本发明涉及一种光学模块及光学元件，且特别是涉及一种高光使用效率的光学模块及光学元件。
背景技术：
随着光源科技的进步，新世代的光源，例如发光二极管(light-emittingdiodes，leds)，已经被大量使用于汽车的车头灯中。发光二极管车头灯的应用已逐渐地符合发光效率、节省能源以及环境保护。特别是越来越多的高端汽车也采用发光二极管车头灯。
然而，发光二极管的光学特性与常规所使用的卤素灯泡或氙气灯的光学特性有所不同，发光二极管所发出的光通常具有高指向性。当发光二极管组合于常规车头灯所使用的光学元件上时，车头灯模块的体积较大，且发光二极管与光学元件之间的校准复杂。另一方面，常规光学元件的反射材料可能会吸收部分的光线，进而降低了车头灯模块的光使用效率。
此外，传统所使用的卤素灯泡或氙气灯对于对准精度的要求并不高。因此，如果在常规所使用的车头灯模块中以发光二极管取代卤素灯泡或氙气灯，则光使用效率将无法被满足。另一方面，如何提升符合汽车安全规定的明暗截止线的清晰度以及优化所投射的光能量分布，也是本领域重要的研究课题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种光学模块及光学元件，可以达到高的光使用效率。
为达上述目的，本发明的光学模块包括第一光学元件、遮光元件以及第二光学元件。第一光学元件包括第一入光面、第一出光面以及反射面。第一入光面具有形成空腔的多个第一子入光面，空腔适于容纳光源。第一出光面具有多个第一子出光面。反射面连接于第一出光面与第一入光面之间，反射面具有多个子反射面。遮光元件设置于第一出光面中的多个第一子出光面的其中一个的外部。遮光元件位于第一光学元件与第二光学元件之间，第二光学元件包括第二入光面以及第二出光面。第二出光面位于遮光元件与第二出光面之间。第二出光面具有多个第二子出光面。光源所发出的光依序通过第一光学元件与第二光学元件，且通过多个第一子出光面的光分别传递至对应的多个第二子出光面。
在本发明的一个实施例中，上述的多个子反射面中的至少一个具有自邻近第一入光面的一端横向地延伸至邻近于第一出光面的另一端的段差。
在本发明的一个实施例中，来自上述光源的光的第一部分依序传递通过多个第一子出光面中的至少一个、被多个子反射面中的至少一个反射、通过多个第一子出光面中的其中一个、通过第二入光面、通过多个第二子出光面中的至少其中一个，且被投射在距离第一光学元件25米远的参考平面上，以在参考平面上形成明暗截止线，明暗截止线为亮区与暗区的边界，来自段差的光形成明暗截止线的倾斜部分。
在本发明的一个实施例中，来自上述光源的光的第二部分依序传递通过多个第一子出光面中的至少一个、通过多个第一子出光面中的其中一个、通过第二入光面、通过多个第二子出光面中的至少其中一个，且被投射在亮区。
在本发明的一个实施例中，来自上述光源的光的第三部分依序传递通过多个第一子出光面中的至少一个、被多个子反射面中的至少一个反射、通过多个第一子出光面中的其中一个、通过第二入光面、通过多个第二子出光面中的至少其中一个，且被投射在亮区。
在本发明的一个实施例中，上述的多个子反射面中的至少另一个也具有段差，所述段差自邻近入光面的其中一端横向地延伸至邻近于出光面的其中另一端，且同样形成明暗截止线的倾斜部分。
在本发明的一个实施例中，上述的遮光元件的外型轮廓的一侧对应于所述明暗截止线。
在本发明的一个实施例中，上述的多个第一子出光面中的至少一个为弯曲表面。
在本发明的一个实施例中，上述的多个第一子出光面中的至少一个的顶点偏离光学元件的中心轴。
在本发明的一个实施例中，上述的多个第一子出光面中的至少一个的顶点到多个第一子入光面中的至少一个的平行于光学元件的中心轴的距离较短于自多个第一子出光面中的至少一个到多个第一子入光面中的至少一个的平行于中心轴的距离。
在本发明的一个实施例中，上述的多个第一子入光面是由圆锥曲线或自由曲线所形成。
在本发明的一个实施例中，上述的多个子反射面是由圆锥曲线或自由曲线所形成。
在本发明的一个实施例中，上述的多个第一子出光面为平面、弯曲表面或其组合。
