发光装置、便携照明装置和车用前照灯的制作方法

1.本实用新型涉及照明领域，特别是涉及高光强的发光装置和使用该发光装置的便携照明装置和车用前照灯。


背景技术：

2.照明领域中，高光强照明属于特种照明。与通用照明不同的是，高光强照明要求光线尽量平行的射出，也就是在发散角尽量的小，这样才能在传播一段距离之后仍保持中心较高的照明强度。
3.根据光学扩展量守恒定律，高光强照明必须使用高亮度的光源，光源的亮度决定了照明灯具的光强的上限。而为了实现这个上限，还必须使用相匹配的经过专门设计的透镜。如图1所示，光源101发出的多条发散的光线121经过透镜102的折射后形成平行光束122出射。透镜122一般是专门设计的非球面透镜，使得从发光点发出的每个角度的入射光都能够经过透镜两个表面先后折射后向同一个方向出射。
4.图1所示的照明装置，虽然可以实现高度准直的光束，可以实现中心高光强的输出，但是在实际应用中也存在照明范围过小的问题。因为光线都集中在中心的一个很小的角度以内，导致在照明装置的一定距离以内，光束都是一个很小的光斑，这个光斑以内的照明非常亮，而这个光斑以外的物体完全照不到。对于便携照明装置(例如手电)，在近处照明一个大范围，也是需要的。因此图1所示的照明装置在实际应用中会由于照射范围过小而受限。


技术实现要素：

5.为解决以上提到的照明范围过小的问题，同时还要保持中心高光强的输出，本实用新型提出一种发光装置，包括光源和透镜系统，该透镜系统包括准直透镜和发散透镜，准直透镜用于将从其焦点发出的光折射并形成准直出射，准直透镜包括第一区和第二区，准直透镜的第一区和第二区具有共同的焦点，该焦点与所述光源的发光点相重合；发散透镜能够将入射的平行光束透射传播并使其以原方向为光轴发生光扩散；光源发出的光包括第一部分光和第二部分光，其中，第一部分光入射于准直透镜的第一区并被第一区折射形成准直光出射；第二部分光先入射于发散透镜并穿过发散透镜后再入射于准直透镜的第二区，并被第二区折射形成发散光出射，或者，第二部分光先入射于准直透镜的第二区并穿过第二区后再入射于发散透镜，并被发散透镜折射形成发散光出射。
6.在上述的发光装置中，准直透镜的第一区和第二区是同一个连续平滑曲面的两个部分。
7.在上述的发光装置中，发散透镜是柱面镜。
8.在上述的发光装置中，所述光源的发光点是长条形的，该长条形的长轴方向与所述柱面镜的柱面的轴相正交。
9.在上述的发光装置中，准直透镜的第二区位于准直透镜的中心区域，准直透镜的
第二区的中心与准直透镜的中心相重合。
10.在上述的发光装置中，透镜系统包括两个发散透镜，在光出射方向上，该两个发散透镜的中心关于准直透镜的中心对称。
11.在上述的发光装置中，透镜系统包括多个发散透镜，该多个发散透镜的中心形成一个正多边形，在光出射方向上，该正多边形的几何中心与准直透镜的中心重合。
12.在上述的发光装置中，所述光源包括激光发生器和波长转换装置，该激光发生器发出激光，该激光入射并激发波长转换装置并使其受激发射荧光，该荧光入射于所述透镜系统。
13.本实用新型还提出一种便携照明装置，包括上述的发光装置，还包括结构件和电池，发光装置中的光源和透镜系统都固定于结构件内，电池为发光装置中的光源供电。
14.本实用新型还提出一种车用前照灯，包括上述的发光装置，还包括结构件，发光装置中的光源和透镜系统都固定于结构件内。
15.在本实用新型中，光源发出的第一部分光经过准直透镜的第一区的折射而形成准直光出射，准直光用于实现中心高光强的照明要求。光源发出的第二部分光，如果先经过发散透镜再经过准直透镜的第二区，那么第二部分光先在原方向上被发散透镜发散，这部分发散光在入射于准直透镜的第二区时会以准直方向为中心形成发散光；而如果先经过准直透镜第二区后再经过发散透镜，则第二部分光经过准直透镜第二区的折射后准直出射，再被发散透镜以准直方向为中心形成发散光，总之第二部分光会在准直透镜第二区和发散透镜的共同作用下形成以准直方向为中心的发散光。这样，该以准直方向为中心的发散光用于实现近处大范围的照明要求。这样就解决了传统方案中两者不能兼顾的问题。
