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，该透镜系统包括第一透镜和第二透镜，其中，第一透镜包括位于其中心区域的第二区和围绕在第二区周围的第一区；光源发出的光包括第一部分光和第二部分光，第二部分光的光出射角度小于第一部分光的光出射角度。其中，第一部分光入射于第一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第二透镜并穿过第二透镜后再入射于第一透镜的第二区，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第一透镜的第二区并穿过第二区后再入射于第二透镜，并被第二透镜折射形成发散光出射。
6.本实用新型提出的发光装置中，第一透镜的第二区的中心与第一透镜的中心相重合。
7.本实用新型提出的发光装置中，第一透镜的表面是一个连续平滑曲面，第一透镜的第一区和第二区分别是这个连续平滑曲面的两个部分。
8.本实用新型提出的发光装置中，第一区和第二区的焦点相重合。
9.本实用新型提出的发光装置中，第二透镜是柱面镜。
10.本实用新型提出的发光装置中，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。
11.本实用新型提出的发光装置中，第二透镜是轴对称的。
12.本实用新型提出的发光装置中，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第一透镜的第一区的折射而形成准直光出射，同时光源发出的第二部分光经过第一透镜第二区和第二透镜的共同作用而形成发散光出射，这样，准直光用于实现中心高光强的照明要求，发散光则用于实现近处大范围的照明要求，解决了传统方案中两者不能兼顾的问题。由于发散光的形成是第一透镜第二区和第二透镜共同作用的结果，第一透镜第二区和第二透镜就有更多的设计自由度来实现发散光的光分布，也就是设计复杂度更低，设计成本和制造成本更低。
16.第一透镜的第二区位于其中心区域，第一区围绕在第二区周围。也就是说，第一透镜的外围区域作用于光源发出的大角度光并用于形成准直的平行光；第一透镜的中心区域和第二透镜共同作用于光源发出的小角度光并用于形成发散光。这样的好处在于：
17.第一，所形成的准直光束光强更高。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，因此第一透镜的外围区域(第一区)相对于其中心区域(第二区)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。
18.第二，另一方面，第一透镜的中心区域(第二区)和第二透镜共同作用于位于中心的小角度光，这样形成的光束在中心角度不易形成暗斑，也就是所形成的发散出射光不会由于过度发散而中心光强过低而形成暗心。这样也就避免了在远处准直高亮度光斑与发散光斑在衔接区域有明显的暗区而严重影响照明效果。
附图说明
19.图1表示了现有技术中高光强的发光装置的光路示意图；
20.图2a、2b和2c分别表示本实用新型第一实施例在三个方向上的示意图；
21.图2d和2e表示了本实用新型第一实施例的两种可能的光斑效果示意图；
22.图3a和3b分别表示本实用新型另一个实施例在两个方向上的示意图；
23.图3c表示图3a所示的实施例的光斑效果示意图；
24.图4表示了本实用新型另一个实施例的光路示意图。
具体实施方式
25.本实用新型提出的发光装置的第一实施例在三个方向上的结构示意图如图2a、2b和2c 所示，其中，图2a表示的是x-z平面上的正视图，图2b表示的是y-z平面上的侧视图，图 2c表示的是x-y平面上的俯视图。该发光装置包括光源201和和透镜系统，该透镜系统包括第一透镜202和第二透镜203，其中，第一透镜202包括位于其中心区域的第二区202b 和围
绕在第二区202b周围的第一区202a。光源201发出的光包括第一部分光221a和第二部分光221b，第二部分光221b的光出射角度小于第一部分光221a的光出射角度，也就是说第二部分光221b是光源201出射光中的小角度光，第一部分光221a是光源201出射光中的大角度光。其中，第一部分光221a入射于第一透镜202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先入射于第二透镜203并穿过第二透镜203 后再入射于第一透镜202的第二区202b，并被第二区202b折射形成发散光出射222b。
