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CN119630924A - 照明光学系统 - Google Patents

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CN119630924A
CN119630924A CN202380030379.8A CN202380030379A CN119630924A CN 119630924 A CN119630924 A CN 119630924A CN 202380030379 A CN202380030379 A CN 202380030379A CN 119630924 A CN119630924 A CN 119630924A
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CN
China
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optical system
lens
illumination
illumination optical
refractive power
Prior art date
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Application number
CN202380030379.8A
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English (en)
Inventor
猪股亨
桑垣内智仁
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Nalux Co Ltd
Original Assignee
Nalux Co Ltd
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Publication date
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Abstract

本发明的照明光学系统从照明对象侧依次具有第一透镜、第二透镜以及第三透镜，该第一透镜具有正的屈光力，该第二透镜具有负的屈光力，该第三透镜具有正的屈光力。在将该照明光学系统视为针对从照明对象侧入射的光束的成像光学系统的情况下，将合成焦距设为f毫米、将合成屈光力设为Pt＝1/f、将3个透镜各自的面从照明对象侧起设为第一面至第六面，将第五面的屈光力设为P5、将第二透镜的中心厚度设为L2，则满足以下的式子：1.3＜P5/Pt0.1＜L2/f＜0.25。

Description

照明光学系统
技术领域
本发明涉及在车辆的头灯等中使用的照明光学系统。
背景技术
近年来，在车辆用的头灯中开发了ADB(Adaptive Driving Beam：自适应驾驶光束)配光控制用的照明光学系统(专利文献1)。在ADB配光控制中，根据车辆前方的其他车辆等的状况，单独地控制作为光源而配置的多个LED(发光二极管)，从而控制照射对象区域和照射强度等。因此，在ADB配光控制中，要求能够单独地控制各个LED的照射区域。因此，在照明光学系统中，需要尽可能地减少作为照射不希望的区域的现象的耀斑。另外，优选照明光学系统是明亮的。
因此，在车辆的头灯等领域中，存在对明亮且耀斑小的照明光学系统的需求。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2019-573638(日本特许002897)
发明内容
发明要解决的课题
本发明的技术课题在于提供明亮且耀斑小的照明光学系统。
用于解决课题的手段
本发明的照明光学系统从照明对象侧依次具有第一透镜、第二透镜以及第三透镜，该第一透镜具有正的屈光力，该第二透镜具有负的屈光力，该第三透镜具有正的屈光力。在将该照明光学系统视为针对从照明对象侧入射的光束的成像光学系统的情况下，将合成焦距设为f毫米、将合成屈光力设为Pt＝1/f、将3个透镜各自的面从照明对象侧起设为第一面至第六面，将第五面的屈光力设为P5、将第二透镜的中心厚度设为L2，则满足以下的式子：
