光准直器包括一个带圆形轴向孔的凹面反射器，在孔前安置有凸面折射器。该折射器的前部分做成片状聚光透镜并安置在反射器轴向孔的前面，折射器的边缘部分和透镜与反射器连接从而成为一个整体的部件，并在光学上与反射器相关（光源的光线在射到反射器之前先穿过折射器的边缘）。用一道工序直接压制（沿反射器的轴）光准直器是可能的，即，使光准直器前表面上每一点的垂直线在它的轴上有正的投影，而使后表面上每一点的垂直线在它的轴上有负的投影，则可保证消除负的铸型角。在适中的反射器轴向尺寸下，所述光准直器的光源光通量之利用系数不大（在那些可以使用它的照明器件中，它将降低该器件的有效作用系数。因为光源的光通量绝大部分射到折射器的边缘部而不射到反射器上，并与光准直器轴呈大角度状态射出。

本发明的基本任务是提供一种整体压制的光准直器，其中折射部分和反射部分之间应具有这样的光学关系，即能在保持一道工序直接压制的可能性情况下，为了达到增大光源光通量的利用系数，而不增加光准直器的轴向尺寸。

提出的任务是这样解决的，整体压制的光准直器包含有一个带轴向孔的凹面反射器，在轴向孔前安置一个折射器，被反射器包围的折射器与反射器构成一个光学系统，同时，在反射器前表面的每一点上的垂直线在光准直器轴上有正的投影，而在后表面有负的投影。按照本发明，至少折射器的一部分制成环状聚光透镜，它的圆对称轴与光准直器的轴重合，而它的纵剖面光学轴经过光准直器的焦点与反射器相交，在这种情况下，在环状透镜外表面的任一点上垂直线在光准直器轴上有正的投影，而垂直线在内表面有负的投影。

整体压制光准直器的所述结构由于环状透镜的聚光作用，在不增大轴向尺寸的情况下可以增加它的有效作用系数，这是因为反射器增大了聚集光源的等效立体角，並且这种结构有用一道工序直接压制的可能性。

在准直器结构的最佳实施方案中，环状透镜的一部分制成菲涅耳折射圈的形状，它们从反射器本身方向看位于透镜承载层的外表面上，而从光准直器的光出射孔方向看在内表面上。在不破坏压制的简单性和不增大光准直器材料用量的情况下，这种结构可以增加有效作用系数。

在另一个实施方案中光准直器的折射器包括一个安置在环状透镜前面的，並与光准直器同焦点的片状聚光透镜，其直径等于环状透镜前沿的直径，在这种情况下，环状透镜纵剖面的后部（靠近反射器的部分）制成凸状-平面形（向光准直器的焦点凸出），而其前部制成平面-凸状形，同时纵剖面的平面部分与光准直器轴的夹角不大于1°。这样制成的环状透镜允许不破坏直接压制的可能性，并借助片状透镜几乎完全覆盖住反射器空的光孔，因此，可以得到按光准直器的光出射孔面积而言较为均匀的光分布。

整体压制光准直器的另一可能实施方案是，环状透镜的前部和后部具有不同的屈光力。前部的屈光力大于后部的，在这种情况下环状透镜纵剖面的前部长度（沿光准直器轴）比后部的短。在给定的聚焦角和环状透镜的极限厚度下，这样的实施方案允许在整体上优选反射器和折射器的尺寸参量。

从下面对实施例和附图的详细说明可以了解本发明的其他发明目的和优点。

图1示出根据本发明的整体压制的光准直器;

图2是同样光准直器的另一实施方案;

图3是图2沿Ⅲ-Ⅲ的剖面图;

图4是图2沿Ⅳ-Ⅳ的剖面图。

图1所示光准直器是由透光塑料或任选颜色的玻璃制成的一个整体压制的零件，在它的共同承载层上做成同轴的（OO′轴）凸面（在光辐射方向上）折射器1和与该折射器折边的凹面反射器2，在OO′轴上它们有一个共同的焦点F-放置光源的点。折射器1有一个达到260°的线性聚集角φ，并由片状透镜3和环状透镜4组成，透镜4的前边沿与透镜3的外直径相吻合，而后边沿与反射器2的内直径相吻合。透镜3的光学轴和透镜4的圆对称轴都与OO′轴相重合。透镜4剖面的光学轴FQ通过光准直器的焦点F，其与OO′轴间的夹角φ约为60°-100°，并与反射器2相交。在大的聚焦角的情况下，利用菲涅耳折射圈5、6可达到减少透镜4的材料用量，圈5、6相应地分别在承载层内表面的前部和在外表面的后部。反射器2由全内反射的棱镜7（菲涅耳折射圈）组成。

