一种包含消除倒角处暗区的扩散孔的厚壁件光学系统的制作方法

本实用新型涉及汽车车灯照明技术领域，尤其涉及一种包含消除倒角处暗区的扩散孔的厚壁件光学系统。

背景技术：

厚壁件是一种将光源置于焦点处发光，光线经过后壁区域准直，再通过前表面花纹进行光线扩散，达到均匀显示效果的新型技术，广泛应用于民用高端家轿，前灯、后灯皆有，多用于转向灯、日间行车灯、位置灯、刹车灯等，主要采用led光源，已经逐渐成为汽车车灯的主要配置。

随着车灯潮流趋势，造型的多样性在车灯领域愈加重要，厚壁件在车灯上的应用将会愈发广泛，然而，基于当前制造加工工艺的精度限制，所有厚壁件涉及开孔位置的边缘位置都需留有一定倒角来满足加工需求，上述的开孔通常都是具有准直效果的准直孔用以将各个方向入射至准直孔的光线进行准直成为平行光实现均匀出射，然而一方面上述的该开孔位置的边缘位置留有的倒角会造成准直系统缺陷，打到倒角处的光会折射或打到其他区域，而未准直到对应出光面，使得其对应的出光面区域出现明显的暗区，造成厚壁件均匀性降低的现象，另一方面虽对厚壁件的准直孔进行设计优化将准直孔入光面设计为部分或全部添加圆柱形条纹面，或在准直孔入光面添加皮纹能有所改善均匀性，然而前者的改善方法的添加圆柱形条纹面会存在着由于多个圆柱形条纹面的多级链接导致的不可控的问题，并且相邻的每两个圆柱形条纹面之间还是会有倒角，仍可能会带来暗区及不均匀问题，最终点亮效果仍然存在一定缺陷，上述后者的添加皮纹的改善方法既存在着皮纹质量、皮纹效果的不确定性及最终均匀性的不可控性，也存在着增加工艺和材料成本。并且上述两种方法都会增加模具难度，可能还会存在多次模具和光学设计调整和更改、工时的增加、相应的存在成本增加问题，并且最终效果仍然存在一定缺陷的不可控性。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型的目的是提供了一种包含消除倒角处暗区的扩散孔的厚壁件光学系统，通过用带扩散角的入光面替换原有的准直入光面，对厚壁中心区域光线进行扩散，改善因倒角缺陷造准直系统部分区域无入射光而导致的暗区问题，提高厚壁件整体均匀性，不仅能解决暗区问题提高均匀性，并且通过前期的一次设计、无需后期额外附加设计或工艺调整、模具可行性也会极大提高、最终的效果也会更可控更均匀。

本实用新型提供一种包含消除倒角处暗区的扩散孔的厚壁件光学系统，包括光源和厚壁件，所述光源为二次准直光源，所述厚壁件为二次准直厚壁件，所述二次准直光源位于二次准直厚壁件的焦点位置，所述二次准直厚壁件包括侧壁、前发光面、扩散孔，所述侧壁设置在前发光面的两侧，所述扩散孔设置在侧壁之间，所述扩散孔包括扩散孔入光面、扩散孔出光面、扩散面开孔侧壁一、扩散面开孔侧壁二，所述扩散孔入光面设置在扩散孔的接近光源侧，扩散孔出光面设置在扩散孔的背向光源侧，所述扩散面开孔侧壁一和扩散面开孔侧壁二设置在扩散孔的两侧，所述扩散孔入光面为具有扩散面性质，所述扩散孔出光面为具有球面性质的扩散孔出光面或具有平面性质的扩散孔出光面等效近似平面，所述二次准直光源发出的光线来到扩散孔入光面，经过扩散孔入光面扩散调整后来到球面，经过球面性质的扩散孔出光面后来到前发光面出射；或者二次准直光源发出的光线来到扩散孔入光面，经过扩散孔入光面调整扩散后来到扩散孔出光面等效近似平面，经扩散孔出光面等效近似平面调整来到前发光面出射。

进一步改进在于：所述球面性质的扩散孔出光面的球心位置c必须在光源位置d的行车方一面的正方向侧。

进一步改进在于：所述光源替换厚壁件为一次准直光源，作为二次准直的光源来源。

进一步改进在于：所述扩散孔出光面选择球面性质的扩散孔出光面时，经扩散孔入光面扩散后射出的光线的反向延长线和经过二次准直光源位置d的正前方向直线的交点为球面性质的扩散孔出光面6b的球面球心的位置c，所述从球面性质的扩散孔出光面射出的光线和球面性质的扩散孔出光面上经过点a的切线垂直。