附图说明
16.图1表示了现有技术中高光强的发光装置的光路示意图；
17.图2a、2b分别表示本实用新型第一实施例正视和俯视两个方向上的示意图；
18.图2c表示第一实施例中发散透镜对光的发散能力示意图；
19.图2d表示了本实用新型第一实施例的光斑效果示意图；
20.图3a和3b分别表示本实用新型另一个实施例在正视和俯视两个方向上的示意图；
21.图3c表示图3a所示的实施例中发散透镜对光的发散能力示意图；
22.图4表示了本实用新型另一个实施例的俯视示意图；
23.图5a和5b分别表示本实用新型另一个实施例在正视和俯视两个方向上的示意图；
24.图6a、6b和6c分别表示本实用新型另一个实施例在三个方向上的示意图；
25.图6d和6e表示图6a所示的实施例的两种可能的光斑效果示意图；
26.图7表示本实用新型另一个实施例的正视示意图。
具体实施方式
27.本实用新型提出一种发光装置，其正视图和俯视图示意图如图2a和2b所示。该发光装置包括光源201和透镜系统，该透镜系统包括准直透镜202和发散透镜203，准直透镜202用于将从其焦点发出的光折射并形成准直出射，准直透镜包括第一区202a和第二区202b，准直透镜的第一区202a和第二区202b具有共同的焦点，该焦点与光源201的发光点相
重合。发散透镜203能够将入射的平行光束透射传播并使其以原方向为光轴发生光扩散。光源201发出的光包括第一部分光221a和第二部分光221b，其中，第一部分光221a入射于准直透镜的第一区202a并被第一区202a折射形成准直光222a出射。第二部分光221b先入射于发散透镜203并穿过发散透镜203后再入射于准直透镜的第二区202b，并被第二区202b折射形成发散光222b出射。
28.图2c表示了在本实施例中发散透镜203对光的发散能力的示意图。在本实施例中，发散透镜203为凸透镜。如图所示，从发散透镜203左侧入射的平行光束由5根平行光线281-285表示，其中光线283穿过发散透镜203的中心。根据透镜的工作原理可知，穿过透镜中心的光线283不改变方向而沿原方向传播形成出射光线293。同时，光线281、282、284、285会与283一起汇聚于发散透镜203的焦点处，然后从该焦点开始发散的传播，其中光线281向下偏折形成出射光线291，与之对称的是光线285向上偏折形成出射光线295；光线282向下偏折形成出射光线292，与之对称的是光线284向上偏折形成出射光线294。因此可以看出，该凸透镜203能够将入射的平行光束透射传播并使其以原方向(在图中即为向右，即光线283和光线293的传播方向)为光轴发生光扩散。在实际应用中，不仅凸透镜可以实现这样的功能，凹透镜、凸柱面镜、凹柱面镜只要经过合理的设计，也可以实现这样的功能，这在后面的实施例中会有描述。另外，非球面透镜、菲涅尔透镜等其他透镜只要经过合理的设计，也可以实现类似的功能，这都属于本实用新型的保护范围，这里就不一一举例说明。