透镜3用作减少从F点发射的光线相对于轴的发散的。透镜4用作把由F点发射到透镜4上的光线聚焦到反射器2上。假如距离FQ（即由F点发射的光线在通过折射透镜4之后平行于由环绕OO′轴旋转FQ轴所形成的零偏差圆锥形表面），那么，反射器2的承载层应有一个含圆锥角为 (φ)/2 的截头圆锥体之侧表面的形式。反射折射圈7在横截面上是等腰三角形的形状，它们的底边与承载层相连接，承载层的后表面为圈7的全内反射表面。三角形的侧边构成圈7的入射和出射的折射边界，并由基本角 (φ)/2 -δ组成，其中δ由下式确定其值的范围：

式中n-折射率

不等式（1）左边部分指出要工艺上考虑：压模的成型部分不应该有倾角，即在反射器2前表面上任一点上的垂直线N应该有相同的符号-在OO′轴上都是正投影（在后表面上-都是负投影）。不等式的右边部分是下述要求的结果，要使入射到圈7的反射边界之光线的入射角大于全内反射的角。在φ＜90°时为了减少在圈7的接合处的光线辐射损失，建议承载层的厚度h为下列值：

h＝ (S)/(4tgγ) 〔1-tgγtg（φ/2-δ）〕 （2）

式中：γ＝φ/2-δ+arc Sin (Cos（φ-δ）)/(n) 为光线射向圈7的反射边界的入射角;

S为圈7的宽度。

当δ→O和满足关系式（2）时，相邻圈7之间的光损失全部消除。当φ→90°（和δ→O）时在承载层的任何厚度h情况下都没有光损失。而当φ＞90°时就不可能完全消除光损失，光损失随φ角的增大而增大，並与厚度h无关。

折射器1的承载层厚度在光学性质上也与菲涅耳折射圈5、6无关，厚度的选取仅考虑光准直器的机械强度和有色材料的滤光性质。

为了消除因折射圈5、6的连接边界9的方面直接压制的困难，环状透镜4前部（相对FQ轴之前）的圈5设计在透镜4承载层的内表面上，而透镜4后部的圈6则设计在外面上。在这种情况下承载层的反射折射曲率在透镜4的中点Q应如此改变符号，即透镜4前部的纵剖面向焦点F凹曲，而后部凸曲。圈5和6折射表面的垂直线N′和N″与轴构完一个小于（90°-φ）的角。这些是必须保证的条件，从沿OO′轴方向压制的观点看，这些垂直线在OO′轴上的投影一对于透镜4外表面的垂直线是正的，而对于内表面的则是负的。同样，对于透镜4的中部也是正确的。这就是说，当最低限度，φ≥90°时，FQ轴与透镜4的表面不是垂直相交（正如一般实际应用的那样），而与垂直线的夹角变为大于（φ-90°）。

在反射器2与折射器1相连接的部分可做成反射折射圈8，它的纵剖面与圈7的纵剖面不同，因为它是为了改变光线方向不再与折射器1相遇的。

如常规一样，所述光准直器安置在信号灯里的保护玻璃或折光玻璃10的后面，玻璃10的中心部分可做成聚光透镜11的形式，它在带有光出射孔的光准有器之前对透镜3起到补充作用，它完全遮盖住了反射器2的空的轴向孔。透镜3可以完全取消或没有屈光力，而只对射到透镜11上的光线起滤光作用。

放在F点处的光源之光通量分为两部分，一部分组成光线12，它照射透镜3并被改变（同样也受到补充透镜11的作用）成平行于OO′轴的定向辐射。第二部分，光通量的基本部分，组成了光线13，它照射到环状透镜4，透镜4把光线折向与OO′轴成夹角φ的方向，再由反射器2把光线13改变成沿OO′轴方向的定向辐射。小部分光通量组成光线14，它直接投射到反射器2的反射折射图8上，而不经过折射器1的作用。

图2所示的光准直器与图1所示的光准直器不同，有较简单、光滑的环状透镜4之纵剖面，有较复杂结构的反射器2。透镜4的前部15（光轴FQ之前）有一个平面一凸面形的纵剖面，而它的后部16（FQ轴之后）有一个凸面一平面形的纵剖面（向焦点F稍凸的），在这种情况下，纵剖面的直线部分几乎平行于光准直器的OO′轴（亦是压制轴），偏离平行度一个很小的铸型角δ，约30′-60′，这是为了保证直接压制所必需的，透镜4的内、外表面上垂直线N′和N″在OO′轴上的投影符号相应地分别为负的和正的。这样的透镜4覆盖住了反射器2的空的轴向孔，而透镜4只要采用很小的厚度即可，这样既不破坏直接压制的可能性，又几乎可完全消除光准直器的光出射孔造成的反射黑斑。用与光准直器同焦点的片状聚光透镜3盖住反射器2的空的轴向孔，透镜3的直径等于透镜4的前沿的直径。