1.3＜P5/Pt
0.1＜L2/f＜0.25。
根据本发明，将照明光学系统视为针对从照明对象侧入射的光束的成像光学系统时的彗差减少，与彗差对应的照明光学系统的耀斑减少。
在本发明的第一实施方式的照明光学系统中，在将该照明光学系统视为针对从照明对象侧入射的光束的成像光学系统的情况下，以相对于光轴的角度为25度入射到该第一透镜的照明对象侧的面的光束的光线中的到达像面的光线的比例为14％至20％的范围。
在本发明的第二实施方式的照明光学系统中，在将该照明光学系统视为针对从照明对象侧入射的光束的成像光学系统的情况下，将F值设为F，则满足以下的式子：
F＜0.7。
根据本实施方式的照明光学系统，能够得到充分的光度。
在本发明的第三实施方式的照明光学系统中，在将该照明光学系统视为针对从照明对象侧入射的光束的成像光学系统的情况下，将以d线(588纳米)为基准的波长0.420微米至0.680微米的光线的轴上色差的焦点移动范围设为c毫米，则满足以下的式子：
c/f＜0.00292。
根据本实施方式的照明光学系统，照射面中的色散降低。
在本发明的第四实施方式的照明光学系统中，在将该照明光学系统视为针对从照明对象侧入射的光束的成像光学系统的情况下，以相对于光轴的角度为20度入射到该第一透镜的照明对象侧的面的光线的畸变是负的，其绝对值为5％以上。
根据本实施方式的照明光学系统，与没有畸变的情况相比，能够照射更大的范围。
在本发明的第五实施方式的照明光学系统中，该第一透镜、该第二透镜、该第三透镜的材料分别是丙烯酸类、聚碳酸酯、丙烯酸类。
根据本实施方式的照明光学系统，通过使3个透镜的材料使用屈光率不同的丙烯酸类和聚碳酸酯，降低将该照明光学系统视为针对从照明对象侧入射的光束的成像光学系统时的轴上色差，由此能够降低照射面中的色散。
在本发明的第三实施方式的照明光学系统中，该第一透镜是双凸透镜，该第二透镜是双凹透镜，该第三透镜是双凸透镜。
附图说明
图1是示出本发明的照明光学系统的一例的图。
图2是示出当与照明光学系统的光轴成25度的角度的平行光束从图1所示的照明光学系统的照明对象侧入射到面S1时的光线的路径的图。
图3是示出入射到光学系统的面S1的与光轴平行的平行光束中的、未发生渐晕而到达包含点O且与光轴垂直的面的光线所通过的面S1的区域的图。
图4是示出入射到光学系统的面S1的与光轴成25度的角度的平行光束中的、未发生渐晕而到达包含点O且与光轴垂直的面的光线所通过的面S1的区域的图。
图5是示出入射到光学系统的面S1的平行光束中的未发生渐晕而到达包含点O且与光轴垂直的面的光线的比例的图。
图6是示出当与照明光学系统的光轴成23度的角度的平行光束从图1所示的照明光学系统的照明对象侧入射到面S1时的光线的路径的图。
图7是示出当与照明光学系统的光轴成23度的角度的平行光束从图1所示的照明光学系统的照明对象侧入射到面S1时的光线的路径的图。
图8是示出当与照明光学系统的光轴成23度的角度的平行光束从比较例的照明光学系统的照明对象侧入射到面S1时的光线的路径的图。
图9是示出基于配置于从点O离开了点O与E”间的距离的x轴上的点的光源的、在与z轴垂直的面上的耀斑的图。
图10是示出使第二透镜的中心厚度变化后的光学系统使与光轴成23度的角度的平行光束入射到4.0毫米的光学系统时的光线的路径的图。
图11是示出使第二透镜的中心厚度变化后的光学系统使与光轴成23度的角度的平行光束入射到5.5毫米的光学系统时的光线的路径的图。
图12是示出使第二透镜的中心厚度变化后的光学系统使与光轴成23度的角度的平行光束入射到8.5毫米的光学系统时的光线的路径的图。
图13是示出将实施例视为成像光学系统时的像面弯曲的图。
图14是示出将实施例视为成像光学系统时的畸变的图。
图15是示出将实施例视为成像光学系统时的轴上色差的图。
具体实施方式