26.具体而言，在本实施例中，第一透镜202是一个表面连续、平滑的双面凸透镜，第一透镜202的第一区202a和第二区202b是这个连续平滑曲面的两个部分。这样的好处是，第一透镜202的外观是一个光滑的整体，一方面这保证了其对光的作用是连续的，也就是形成的光分布是连续的，另一方面也有更美观的外形。
27.更为优选的，在本实施例中第一区202a和第二区202b的焦点相重合。第一透镜202 的第一区202a被设计成以光源201的发光点为焦点，从而使得由光源201发出的第一部分光221a入射于第一区202a后会被第一区202a折射形成准直光222a出射，因此，第二区 202b也是以光源201的发光点为焦点的，也就是说，如果光源201发出的光直接入射于第一透镜202的第二区202b，也可以形成准直光出射的。这样，整个透镜202就是以光源201 的发光点为焦点的准直透镜，光源201发出的光直接入射于透镜202时就会形成一束准直的平行光出射。
28.在本实施例中，第二透镜203是凸柱面镜，其凸柱面的截面形状如图2a中的203所示，而在侧视图2b中第二透镜203的截面形状为一个长方形，也就是说，第二透镜203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。
29.接下来我们分析第一透镜202和第二透镜203是如何对光源201发出的光产生作用的。
30.光源201发出的第一部分光221a入射于第一透镜202的第一区202a并被第一区202a 折射形成准直光222a出射；光源201发出的第二部分光221b则先入射于第二透镜203并穿过第二透镜203后再入射于第一透镜202的第二区202b，我们重点分析一下第二部分光221b 是如何传播的。如图2a所示，在x方向上，光线221b会被柱面镜203汇聚后在入射于透镜 202的第二区202b，由于透镜202的第二区202b是以光源201的发光点为焦点的，也就是说，如果光源201发出的光直接入射于第一透镜202的第二区202b，也可以形成准直的平行光出射，那么由于从光源201发出的第二部分光221b在入射于第二透镜202的第二区202b 之前先经过柱面镜203汇聚过，那么此时在x方向上，从第二透镜202的第二区202b出射的光线222b就是汇聚的，由于光线是直线传播的，光线222b会在x方向上汇聚成接近一点后再次发散形成发散光。同时，如图2b所示，柱面镜203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221b没有被柱面镜203 所扭转而入射于第一透镜202的第二区202b，因此从第二区202b出射的光线222b在y方向上仍然是只受第二区202b的折射作用而形成准直的平行光出射。综上所述，从第一透镜 202的第二区202b出射的光线222b在x方向上是发散的，在y方向上平行出射的，因此光线222b在远场会形成一个长条形的光斑242b(如图2d所示)，这个光斑的长轴与x方向平行，短轴与y方向平行。总的来说，第二部分光221b先后经过第二透镜203和第一透镜202 的第二区202b的作用后形成了发散的光线222b，只是光线222b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222b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。
31.图2c是本实施例的俯视图，我们可以看到在本实施例中第二透镜203的俯视图是正方形的，第一透镜202的两个第一区202a和第二区202b由于是连续光滑的，因此两个区的分界线实际上是由第二透镜203所定义的：经过第二透镜203后的光线入射于第一透镜的区域就是第一透镜的第二区，没有经过第二透镜203的扭转的光直接入射于第一透镜的区域就是第一透镜的第一区。
32.从第一透镜出射的光线222a和222b在远场形成的光斑的示意图如图2d所示。光源201 发出的第一部分光221a所形成的出射光222a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242a；同时，光源201发出的第二部分光 221b所形成的出射光222b在远处形成一个长条形光斑242b，该长条形光斑的中心与高亮度光斑242a重合。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。