取掉菲涅耳折射圈5、6，使得含宽度的环状透镜4不能全部与准直器同焦点了，即它的屈光力不足以使得与它有光学关系的反射器2做成一个小光学尺寸的简单截头圆锥体的承载层。同时，如果由于减小了透镜4后部16的屈光力，而把最大部分的折射作用集中在透镜4前部15，那么，反射器2的尺寸可以相对减小。

假如透镜4前部15的光角φ₁不大于15°-20°，则这部分可能与准直器同焦点，而与它有光学关系的反射器2的前部17可做成截圆锥体。FQ轴与OO′轴的夹角φ＝60°-70°。透镜4后部16的光角φ₂为30°-60°，它的屈光力（如同前部分15那样，其厚度由零折射点Q到透镜边沿逐渐减薄）很小，而相应的反射器2的后部18有凹形的纵剖面，并在FQ轴与反射器2的相交点P处与部分17相连接，例如，它的抛物面焦点在

是构成透镜4后部16的焦点F之虚象点。

图2所示光准直器的反射器2在承载层背面有径向定向的反射折射多单元棱镜19。图3、4表示了在各种截面上的棱镜19的形状。在每个截面的直角棱角21上形成了每个棱镜19的反射边界20，全内反射的等边直角之边长尺寸与到OO′轴的距离成比例。棱角21平行承载层的前表面，使承载层同时肩负每个棱镜19的入射和反射的折射边界的作用。这样的反射器2是有利的，消除了在菲涅耳反射中的光损失，因为被反射器2前表面反射的光线22与被每个棱镜19的边界20反射的光线23方向相同，由于透镜4所起的滤光作用，光线22与23有共同的光色。

图2所示光准直器的前表面为光滑的，因此在使用中允许不安置保护玻璃。

在图1、2所示整体压制光准直器的两种实施方案中，反射器2不要求镜面涂复，这是由于利用了具有全内反射的反射折射的反射元件7（图1中）或棱镜19（图2-4中）。

从压模模具制造的观点看，环形反射折射元件7（图1中）有很好的工艺性，而辐射状的棱镜19（图2-4中）保证了较高的反射性能和反射器2的前表面的光滑性。

光准直器的制备可以用双色材料浇注的方法。由与折射器1（图1中）无光学关系的聚光透镜3、4和反射折射环8组成的光准直器之凸面部分用有色材料制作，满足由光信号颜色决定的滤光作用。光准直器的凹面部分，确切地说是反射器2（环8除外）由无色材料制作，在保证信号颜色的情况下，减少在反射折射的反射器2自身中的光吸收。

Claims (4)

1、一种整体压制的光准直器，包含有一个带轴向孔的凹面反射器(2)，在其轴向孔前安置一个折射器(1)，折射器(1)被反射器(2)所包围并与它有光学关系，同时，在反射器(2)前表面的每一点上垂直线(N)在光准直器轴上有正的投影，而在后表面一有负的投影，其特征在于：至少折射器(1)的一部分制成环状聚光透镜(4)，它的圆对称轴与光准直器的轴(OO′)重合，它的纵剖面光学轴(FQ)通过光准直器的焦点(F)与反射器(2)相交，在这种情况下，在环状透镜(4)外表面上的任一点上的垂直线(N″)在准直器轴(OO′)上有正的投影，而垂直线(N′)在内表面有负的投影。

2、按照权利要求1所述的整体压制的光准直器，其特征在于：环状透镜（4）的一部分制成菲涅耳折射圈（5、6）的形状，它们的分布，从反射器（2）本身方向看，在透镜（4）承载层的外表面，而从光准直器的光出射孔方向看在内表面上。

3、按照权利要求1所述的整体压制的光准直器，其特征在于：折射器（1）在环状透镜（4）前面安置了一个与光准直器同焦点的片状聚光透镜（3），其直径等于环状透镜（4）前沿的直径，同时，环状透镜（4）纵剖面的后部（16）（靠近反射器的部分）制成凸状一平面形（向光准直器的焦点凸出），而其前部（15）制成平面一凸状形，同时纵剖面的平面部分与光准直器轴（OO′）的夹角（δ）不大于1°。

4、按照权利要求1、3所述的整体压制的光准直器，其特征在于：环状透镜（4）的前部（15）比后部（16）有较大的屈光力和较短的长度（沿准直器轴OO′）。

Images