进一步改进在于：所述光源为一次准直光源，所述厚壁件为一次准直厚壁件，所述一次准直光源位于焦点位置，所述一次准直厚壁件包括左侧拔模角倾斜面、右侧拔模角倾斜面、左侧侧壁、右侧侧壁、前发光面，所述一次准直厚壁件还包括具有扩散光线性能的变形例扩散面，二次准直时的扩散孔入光面在光线行进方向为沿光线行进正向凸起的面，所述变形例扩散面在光线行进方向为沿光线行进正向凹下的面。对于球面时的端点处的扩散角θ不等于采用等效近似平面时的端点处的扩散角θ2，由θ1和θ2满足折射定律：，且：n1为空气的折射率=1，n2为厚壁件的介质折射率，n2＞n1，得：

。

扩散角θ1和θ2范围宜控制在5°以内。

无论对于采用球面的扩散孔出光面或者是扩散孔出光面等效近似平面，都具有扩散角在越靠近扩散孔的对称中心位置其扩散角度越小、越靠近扩散孔两侧端点的a点或b点位置的扩散角度越大，靠近两侧的扩散角度越大则扩散性越好，越有助于解决背景技术的暗区问题，越靠近扩散孔的对称中心位置的扩散角度越小则在光学设计和工程实际上默认为其仍具有准直作用，由中间位置的扩散角小，即近似准直，使得所述厚壁件仍能满足法规的亮度和均匀性要求。

所述光源可以是红色的光源以实现尾灯位置灯或尾灯制动灯功能，可以为白色的光源以实现日间行车灯、前灯位置灯或倒车灯功能，可以是黄色的光源以实现转向灯功能。

所述厚壁件的材料可以为聚甲基丙烯酸甲酯（即pmma）或聚碳酸酯（即pc）。

本实用新型的有益效果是：能解决暗区问题，提高均匀性和光效；并且通过前期的一次的理论和模拟微调结合的设计，设计结果更加精确，且无需后期额外附加设计或工艺调整、模具可行性也会极大提高；最终的光学效果也会更可控更均匀。

附图说明

图1是本实用新型的第一实施例的包含扩散孔出光面为球面的扩散孔的厚壁件光学系统的剖视图。

图2是现有技术的包含二次准直的光学结构的厚壁件光学系统的剖视图。

图3是本实用新型的第一实施例的厚壁件光学系统所包含的扩散孔出光面为球面的扩散孔的光学设计原理图。

图4是本实用新型的第一实施例的包含扩散孔出光面采用扩散孔出光面等效近似平面的扩散孔的厚壁件光学系统的剖视图。

图5是本实用新型的第一实施例的厚壁件光学系统所包含的扩散孔出光面采用扩散孔出光面等效近似平面的扩散孔的光学设计原理图。

图6是本实用新型的第一实施例的采用扩散孔出光面等效近似平面的扩散孔的局部放大图。

图7是现有技术的包含一次准直的光学结构的厚壁件光学系统的剖视图。

图8是本实用新型的消除倒角处暗区的扩散孔的厚壁件光学系统及其扩散孔设计方法的用于一次准直的剖视图。

图9是现有技术入光准直面和本实用新型的扩散面的对比图。

图10是本实用新型的消除倒角处暗区的扩散孔的厚壁件光学系统及其扩散孔设计方法的用于一次准直的设计原理示意图。

图11是本实用新型的图10的局部放大图。

图12是现有技术的点亮模拟效果图。

图13是本实用新型的点亮模拟效果图。

其中：1-二次准直光源；2-侧壁；3-前发光面，6-扩散孔；6a-扩散孔入光面；6b-扩散孔出光面；6c-扩散孔出光面等效近似平面；6d-扩散孔侧壁一；6e-扩散孔侧壁二；7-球面球心，81--二次准直厚壁件；82-一次准直厚壁件，9-一次准直光源；10a-左侧拔模角倾斜面；10b-右侧拔模角倾斜面；11a-左侧侧壁；11b-右侧侧壁；12a-一次准直入光准直面；12b-变形例扩散面。

具体实施方式

为了加深对本实用新型的理解，下面将结合实施例对本实用新型作进一步的详述，本实施例仅用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型保护范围的限定。

需先指出，本实施例所涉及的厚壁件光学系统及其扩散孔设计方法，针对的是进行二次准直的（光学面）厚壁件光学系统，本实用新型所定义的二次准直是指光线从介质通过光学面进入空气或光线从一种介质通过光学面进入另一种介质的概念及使用这一概念的光学结构。

图2示出现有的包含二次准直的厚壁件光学系统，位于焦点位置的光源发出的光的一部分经过侧壁左右两侧的面反射后来到前发光面，位于焦点位置的光源发出的光的另一部分经过准直孔准直后来到前发光面，因准直孔存在倒角一、倒角二、倒角三、倒角四四个倒角，打到上述各倒角处的光会折射或打到其他区域，而未准直到对应出光面，使得其对应前发光面处存在两处暗区，这是现有技术的一个缺陷。