33.在本实施例中，光源201发出的第一部分光221a经过第一透镜202的第一区202a的折射而形成准直光222a出射，同时光源发出的第二部分光221b经过第二透镜203和第一透镜第二区202b的共同作用而形成发散光出射，这样，准直光用于实现中心高光强的照明要求，发散光则用于实现近处大范围的照明要求，解决了传统方案中两者不能兼顾的问题。由于发散光的形成是第一透镜第二区和第二透镜共同作用的结果，第一透镜第二区和第二透镜就有更多的设计自由度来实现发散光的光分布，也就是设计复杂度更低，设计成本更低。例如在本实施例中，就采用了第一透镜的第二区是准直透镜、第二透镜是柱面镜的设计来实现在x 方向上发散、在y方向上平行出射的发散光效果，从而在远处实现长条形光斑的照明效果。
34.在本实施例中，光源201发出的第一部分光221a是大角度光，第二部分光221b是小角度光，与之相对应的是，第一透镜202的第二区202b位于其中心区域，第一透镜202的第一区202a围绕在第二区202b周围。也就是说，第一透镜202的外围区域202a，作用于光源201发出的大角度光并用于形成准直的平行光；第一透镜202的中心区域202b和第二透镜203，共同作用于光源201发出的小角度光并用于形成发散光。这样的好处在于:
35.一.所形成的准直光束222a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，因此第一透镜202的外围区域202a相对于其中心区域202b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。
36.二.第一透镜202的中心区域202b和第二透镜203共同作用于位于中心的小角度光，这样形成的光束在中心角度不易形成暗斑，也就是所形成的发散出射光222b 不会由于过度发散而中心光强过低而形成暗心。这样也就避免了在远处准直高亮度光斑242a与发散光斑242b在衔接区域有明显的暗区而严重影响照明效果。
37.因此更加优选的，第一透镜202的第二区202b的中心与第一透镜202的中心相重合，即第二区202b位于透镜系统的中心光路上，这样更有利于形成对称性好的发散光光形。
38.在前面的对本实施例的描述中，默认了光源201的发光点形状是圆形的，这时其发
出的第一部分光221a所形成的高亮光斑242a也是圆形的，该光斑基本上是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243a也是长条形的，该长条形高亮度光斑的长轴方向与发散光斑的长轴方向相同，如图2e所示，它与发散光斑243b 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。
39.根据上述对第一实施例的描述容易理解的是，光源201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，第二透镜203的面积越大，也就决定了第二部分光的比例越高，而第二透镜203的面积越小，第二部分光的比例越低。因此，在实际应用中，可以通过改变第二透镜203的尺寸，来调节出射光中准直光与发散光的能量比例。
40.本实用新型提出的另一个实施例的正式图如图3a所示，其俯视图如图3b所示，其在远场形成的光斑的示意图如图3c所示。本实施例与第一实施例有以下不同点：
41.一.第一透镜302的表面不是一个表面连续、平滑的曲面，第一透镜202的第一区202a 是一个曲面，第二区202b则是平面，两者的交界处不是平滑的；
42.二.第二透镜303分为两部分，其中心区域部分303b为轴对称的凹透镜，俯视图为圆形；第二透镜303还包括透明的支架303a，其俯视图也是圆形，用于支撑凹透镜 303b；
43.三.光源301发出的光分为第一部分光321a和第二部分光321b，其中第一部分光321a 穿过透明支架303a后到达第一透镜的第一区302a。
44.下面分析本实施例的工作原理。在本实施例中，透明支架303a是透明的平板，光源301 发出的第一部分光321a先透射透明平板303a后再入射于第一透镜的第一区302a。第一透镜的第一区设计成准直透镜，由于透明平板本身对透射的光线没有弯折作用，因此只要将第一区302a设计成焦点位于光源301的发光点上，就可以实现利用第一区302a将第一部分光 321a准直出射的目的，形成准直出射光322a，并在远场形成高亮度光斑342a。与第一实施例相比，在第一实施例中第一部分光没有经过第二透镜而直接入射于第一透镜的第一区，在本实施例中第一部分光穿过了第二透镜的透明支架后入射于第一透镜的第一区，这两者虽然有区别，但其本质是相同的，就是利用第一透镜的第一区将第一部分光进行准直出射并在远场形成中心高亮度光斑。更推而广之的，第一部分光无论在第二透镜有没有被弯折，只要利用第二透镜和第一透镜的第一区可以实现将其准直的目的，就可以实现本实用新型的目的。因此本实用新型并不限制第二透镜对第一部分光是否发生作用，如果第一部分光透射了第二透镜和第一透镜的第一区，那么第二透镜和第一透镜的第一区就可以设计成两者共同作用将第一部分光折射并准直出射，而如果第一部分光没有透射第二透镜而直接入射于第一透镜的第一区，那么第一透镜的第一区就设计成直接将该第一部分光折射并准直出射。因此，第一部分光只要入射于第一透镜的第一区并最终经过折射而准直出射，就是本实用新型的保护范围。