29.下面详细解释本实施例的工作原理。准直透镜202包括第一区202a和第二区202b，准直透镜202的第一区202a和第二区202b具有共同的焦点，该焦点与光源201的发光点相重合，因此光源201发出的第一部分光221a在经过准直透镜第一区202a的折射后会形成准直光222a出射。这部分光由于其发光方向准直平行，经过一段距离的传播也很少扩散，因此在远场形成一个高亮的中心光斑，如图2d中的光斑242a所示，图2d表示了本实施例的发光装置在远场形成的光斑示意图。而对于光源201发出的第二部分光221b，它如果能够直接入射于准直透镜202的第二区202b，也可以形成准直光出射。然而在本实施例中，在入射于准直透镜202的第二区202b之前，第二部分光221b先入射于发散透镜203。发散透镜203不改变第一部分光的传播主方向，但是会将其以传播主方向为中心进行汇聚后发散，因此以传播主方向从发散透镜203出射到准直透镜202的第二区202b的光线相当于没有经过发散透镜203的发散作用，因此仍会被准直透镜202所准直；而其它的被发散透镜203折射而改变方向的光线仍然是以原方向为中心对称分布的，因此这些光线在经过准直透镜202的第二区202b的折射后也会以准直方向为中心形成发散光222b(先汇聚到焦点再从焦点处发散)。也就是说，第二部分光221b在经过发散透镜203和准直透镜202的第二区202b的共同作用后，形成以准直方向为中心的发散光222b，该发散光在远场形成以中心高亮光斑242a为中心(因为中心光斑242a就是准直方向出射光222a形成的)的发散光斑242b。这样，从准直透镜202的第一区202a准直出射的光束222a所形成的高亮光斑242a就可以解决远距离照明的需求，同时，从准直透镜202的第二区202b发散出射的光束222b所形成的发散光斑242b就可以解决近距离大范围照明的需求，同时发散光斑242b以高亮光斑242a为中心，这更方便应用，且符合人们的应用习惯，更容易被市场所接受。
30.在图2a可以看出，发散光222b是从准直透镜内的偏左侧射出的，这给人这样的感觉，就是发散光222b与准直光222a不同心。然而在远场分布中，是否同心主要看发光角度，
在准直透镜的出射面的这样的偏移对远场光分布的影响微乎其微，可以忽略。
31.在本实施例中，准直透镜202的第一区202a和第二区202b是同一个连续平滑曲面的两个部分，这样的好处在于透镜外表美观，且易于设计和加工。
32.本实用新型的第二实施例的发光装置的正视图和俯视图的示意图如图3a和3b所示。与第一实施例不同的是，本实施例中，发光装置包括两个发散透镜303和304，而且这两个发散透镜303和304是凹透镜。首先结合图3c解释一下凹透镜的发散透镜303的工作原理。
33.如图3c所示，从发散透镜303左侧入射的平行光束由5根平行光线381-385表示，其中光线383穿过发散透镜303的中心。根据透镜的工作原理可知，穿过透镜中心的光线383会不改变方向而沿原方向传播形成出射光线393。同时，光线381、382、384、385会与383一起发散，它们的反向延长线汇聚于发散透镜203的虚焦点处(图中虚线表示各光线的反向延长线)，其中光线381向上偏折形成出射光线391，与之对称的是光线385向下偏折形成出射光线395；光线382向上偏折形成出射光线392，与之对称的是光线384向下偏折形成出射光线394。因此可以看出，该凹透镜303能够将入射的平行光束透射传播并使其以原方向(在图中即为向右，即光线383和光线393的传播方向)为光轴发生光扩散。由此可见，本实施例中的凹透镜303与第一实施例中的凸透镜的作用是基本相同的，区别只是在于焦点位置不同。因此在本实施例中，第二部分光321b1和321b2分别经过凹透镜的发散透镜303和304后再分别入射于准直透镜302的第二区302b1和302b2，也会分别形成以准直方向为中心的发散光322b1和322b2。同时与第一实施例相同的，光源301发出的第一部分光321a直接入射于准直透镜302的第一区302a并被其折射形成准直出射光322a。