在本发明的一个实施例中，上述的第二入光面为平面或弯曲表面。
在本发明的一个实施例中，上述的多个第二子出光面为平面、弯曲表面或其组合。
为达上述目的，本发明的光学元件包括入光面、出光面以及反射面。入光面具有形成空腔的第一子入光面、第二子入光面以及第三子入光面。空腔用以容纳光源。第二子入光面连接于第一子入光面与第三子入光面之间。出光面相对于入光面的一侧设置。出光面具有第一子出光面、第二子出光面以及第三子出光面。第二子出光面连接于第一子出光面与第三子出光面之间。反射面连接于出光面与入光面之间。反射面具有连接第一子入光面与第一子出光面的第一子反射面以及连接第三子入光面与第三子出光面的第二子反射面。第一子反射面具有自邻近入光面的一端横向地延伸至邻近于出光面的另一端的段差。其中来自光源的光的第一部分依序传递通过第一子入光面、被第一子反射面反射、通过第一子出光面且被投射在距离光学元件25米远的参考平面上，以在参考平面上形成明暗截止线。明暗截止线为亮区与暗区的边界。来自段差的光形成明暗截止线的倾斜部分。其中来自光源的光的第二部分依序传递通过第二子入光面及第二子出光面，且被投射在亮区。其中来自光源的光的第三部分依序传递通过第三子入光面、被第二子反射面反射、通过第三子出光面，且被投射在亮区。
在本发明的一个实施例中，上述的第二子反射面也具有段差，所述段差自邻近入光面的其中一端横向地延伸至邻近于出光面的其中另一端，且同样形成明暗截止线的倾斜部分。
在本发明的一个实施例中，上述的第二子出光面为弯曲表面。
在本发明的一个实施例中，上述的第二子出光面的顶点偏离光学元件的中心轴。
在本发明的一个实施例中，自第二子出光面的顶点到第二子入光面的平行于光学元件的中心轴的距离较短于自第一子出光面到第二子入光面的平行于中心轴的距离以及自第三子出光面到第二子入光面的平行于中心轴的距离。
在本发明的一个实施例中，上述的第一子入光面、第二子入光面以及第三子入光面是由圆锥曲线或自由曲线所形成。
在本发明的一个实施例中，上述的第一子反射面以及第二子反射面是由圆锥曲线或自由曲线所形成。
在本发明的一个实施例中，上述的第一子出光面以及第三子出光面为平面或弯曲表面，第二子出光面为平面或弯曲表面。
基于上述，在本发明的光学模块中，光学模块包括第一光学元件、遮光元件以及第二光学元件，光源所发出的光依序通过第一光学元件与第二光学元件，且通过多个第一子出光面的光分别传递至多个第二子出光面，以优化所投射的光能量分布。另一方面，在本发明的光学元件中，第一子反射面具有邻近入光面的一端横向地延伸至邻近于出光面的另一端的段差，以形成明暗截止线的倾斜部分。因此，光学模块以及光学元件可以符合有关于车灯的规定，例如是联合国欧洲经济委员会条例(欧洲经委会条例)中的法规的r112条例。因此，本发明的光学模块以及光学元件具有高光使用效率。
附图说明
包含附图以便进一步理解本发明，且附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图说明本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。
图1为本发明一个实施例的车灯的横截面示意图；
图2为图1的光学元件的横截面示意图；
图3为图1的光学元件的后视图；
图4为图1的光学元件的前视图；
图5为图1的车灯的俯视图；
图6为光线通过图1的光学元件在25米远的参考平面上的光分布示意图；
图7为本发明另一个实施例的光学元件的后视图；
图8为图7的光学元件的前视图；
图9为本发明一个实施例的光学模块的横截面示意图；
图10为图9的第一光学元件及遮光元件的后视图；
图11为图9的第一光学元件及遮光元件的前视图；
图12为图9的第二光学元件的横截面示意图；
图13为图9的第二光学元件的前视图；
图14为图9的光学模块的俯视图；
图15为本发明另一实施例的光学模块的横截面示意图。
附图标号说明
100：车灯
110：光源
120：透镜
130：遮光元件
140、140a、200、200a：光学元件