45.在本实施例中，光源301发出的第二部分光321b先入射于第二透镜中的凹透镜部分 303b，由于凹透镜对入射光有发散作用，因此第二部分光321b的发散角进一步增大，并入射于第一透镜302的第二区302b。在本实施例中，第一透镜302的第二区302b是平面，入射
的第二部分光在第二区的两个平面表面折射后没有改变方向，出射成为发散光322b。由于第二透镜的凹透镜部分303b是轴对称的，因此发散光322b也是轴对称的，它在远场形成圆形的发散光斑342b。进一步的，第二透镜303中心的法平面垂直于光源301发出的光的光轴，因此中心光不会被发散，该中心光会垂直的透射第一透镜的第二区302b的平面而保持方向不变的出射，从而保证发散光斑342b的中心是有光的，避免了与高亮度光斑342a 之间出现暗区的不良照明效果。
46.与第一实施例相比，在第一实施例中的第二透镜使用了凸面的柱面镜，利用凸柱面镜与第一透镜的第二区的共同作用实现了出射光在一个方向上发散、另一个垂直方向上平行出射的效果，并在远场形成一个长条形的发散光斑。在本实施例中，第二透镜使用了轴对称的凹透镜，利用了凹透镜本身的对光线的发散作用，实现了在远场形成一个圆形发散光斑的效果。可见，只要保证第一透镜的第二区位于第一透镜的中心区域，第二透镜放置于与之相对应的位置，经过合理的设计，就可以实现中心不存在暗区的发散光的效果。容易理解，第一实施例中的凸柱面镜也可以改成凹柱面镜，这样可以实现相同的长条形的发散光斑；凸柱面镜也可以改成凸或凹的球面镜，这样可以实现圆形的发散光斑。
47.在以上两个实施例中，第二部分光都是先入射于第二透镜后再入射于第一透镜的第二区的，在以下实施例中这一点发生了变化。本实用新型还提出另一个实施例，其结构示意图如图4所示。与第一实施例不同的是，在本实施例中，光源发出的第二部分光421b先入射于第一透镜的第二区，根据第一实施例的描述可知，该第二部分光421b会被第一透镜的第二区准直并形成准直光，再出射到第一透镜403。在本实施例中，第一透镜403包括中心区域的轴对称的凸透镜403b，以及用于支撑凸透镜403b的透明支架403a，该透明支架是一个透明平板。第一透镜同时也承担了该发光装置的出光口的作用。在本实施例中，从第一透镜 402出射的被准直的第二部分光421b入射于第二透镜的中心区域的凸透镜403b上，会被该凸透镜403b汇聚形成出射光束422b，该出射光束422b在汇聚到接近一个点后发散，形成发散的出射光，并在远场形成圆形的发散光斑。
48.容易理解，在本实施例中，第二透镜的中心区域也可以是凹透镜，第一透镜的第二区也可以不将第二部分光准直出射，只要保证第一透镜的第二区位于第一透镜的中心区域，第二透镜放置于与之相对应的位置，无论第二部分光先经过第一透镜还是先经过第二透镜，经过合理的设计，都可以实现中心不存在暗区的发散光的效果。
49.在以上实施例中，并没有介绍光源的结构。本实用新型的光源可以采用led光源，也可以采用基于激光的高亮度光源。优选的，该高亮度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。由于激光可以发出高亮度的激发光，因此荧光的发光亮度也很高，这样有利于实现的中心亮度更高的照明光。利用本实用新型的透镜系统，在利用激光光源实现高亮度的同时，还可以实现大范围的发散光照明，这样对满足实际的照明需求是非常好的。
50.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。便携照明装置包括且不限于手电、搜索灯等应用场合。
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。车用前照灯包括且不限于汽车前照灯、摩托车
前照灯等车用照明应用场合。
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。