34.与第一实施例不同的是，本实施例的发光装置的透镜系统包括两个发散透镜303和304，而在光出射方向上(即俯视方向上，参考图3b)，该两个发散透镜303和304的中心关于准直透镜的中心对称。这样的好处在于，单一一个散发透镜所形成的的发散光由于设计误差和加工误差的存在容易发生偏心的现象，即发散光的中心与准直光的中心不重合，这样影响使用效果，也不符合人们的使用习惯。而对称放置的两个发散透镜，即使单独一个发出的发散光有偏心的现象，那么两个对称放置的发散透镜发出的两束发散光就会相互抵消而形成与准直光更为同心的发散光斑。
35.推而广之的，发光装置的透镜系统还可以包括多个发散透镜，其俯视图如图4所示。该多个发散透镜403-406的中心形成一个正多边形(在本实施例中为正四边形)，在光出射方向上，该正多边形的几何中心与准直透镜402的中心重合。这样可以形成更加中心对称的发散光斑。
36.本实用新型的另一个实施例的发光装置的正视图和俯视图的示意图如图5a和5b所示。与图3a所示的实施例的区别在于，本实施例中的发散透镜503包含7个凹透镜(图中503a和503d表示其中两个)，且这7个凹透镜为一体成型的，发散透镜503的中心区域为透明平板503x。该7个凹透镜的中心形成一个正七边形，其对应的准直透镜502的第二区可以相互接触的围成一个圆周，该正七边形的几何中心与准直透镜503的中心重合，这样可以形成更加中心对称的发散光斑。七个凹透镜为一体成型的形成发散透镜503，更方便加工。另外，光源发出的第一部分光会先经过发散透镜503的中心平板区域503x后再入射于准直透镜502的第一区，由于透明平板503x不改变光线的传播方向，因此第一部分光在透射透明平板503x后入射于准直透镜502仍然会被准直透镜502所准直并形成准直光。
37.本实用新型发光装置的另一个实施例在三个方向上的结构示意图如图6a、6b和6c所示，其中，图6a表示的是x-z平面上的正视图，图6b表示的是y-z平面上的侧视图，图6c表示的是x-y平面上的俯视图。该发光装置包括光源601和透镜系统，该透镜系统包括准直透镜602和发散透镜603，其中，准直透镜602包括第一区602a和第二区602b。光源601发出的光包括第一部分光621a和第二部分光621b，其中，第一部分光621a入射于准直透镜602的第一区602a并被第一区602a折射形成准直光622a出射；第二部分光621b先入射于发散透镜603并穿过发散透镜603后再入射于准直透镜602的第二区602b，并被第二区602b折射形成发散光出射622b。
38.与前述实施例不同的是，在本实施例中，发散透镜603是凸柱面镜，其凸柱面的截面形状如图6a中的603所示，而在侧视图6b中发散透镜603的截面形状为一个长方形，也就是说，发散透镜603对光线在x方向上有汇聚作用，在y方向上则没有汇聚作用且也没有任何其他扭转作用。
39.接下来我们分析准直透镜602和发散透镜603是如何对光源601发出的光产生作用的。
40.光源601发出的第一部分光621a入射于准直透镜602的第一区602a并被第一区602a折射形成准直光622a出射。光源601发出的第二部分光621b则先入射于发散透镜603并穿过发散透镜603后再入射于准直透镜602的第二区602b，我们重点分析一下第二部分光621b是如何传播的。如图6a所示，在x方向上，光线621b会被柱面镜603汇聚后再入射于准直透镜602的第二区602b，与第一实施例相近的，那么此时在x方向上，光线622b会在x方向上汇聚成接近一点后再次发散形成发散光，且该发散光以准直方向为中心。