142、210：入光面
212：第一子入光面
214：第二子入光面
216：第三子入光面
144、220：出光面
145、145a、222：第一子出光面
146、224：第二子出光面
147、147a、226：第三子出光面
230：反射面
232：第一子反射面
234、234a：第二子反射面
300、300a：光学模块
a：中心轴
ba：亮区
c：空腔
cl：明暗截止线
cp1、cp3：水平部分
cp2：倾斜部分
d1、d2、d3：距离
da：暗区
l1：第一部分
l2：第二部分
l3：第三部分
p：参考平面
s1、s2：段差
v：顶点
x、y、z：坐标
具体实施方式
现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在图式和描述中用来表示相同或相似部分。
图1为本发明一个实施例的车灯的横截面示意图。图2为图1的光学元件的横截面示意图。图3为图1的光学元件的后视图。图4为图1的光学元件的前视图。图5为图1的车灯的俯视图。请参考图1至图5，在本实施例中，车灯100包括光源110、透镜120以及光学元件200。光源110、透镜120以及光学元件200可视为是置于由x坐标轴、y坐标轴及z坐标轴所形成的直角坐标系所定义出的空间中，其中x坐标轴、y坐标轴及z坐标轴彼此互相垂直。光源110可以发出光线。在本实施例中，光源110包括至少一个发光二极管。举例而言，光源110可以包括沿x方向排列的多个发光二极管。
透镜120设置于来自光源110的光路径上。透镜120可以是凸透镜，例如平凸透镜、双凸透镜或凹凸透镜。光学元件200设置于来自光源110的光路径上，并且位于光源110与透镜120之间。光学元件200包括入光面210、出光面220以及反射面230。在本实施例中，光学元件200由透明材料制作而成。入光面210具有形成空腔c的第一子入光面212、第二子入光面214以及第三子入光面216，其中空腔c用以容纳光源110，其中第二子入光面214连接第一子入光面212与第三子入光面216。在本实施例中，第一子入光面212、第二子入光面214以及第三子入光面216沿y方向排列。
出光面220相对于入光面210的一侧设置，且具有第一子出光面222、第二子出光面224以及第三子出光面226，其中第二子出光面224连接于第一子出光面222与第三子出光面226之间。反射面230连接入光面210与出光面220之间。反射面230具有连接第一子入光面212与第一子出光面222的第一子反射面232以及连接第三子入光面216与第三子出光面226的第二子反射面234，其中第一子反射面232具有自邻近入光面210的一端横向地延伸至邻近于出光面220的另一端的段差s1。在本实施例中，第一子反射面232及第二子反射面234沿y方向排列。
图6为光线通过图1的光学元件在25米远的参考平面上的光分布示意图。请同时参考图1至图6，来自光源110的光的第一部分l1依序传递通过第一子入光面212、被第一子反射面232反射、通过第一子出光面222且被透镜120投射在距离光学元件20025米远的参考平面p上，以在参考平面p上形成明暗截止线cl。明暗截止线cl为亮区ba与暗区da的边界，来自段差s1的光形成明暗截止线cl的倾斜部分cp2。明暗截止线cl可以符合有关于车灯的规定，例如是联合国欧洲经济委员会条例(欧洲经委会条例)中的法规的r112条例(ecer112codeinregulationsofunitednationseconomiccommissionforeurope(eceregulations))，且车灯100可以是汽车头灯，例如近光头灯。在图6中所显示的明暗截止线cl适于靠右行走的交通(right-handtraffic)(即适用于左驾车)，且段差s1的侧面大致上面向于正x方向。然而，对于靠左行走的交通(即适用于右驾车行驶)而言，段差s1的侧面可以大致上面向于正x方向。可以设置屏幕于参考平面p上，从而可以测量参考平面p上的光分布。