图1是示出本发明的照明光学系统的一例的图。照明光学系统具有第一透镜L1、第二透镜L2以及第三透镜L3，构成为向对象照射在点O具有中心的光源的光。第一透镜L1离照明对象最近，第三透镜L3离光源最近。第一透镜L1、第二透镜L2以及第三透镜L3的照明对象侧的面分别用S1、S3以及S5表示，第一透镜L1、第二透镜L2以及第三透镜L3的光源侧的面分别用S2、S4以及S6表示。照明光学系统以其光轴通过点O的方式配置。图1示出了当与照明光学系统的光轴平行的平行光束从照明光学系统的照明对象侧入射到面S1时的光线的路径。
各个透镜的面由以下的式子表示。
z表示面上的点的、从透镜面的顶点起的沿着光轴的坐标。r表示面上的点距光轴的距离。c表示曲率，k表示圆锥常数，αi表示非球面系数。曲率c的符号在面朝向照明对象侧凸出的情况下确定为正，在朝向照明对象侧凹陷的情况下确定为负。
表1是示出实施例的照明光学系统的透镜的形状、材料以及位置的表。
【表1】
曲率半径是曲率c的倒数。S1行的“厚度或距离”表示第一透镜L1的厚度(中心厚度)，S6行的“厚度或距离”表示从面S6到光源的中心的点O的沿着光轴的距离。
表2是示出各透镜面的非球面系数的值的表。表中未示出的非球面系数的值为0。
【表2】
以下，将图1所示的照明光学系统作为成像光学系统进行研究。如上所述，图1示出了当与照明光学系统的光轴平行的平行光束从照明对象侧入射到面S1时的光线的路径。上述平行光束会聚于点O。
图2是示出当与照明光学系统的光轴成25度的角度的平行光束从图1所示的照明光学系统的照明对象侧入射到面S1时的光线的路径的图。上述平行光束到达包含点O且与光轴垂直的面上的点E的周边。若考虑图1和图2所示的光线的路径，则如果在包含点O且与光轴垂直的面内在距点O的距离为点O与点E的距离以下的范围内配置例如LED(发光二极管)等光源，则推断为能够照射以光源为中心与光轴所成的角度为25度以内的范围。
表3是示出实施例的各透镜面的屈光力和成像光学系统的合成屈光力的表。合成屈光力是成像光学系统的合成焦距的倒数。在表3中，“比率”是指各面的屈光力相对于合成屈光力的比率。成像光学系统的合成焦距为34.697毫米。另外，F值为0.65。通常，F值优选小于0.7。
【表3】
屈光力(1/mm) 比率
合成屈光力 0.029 1
S1 0.0194 0.673
S2 0.0186 0.645
S3 -0.0479 -1.662
S4 -0.0097 -0.337
S5 0.0475 1.648
S6 0.0146 0.507
如表3所示，在本实施例中，面S5的屈光力相对较大。以下说明相对增大面S5的屈光力的理由。
在照明光学系统中，有时产生被称为耀斑的、向不希望的区域的照射。耀斑在要求高精度地确定各个LED的照射位置的ADB配光控制中成为较大的障碍。照明光学系统的耀斑对应于将照明光学系统视为成像光学系统时的彗差。即，视为成像光学系统时的彗差越大，照明光学系统的耀斑越大。因此，为了减少照明光学系统的耀斑，需要减小视为成像光学系统时的彗差。减小彗差的一个方法是通过渐晕来降低与光轴所成的角度比较大的平行光束中的到达包含点O且与光轴垂直的面的光线的比例。
图3是示出入射到光学系统的面S1的与光轴平行的平行光束中的、未发生渐晕而到达包含点O且与光轴垂直的面的光线所通过的面S1的区域的图。图3的左侧的图表示面S1的俯视图，图3的右侧的图与图1同样地表示光学系统的构成路径。根据图3，通过面S1的大致整个区域的光线未发生渐晕而到达包含点O且与光轴垂直的面。图3的右侧的图与图1同样地表示光线的路径。
图4是示出入射到光学系统的面S1的与光轴成25度的角度的平行光束中的、未发生渐晕而到达包含点O且与光轴垂直的面的光线所通过的面S1的区域的图。图4的左侧的图表示面S1的俯视图，图4的右侧的图与图2同样地表示光学系统的构成路径。根据图4，未发生渐晕而到达包含点O且与光轴垂直的面的光线所通过的面S1的区域为整个区域的20％以下。
图5是示出入射到光学系统的面S1的平行光束中的未发生渐晕而到达包含点O且与光轴垂直的面的光线的比例的图。图5的横轴表示平行光束与光轴所成的角度。图5的纵轴表示未发生渐晕而到达包含点O且与光轴垂直的面的光线的比例。根据图5，在平行光束与光轴所成的角度为25度的情况下，未发生渐晕而到达包含点O且与光轴垂直的面的光线的比例约为15％。