同时，如图6b所示，柱面镜603在y方向上是没有曲面的，也就是对光线在y方向上是没有任何扭转作用的，因此在y方向上，光线621b没有被柱面镜603所扭转而入射于准直透镜602的第二区602b，因此从第二区602b出射的光线622b在y方向上仍然是只受第二区602b的折射作用而形成准直的平行光出射。综上所述，从准直透镜602的第二区602b出射的光线622b在x方向上是发散的，在y方向上平行出射的，因此光线622b在远场会形成一个长条形的光斑642b(如图6d所示)，这个光斑的长轴与x方向平行，短轴与y方向平行，且该长条光斑的中心对应于准直光的出射方向。总的来说，第二部分光621b先后经过发散透镜603和准直透镜602的第二区602b的作用后形成了发散的光线622b，只是光线622b的发散是集中于x方向的。值得注意的是，在本实用新型中，即使光线622b在y方向没有发散，只在x方向发散，我们也称之为是发散的光线，因为它并不是平行出射的准直光，即只要在一个方向上发散它就被称为发散光。
41.图6c是本实施例的俯视图，我们可以看到在本实施例中发散透镜603的俯视图是正方形的，准直透镜602的两个第一区602a和第二区602b由于是连续光滑的，因此两个区的分界线实际上是由发散透镜603所定义的：经过发散透镜603后的光线入射于准直透镜的区域就是准直透镜的第二区，没有经过发散透镜603的扭转的光直接入射于准直透镜的区域就是准直透镜的第一区。
42.从准直透镜出射的光线622a和622b在远场形成的光斑的示意图如图6d所示。光源601发出的第一部分光621a所形成的出射光622a是准直出射的平行光，这些光经过传播后在远处仍然很少发散，从而在中心形成高亮度的光斑642a；同时，光源601发出的第二部分光621b所形成的出射光622b在远处形成一个长条形光斑642b，该长条形光斑的中心与高亮
度光斑642a重合(都是对应于准直出射的方向)。因此，这两部分光就在远处形成一个中心高亮度、同时在x方向上具有更大照射范围的照明光斑。这样的光斑在机动车、摩托车的前照灯照明中具有很好的应用前景，因为它可以实现中心照射距离远，同时在路面上还可以形成横向的(也就是前述的x方向上)比较大的照明范围。
43.在本实施例中，使用了凸柱面镜作为发散透镜；根据光学原理和前述实施例的描述可以知道，使用凹柱面镜作为发散透镜也是可以的。
44.与前述实施例不同的是，在本实施例中，准直透镜602的第二区602b位于准直透镜602的中心区域，准直透镜的第二区的中心与准直透镜的中心相重合。根据上面的描述可知，光源601发出的第一部分光621a是大角度光，第二部分光621b是小角度光，与之相对应的是，准直透镜602的第一区602a包围准直透镜的第二区602b。也就是说，准直透镜602的外围区域602a，作用于光源601发出的大角度光并用于形成准直的平行光；准直透镜602的中心区域602b和发散透镜603，共同作用于光源601发出的小角度光并用于形成发散光。这样的好处在于，所形成的准直光束622a的光强更高。根据光学扩展量守恒定律，光学系统的有效口径越大，其对光的准直效果越强，因此准直透镜602的外围区域602a相对于其中心区域602b来说具有更强的准直光的能力，所形成的准直光的中心光强更强。
45.在前面的对本实施例的描述中，默认了光源601的发光点形状是圆形的，这时其发出的第一部分光621a所形成的高亮光斑642a也是圆形的，该光斑基本上发光点形状在远处的成像。显然，发光点光斑也可以是长条形的，该长条形的长轴方向也为x方向，即与柱面镜的柱面的轴的方向相正交的方向，这时所形成的高亮光斑643a也是长条形的，该长条形高亮光斑643a的长轴方向与发散光斑643b的长轴方向相同，如图6e所示，它与发散光斑643b叠加形成的长条形光斑在x方向上更加均匀，即中心区域的照明均匀性更好。