在本实施例中，来自第一子入光面212的光的第一部分l1完全地被第一子反射面232内反射至第一子出光面222。此外，在本实施例中，第一部分l1被投射至包括一水平部分cp1、倾斜部分cp2以及另一水平部分cp3的明暗截止线cl下方的亮区bl，其中倾斜部分cp2连接水平部分cp1与水平部分cp3且相对于水平部分cp1及水平部分cp3倾斜45度。在本实施例中，段差s1的横向延伸方向倾斜于yz平面45度，如图3所示，以使第一部分l1可以形成较长的水平部分cp3。然而，在其他实施例中，段差s1的横向延伸方向实际上可平行于yz平面。
来自光源110的光的第二部分l2依序传递通过第二子入光面214及第二子出光面224且被透镜120投射在亮区ba。在本实施例中，第二部分l2形成亮区ba中的亮带且与明暗截止线cl隔开。
来自光源110的光的第三部分l3依序传递通过第三子入光面216、被第二子反射面234反射、通过第三子出光面226，且被透镜120投射在亮区ba。在本实施例中，来自第三子入光面216的光的第三部分l3完全地被第二子反射面234内反射至第三子出光面226。在本实施例中，第三部分l3在亮区ba中以及水平部分cp1的下方形成亮带。
在本实施例中，第一子入光面212、第二子入光面214以及第三子入光面216由圆锥曲线或自由曲线形成。具体而言，第一子入光面212、第二子入光面214以及第三子入光面216可以在平行于yz平面的平面上被弯曲且笔直地(不弯曲)沿着x方向延伸，并且上述的圆锥曲线或自由曲线位于平行于yz平面的横截面上。然而，在其他实施例中，第一子入光面212、第二子入光面214以及第三子入光面216也可以在平行于xy平面的平面或是平行于xz平面的平面上被弯曲。在本实施例中，第二子入光面214实际上为平行于xy平面的平面，且第一子入光面212和第三子入光面216为平行于yz平面弯曲且沿着x方向笔直延伸(不弯曲)的弯曲平面。
在本实施例中，第一子反射面232和第二子反射面234由圆锥曲线或自由曲线形成。举例而言，第一子反射面232以及第二子反射面234为平行于yz平面弯曲的弯曲表面。
第一子出光面222和第三子出光面226可以是平面或弯曲表面，而第二子出光面224为平面或弯曲表面。在本实施例中，第一子出光面222和第三子出光面226为弯曲表面，且第二子出光面226为弯曲表面。在本实施例中，第一子出光面222和第三子出光面226为平行于xz平面弯曲且沿着y方向笔直延伸的弯曲平面。此外，在本实施例中，第二子出光面224在平行于yz平面的平面中弯曲，且在平行于xz平面的平面中弯曲。然而，在其他实施例中，第二子出光面224可以在平行于yz平面弯曲且沿着x方向笔直延伸(不弯曲)的平面上弯曲。此外，在本实施例中，第二子出光面224的顶点v偏离光学元件200的中心轴a。中心轴a可以是平行于z方向。
在本实施例中，自第二子出光面224的顶点v到第二子入光面214的平行于中心轴a的距离d2较短于自第一子出光面222到第二子入光面214的平行于中心轴a的距离d1以及自第三子出光面226到第二子入光面214的平行于中心轴a的距离d3。
在本实施例的光学元件200以及车灯100中，第一子反射面232具有邻近入光面210的一端横向地延伸至邻近于出光面220的另一端的段差，以形成明暗截止线cl的倾斜部分cp2。因此，光学元件200以及车灯100可以符合有关于车灯的规定，例如是联合国欧洲经济委员会条例(欧洲经委会条例)中的法规的r112条例，而不使用遮光元件。因此，本实施例的光学元件200以及车灯100具有高光使用效率。在本实施例中，第一子反射面232仅具有段差s1，且段差s1被设置为形成明暗截止线cl的倾斜部分cp2，进而使光学元件200以及车灯100可以通过简单结构符合上述有关于车灯的规定。因此，光学元件200以及车灯100的体积小，且有效地减低光学元件200以及车灯100的体积小的成本。