上述的倒角大小通常实际工程应用为0.5°-3°范围。

为解决如上缺陷，如图1所示，本实用新型第一实施例提供一种包含消除倒角处暗区的扩散孔的厚壁件光学系统，并且所述扩散孔的扩散孔出光面6b为球面。需先说明一点，图1中扩散孔6四边的两两相交处同样存在4个倒角，其位置、作用和要求同图2的倒角一、倒角二、倒角三、倒角四四个倒角一致，并且在此描述光源1发出的光线经过扩散孔6区域内的扩散及出射。本实用新型的光学系统，包括二次准直光源1和二次准直厚壁件81，所述二次准直厚壁件81包括侧壁2、前发光面3、扩散孔6，其中所述扩散孔6包括扩散孔入光面6a、扩散孔出光面6b、扩散孔侧壁一6d、扩散孔侧壁二6e，其中所述扩散孔入光面6a为具有扩散光线性质的扩散面，所述扩散孔出光面6b为球面。二次准直光源1位于焦点位置，二次准直光源1发出的光线来到扩散孔入光面6a，经过扩散孔入光面6a的光线扩散作用及调整后来到球面的扩散孔出光面6b，经过扩散孔出光面6b后直接来到前发光面3出射；扩散孔6区域范围内的的光线经过扩散孔入光面6a的调整及扩散，能均匀出射到前发光面3，覆盖现有技术由于倒角所导致的暗区，解决现有技术的因制造加工工艺精度限制产生的倒角导致的前发光面3上的两处暗区和无光线的缺陷，提高厚壁件光学系统的光学均匀性。

上述的位于焦点位置的二次准直光源1，存在另一种情况，即二次准直的焦点处无实际光源，但存在厚壁件的一次准直光源的光行进到此位置并而后进一步作为二次准直的光源来源。

图3为本实施例厚壁件光学系统所包含的扩散孔出光面为球面的扩散孔的光学设计原理图，其中，扩散孔出光面6b为球面，扩散孔出光面6b的左侧边缘点为a，扩散孔出光面6b的右侧边缘点为b，扩散孔出光面6b的球面球心7位置为c，二次准直光源1位置为d。

以经过球面6b左侧边缘点a的光线为例进行说明。二次准直光源1发出的光线来到扩散孔入光面6a，经过扩散孔入光面6a扩散后射出，来到球面性质的扩散孔出光面6b，所述经扩散孔入光面6a扩散后射出的光线的反向延长线和经过二次准直光源1位置d的正前方向直线（车身坐标系行车方向x轴）的交点为球面性质的扩散孔出光面6b的球面球心7的位置c，所述从球面性质的扩散孔出光面6b射出的光线和球面性质的扩散孔出光面6b上经过点a的切线垂直。

需说明的一点是，球面半径远大于球面6b到光源1的距离，因此，几何学上可将球面6b看做等效近似平面6c进行计算，图4为开孔前出光面采用等效近似平面的扩散孔的厚壁件的剖视图，图5为开孔前出光面采用等效近似平面的扩散孔的光学原理图，其基本原理同图3一样，仅将开孔前出光面直接由球面改为平面出光，出射角发生些微变化（即θ2≠θ1，存在微小差别）。

当扩散孔出光面采用等效近似平面6c时，光源1发出的光线来到扩散孔入光面6a，经过扩散孔入光面6a调整扩散后来到扩散孔出光面等效近似平面6c，经过扩散孔出光面等效近似平面6c后进行折射和角度调整来到前发光面3出射。所述平面6c左侧边缘点和球面6b左侧边缘点重合，平面6c右侧边缘点与球面6b边缘点b重合。

图6为图5扩散孔的局部放大图，其中，光线从光源发出，经过扩散面6a来到点a的光学原理和图3一致，在此不再描述，在此描述光线经过平面6c后出射角度的光学原理。光线从光源1出射经过扩散面6a进入扩散孔6，其中扩散孔中的介质为空气，设空气的折射率为n1，设厚壁件的介质折射率为n2，n2＞n1，光线来到平面6c进入厚壁件以角度θ2射出，θ1和θ2满足折射定律：

，

，

式中θ1的取值如下：θ1=∠acd，在进行前述的扩散孔出光面为球面6b的扩散孔6的光学设计完成后已能够获得其取值，在采用等效近似平面6c作为扩散孔6的扩散孔出射面时θ1为已知值，n1、n2值均为已知，因此此处扩散孔6的扩散孔出光面（即将球面6b等效为所述扩散孔出光面等效近似平面6c）的扩散角θ2的值可计算得知。