46.本实用新型的另一个实施例的示意图如图7所示。在上述实施例中，第二部分光都是先经过发散透镜后再入射于准直透镜的，而在本实施例中，第二部分光721b先经过准直透镜702的第二区702b的准直后，再入射于发散透镜703的。在上述实施例中，准直透镜的第一区和第二区是同一个连续平滑曲面的两个部分，这样的优势在于透镜外观美观，但劣势在于准直透镜的厚度比较厚；在本实施例中，准直透镜702的第一区702a和702b是不连续的曲面，第二区702b位于准直透镜702的中心区域，第一区702a则包围在第二区702b的周围，第二区702b的曲面相对于第一区702a的曲面是下沉的，因此厚度比较小。值得注意的是，只要第一区和第二区具有共同的焦点，且焦点与光源的发光点相重合，就是可以实现本实用新型的有益效果的。下面描述本实施例中的工作原理。
47.在本实施例中，光源701发出的第一部分光721a和第二部分光721b都是直接入射于准直透镜的，并且分别被准直透镜702的第一区702a和第二区702b所准直出射。发散透镜703被放置于准直透镜702的光路后端，发散透镜703包括中心区域的凸透镜703b和与703b相连的外圈透明平板703a，透明平板703a为了方便发散透镜703的固定，同时发散透镜703也构成了整个发光装置的出光口保护板。第一部分光721a经过准直透镜702的第一区702a的折射并准直出射后，垂直入射于透明平板703a，根据光学原理，透明平板703a不改变该入射光的方向，因此准直出射光722a从透明平板703a出射，并在远场形成中心高亮度的光斑。同时，第二部分光721b经过准直透镜702的第二区702b的折射并准直出射后，垂直入射于凸透镜703b。参考图2c及其描述可知，第二部分光会透射该凸透镜703b并形成以准直方向(原
入射方向)为中心的发散光(先汇聚再发散)，该发散光在远场形成以准直的高亮度光斑为中心的圆形发散光斑，以满足大面积照明的需求。可以理解，发散透镜703的中心区域采用凹透镜或者其他种类透镜也是可以的。
48.根据对上述实施例的描述容易理解的是，光源的光分成第一部分光和第二部分光，第一部分光用于形成准直光出射，第二部分光用于形成发散光出射；如果总能量不变，第一部分光的比例越大，则准直光的光强越强，第二部分光的比例越大，则用于照明大范围的发散光的照度越高。进一步的，在本实施例中，发散透镜703中的凸透镜703b的面积越大，也就决定了第二部分光的比例越高，而发散透镜703中的凸透镜703b的面积越小，第二部分光的比例越低。在其他实施例中也是如此。因此，在实际应用中，可以通过改变发散透镜的尺寸，来调节出射光中准直光与发散光的能量比例。
49.在上述实施例中，并没有描述光源的原理，这是因为本实用新型的发光装置并不限制光源的种类，例如led光源就可以作为本实用新型中的光源。更加优选的，光源包括激光发生器和波长转换装置，该激光发生器发出激光，该激光入射并激发波长转换装置并使其受激发射荧光，该荧光入射于透镜系统。激光发生器可以产生很小的光斑，该光斑经过波长转换装置的转换后可以形成高亮度的发光光斑，这对于形成高亮度的中心光斑是很有帮助的。
50.进一步的，本实用新型还提出一种便携照明装置，包括上述的发光装置，还包括结构件和电池，发光装置中的光源和透镜系统都固定于结构件内，电池为发光装置中的光源供电。例如手电、手持式搜索灯和探照灯，都属于便携照明装置。
51.本实用新型还提出一种车用前照灯，包括上述的发光装置，还包括结构件，发光装置中的光源和透镜系统都固定于结构件内。车用前照灯包括汽车用的前照灯，也包括工程车、摩托车用的前照灯等等。
52.以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。