图7为本发明另一个实施例的光学元件的后视图。图8为图7的光学元件的前视图。请参考图7及图8，本实施例的光学元件200a类似于图1的光学元件200，其主要区别在于，在本实施例的光学元件200a中，第二子反射面234a也具有邻近入光面210的一端横向地延伸至邻近于出光面220的另一端的段差s2，且来自第二子反射面234a的段差s2的光也形成明暗截止线cl的倾斜部分cp2。
图9为本发明一个实施例的光学模块的横截面示意图。图10为图9的第一光学元件及遮光元件的后视图。图11为图9的第一光学元件及遮光元件的前视图。请参考图9至图11，本实施例的光学模块300类似于图1的车灯100，其主要区别在于，本实施例使用另一光学元件140取代图1中的透镜120，并配置遮光元件130于光学元件200a与光学元件140之间。具体而言，本实施例的光学模块300包括光学元件140、200a以及遮光元件130。举例而言，在本实施例中，光学元件200a即为图7的实施例的光学元件200a。光学元件200a包括入光面210、出光面220以及反射面230。入光面210具有形成空腔c的多个子入光面，空腔c适于容纳光源110。举例而言，在本实施例中，多个子入光面例如为图10所显示的第一子入光面212、第二子入光面214以及第三子入光面216。出光面220具有多个子出光面。举例而言，在本实施例中，多个子出光面例如为图11所显示的第一子出光面222、第二子出光面224以及第三子出光面226。反射面230连接于出光面210与入光面220之间，反射面230具有多个子反射面。举例而言，在本实施例中，多个子反射面例如为图10所显示的第一子反射面232以及第二子反射面234a。
在本实施例中，光学元件200a的多个子入光面、多个子出光面以及多个子反射面在空间中所呈现的不同种类的平面或弯曲表面，可由前述实施例中的相关配置教示中同样配置于光学元件200a，因此不再赘述。
图12为图9的第二光学元件的横截面示意图。图13为图9的第二光学元件的前视图。请同时参考图9至图13，在本实施例中，遮光元件130设置于出光面210中的多个子出光面的其中一个的外部。实际上，遮光元件130设置于第二子出光面224的部分外部。遮光元件130位于光学元件200a与光学元件140之间。在本实施例中，遮光元件130的外型轮廓的一侧(即图10与图11的上侧，也就是+y方向的一侧)对应于明暗截止线(如图6中显示的明暗截止线cl)。详细而言，遮光元件130的外型轮廓的一侧具有如同图6中的明暗截止线cl的水平部分cp1、倾斜部分cp2以及另一水平部分cp3的轮廓。因此，光传递通过遮光元件130的外型轮廓的所述一侧(即上侧)将形成明暗截止线cl附近的亮区ba。如此一来，可进一步提升明暗截止线的清晰度。
光学元件140包括入光面142以及出光面144。入光面142位于遮光元件130与出光面144之间。出光面144具有多个子出光面。举例而言，在本实施例中，多个子出光面例如为图12所显示的第一子出光面145、第二子出光面146以及第三子出光面147。光源110所发出的光依序通过光学元件200a与光学元件140，且通过光学元件200a的多个子出光面的光分别传递至光学元件140的对应的多个子出光面。如此一来，可进一步优化所投射的光能量分布。
光学元件140中的入光面142可为平面或弯曲表面。在本实施例中，入光面142为平行于xy平面的平面。光学元件140中的第一子出光面145、第二子出光面146以及第三子出光面147为平面或弯曲表面。在本实施例中，第一子出光面145以及第三子出光面147为弯曲表面，且第二子出光面146为弯曲表面。在本实施例中，第一子出光面145以及第三子出光面147为平行于xz平面弯曲且沿着y方向笔直延伸的弯曲平面。此外，在本实施例中，第二子出光面146在平行于yz平面的平面中弯曲，且在平行于xz平面的平面中弯曲。然而，在其他实施例中，第二子出光面146可以在平行于yz平面弯曲且沿着x方向笔直延伸(不弯曲)的平面上弯曲。此外，在本实施例中，第二子出光面146的顶点v位于光学元件200a的中心轴a上，如同图2中所显示的发光元件200的中心轴a。中心轴a可以是平行于z方向。