更进一步，本实施例的n1=1（空气介质折射率=1），n2=1.586，本实施例优选的厚壁件材料为聚碳酸酯，其介质折射率为1.586。

进一步指出，无论对于采用球面的扩散孔出光面6b或者是扩散孔出光面等效近似平面6c，都具有扩散角在越靠近扩散孔的对称中心位置其扩散角度越小、越靠近扩散孔两侧端点的a点或b点位置的扩散角度越大，靠近两侧的扩散角度越大则扩散性越好，越有助于解决背景技术的暗区问题，越靠近扩散孔的对称中心位置的扩散角度越小则在光学设计和工程实际上默认为其仍具有准直作用，由中间位置的扩散角小，即近似准直，使得所述厚壁件仍能满足法规的亮度和均匀性要求。

实施例二：

如7所示，需要说明的是，图8中与图7部分中相同的拔模角和倒角部分作用相同，未在图中标出，省略重复的说明。变形例和前面实施例的区别最主要在于上面详细描述的实施例主要针对的是厚壁件二次准直结构处导致的暗区的问题，通过扩散孔6和具有扩散面性质的扩散孔入光面6a、球面的扩散孔出光面6b或平面性质的扩散孔出光面等效近似平面6c，通过本实用新型的技术方案解决暗区问题，而如下文即将描述的变形例主要针对的是厚壁件一次准直结构处导致暗区问题，及如何通过本实用新型的设计方案的扩散面解决暗区问题。

本实用新型所定义的一次准直是指光线从空气通过光学面进入介质的概念及使用此概念的光学结构。

图7示出变形例的现有应用的包含一次准直的厚壁件光学系统的剖视图，位于焦点位置的一次准直光源发出的光经过左侧拔模角倾斜面后再经过左侧侧壁反射后来到前发光面，位于焦点位置的一次准直光源发出的光经过右侧拔模角倾斜面后再经过左侧侧壁反射后来到前发光面，位于焦点位置的光源发出的光经过入光准直面准直后来到前发光面，因制造精度限制产生的左侧拔模角倾斜面、右侧拔模角倾斜面（两个拔模角倾斜面）、倒角一、倒角二、倒角三和倒角四（四个倒角），由于打到上述各倒角处的光会折射或打到其他区域，而未准直到对应出光面，以及两个拔模角倾斜面导致的打到倾斜面上的光同样会折射到其他区域而导致存在图示的前发光面上存在两处暗区。

上述的倾斜面角度大小光学工程设计通常为1°-3°，倒角大小为0.5°-3°范围。

图8为变形例的本实用新型的厚壁件光学系统的剖视图，包括一次准直光源9和一次准直厚壁件82，其中，所述一次准直厚壁件82，包括变形例扩散面12b、左侧拔模角倾斜面10a、右侧拔模角倾斜面10b、左侧侧壁11a、右侧侧壁11b、前发光面3、4个倒角部分在此不再添加描述。光源9发出的光线经过左侧拔模角倾斜面10a折射后再经左侧侧壁11a反射的光线和经右侧拔模角倾斜面10b折射后再经右侧侧壁11b反射的光线在此不再描述。位于焦点位置的光源9发出的光线来到变形例扩散面12b，经过变形例扩散面12b的调整及光线扩散作用后能以一定角度均匀出射到前发光面3，覆盖现有技术由于倒角和拔模角倾斜面所导致的暗区，提高厚壁件光学系统的光学均匀性。

和图1所示厚壁件光学系统不同在于，图1所示厚壁件光学系统的光线是从材料介质中经过扩散面进入空气中，即扩散孔6区域内，图8所示变形例的厚壁件光学系统的光线是从空气中经过扩散面进入材料介质中，即厚壁件82中。

图10为图8的具体设计原理的示意图，图11为图10的局部放大图。具体光学原理和图3所示厚壁件及其设计原理相似，在此不做详细描述，但需指出几点以便于理解：

设计过程中，对应第一实施例的过a点处的球面6b在本变形例中为12d，理论上12d的位置应该是与图10中的12d为平行偏移且过w点的球面圆弧，图10、图11如此的以平行偏移的位置示出对于设计原理是等效和无影响的、也能便于显示与理解。

由得到的12d为基础通过光学折射定律及应用积分原理计算得出的变形例扩散面为12b。需指出，图3所示扩散面6a为凸面，即在光线行进方向为沿光线行进正向凸起的面，图8和图10所示变形例扩散面为凹面，即在光线行进方向为沿光线行进正向凹下的面，这是由于光线是由空气进入介质或介质进入空气所决定的。

设计时同样需要如第一实施例一样的理论设计、微调、模拟微调，直至得到最优效果，再次不再赘述。