图14为图9的光学模块的俯视图。请同时参考图6、图9及图14。在本实施例中，光学模块300所投射出的明暗截止线类似于前述图1实施例中车灯100所投射出的亮区ba、暗区da以及明暗截止线cl，如图6中所显示。在本实施例中，来自光源110的光的第一部分l1依序传递通过第一子入光面212、被第一子反射面232反射、通过第一子出光面222、通过入光面142、通过第一子出光面145，且被光学元件140投射在距离光学元件200a25米远的参考平面p上，以在参考平面p上形成明暗截止线cl。明暗截止线cl为亮区ba与暗区da的边界，来自段差s1及段差s2的光形成明暗截止线cl的倾斜部分cp2。明暗截止线cl可以符合有关于车灯的规定，例如是联合国欧洲经济委员会条例(欧洲经委会条例)中的法规的r112条例，且光学模块300可以是汽车头灯，例如近光头灯。
来自光源110的光的第二部分l2依序传递通过第二子入光面214、通过第二子出光面224、通过入光面142、通过第二子出光面146，且被光学元件140投射在亮区ba。在本实施例中，第二部分l2形成亮区ba中的亮带且与明暗截止线cl隔开，如图6所显示。
来自光源110的光的第三部分l3依序传递通过第三子入光面216、被第二子反射面234反射、通过第三子出光面226、通过入光面142、通过第三子出光面147，且被光学元件140投射在亮区ba。在本实施例中，来自第三子入光面216的光的第三部分l3完全地被第二子反射面234a内反射至第三子出光面226。在本实施例中，第三部分l3在参考平面p上形成明暗截止线cl。来自段差s2的光如同来自段差s1的光形成明暗截止线cl的倾斜部分cp2。
在本实施例的光学模块300中，第一子反射面232具有邻近入光面210的一端横向地延伸至邻近于出光面220的另一端的段差s1，且第二子反射面234a具有邻近入光面210的一端横向地延伸至邻近于出光面220的另一端的另一个段差s2，以共同形成明暗截止线cl的倾斜部分cp2。因此，光学模块300可以符合有关于车灯的规定，例如是联合国欧洲经济委员会条例(欧洲经委会条例)中的法规的r112条例。因此，本实施例的光学模块300具有高光使用效率。在本实施例中，光学模块300中具有设置于位于光学元件200a与光学元件140之间的遮光元件130，同时具有多个子出光面的光学元件140。因此，光学模块300所投射的光可进一步提升明暗截止线cl的清晰度，进一步优化所投射的光能量分布。
图15为本发明另一实施例的光学模块的横截面示意图。请参考图15，本实施例的光学模块300a类似于图14的光学模块300，其主要区别在于，在本实施例中，以光学元件140a取代图14中的光学元件140。详细而言，光学元件140a的第一子出光面145a以及第三子出光面147a为自由曲面，第一子出光面145a以及第三子出光面147a为平行于xz平面自由形式弯曲且沿着y方向笔直延伸的自由弯曲平面，并且第一子出光面145a以及第三子出光面147a在邻近正x方向处较邻近负x方向凸出。如此一来，以图6为例，在光经过第一子出光面145a以及第三子出光面147a投射至参考平面p的光分布中，光的能量分布在水平部分cp3的下方较在水平部分cp1的下方为集中，进一步优化所投射的光能量分布。
综上所述，在本发明的光学元件以及车灯中，第一子反射面具有邻近入光面的一端横向地延伸至邻近于出光面的另一端的段差，以形成明暗截止线的倾斜部分。因此，上述的光学元件以及车灯可以符合有关于车灯的规定，例如是联合国欧洲经济委员会条例(欧洲经委会条例)中的法规的r112条例而不使用遮光元件。因此，本发明的光学元件以及车灯具有高光使用效率。另一方面，在本发明的光学模块中，光学模块具有设置于位于第一光学元件与第二光学元件之间的遮光元件，以进一步提升明暗截止线的清晰度。同时，光学模块具有多个子出光面的第二光学元件以取代透镜，进而优化所投射的光能量分布。因此，本发明的光学模块具有高光使用效率。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。