如图4所示，在平行光束与光轴所成的角度为25度的情况下，通过减小面S5的曲率半径并增大屈光力，由面S4发散的光线的一部分容易发生渐晕，未发生渐晕而到达包含点O且与光轴垂直的面的光线的比例减少。
通常来说，面S5的屈光力与合成屈光力的比率优选大于1.3。另外，在平行光束与光轴所成的角度为25度的情况下，优选不发生渐晕而到达包含点O且与光轴垂直的面的光线的比例为14％至20％的范围。
表4是示出成像光学系统的各面的各像差的值的表。
【表4】
“合计”是各面的各像差之和，表示成像光学系统整体的像差。根据表4，面S5的像差有助于减小成像光学系统整体的像差。当增大面S5的曲率半径(减小屈光力)时，成像光学系统整体的像差存在变大的倾向。从这一点出发，也优选面S5的屈光力相对于合成屈光力的比率为上述的范围。
图6是示出当与照明光学系统的光轴成23度的角度的平行光束从图1所示的照明光学系统的照明对象侧入射到面S1时的光线的路径的图。上述平行光束到达包含点O且与光轴垂直的面上的点E’的周边。在图6中，以点O为原点，以光学系统的光轴为z轴。x轴是与图6的纸面垂直的方向。
图7是示出基于配置于从点O离开了点O与点E’间的距离的x轴上的点的光源的、在与z轴垂直的面上的耀斑的图。作为一例，光源是发光二极管。图7的横轴表示将从光源射出的光线投射到xz平面而得到的直线与z轴所成的角度。图7的纵轴表示将从光源射出的光线投射到yz平面而得到的直线与z轴所成的角度。
以下，考察其他照明光学系统作为比较例。
表5是示出比较例的照明光学系统的透镜的形状、材料以及位置的表。
【表5】
S1行的“厚度或空间长度”表示第一透镜L1的厚度(中心厚度)，S6行的“厚度或空间长度”表示从面S6到光源的中心的点O的沿着光轴的距离。
表6是示出各透镜面的非球面系数的表。
【表6】
S1 S2 S3 S4 S5 S6
α1 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00
α2 5.158E-06 6.260E-05 3.485E-05 1.201E-06 1.476E-05 1.125E-04
α3 -5.725E-09 -6.779E-08 -4.669E-08 2.152E-08 -7.654E-09 -2.936E-07
α4 1.103E-11 2.656E-11 2.069E-11 1.184E-11 4.666E-11 4.761E-10
表7是示出比较例的各透镜面的屈光力和成像光学系统的合成屈光力的表。合成屈光力是成像光学系统的合成焦距的倒数。成像光学系统的合成焦距为34.799毫米。另外，F值为0.66。
【表7】
屈光力(1/mm) 比率
合成屈光力 0.029 1
S1 0.0195 0.679
S2 0.0225 0.783
S3 -0.0271 -0.943
S4 -0.0404 -1.406
S5 0.048 1.670
S6 0.0224 0.779
图8是示出当与照明光学系统的光轴成23度的角度的平行光束从比较例的照明光学系统的照明对象侧入射到面S1时的光线的路径的图。上述平行光束到达包含点O且与光轴垂直的面上的点E”的周边。在图8中，以点O为原点，以光学系统的光轴为z轴。x轴是与图8的纸面垂直的方向。
图9是示出基于配置于从点O离开了点O与点E”之间的距离的x轴上的点的光源的、在与z轴垂直的面上的耀斑的图。作为一例，光源是发光二极管。图9的横轴表示将从光源射出的光线投射到xz平面而得到的直线与z轴所成的角度。图9的纵轴表示将从光源射出的光线投射到yz平面而得到的直线与z轴所成的角度。
将示出实施例的照明光学系统的耀斑的图7与示出比较例的照明光学系统的耀斑的图9进行比较，在图9中观察到较大的内向性的耀斑。照明光学系统的内向性的耀斑对应于成像光学系统中的外向性的彗差。因此，认为将比较例作为照明光学系统的情况下的彗差没有充分降低。
比较表3和表7，面S5的屈光力大致相同。另一方面，根据表2，实施例的第二透镜的中心厚度为6.992毫米，根据表5，比较例的第二透镜的中心厚度为2.500毫米。
根据图6，在使与光轴成23度的角度的平行光束入射的情况下，在实施例的面S5中，光线入射到比光轴靠上的区域。另一方面，根据图8，在使与光轴成23度的角度的平行光束入射的情况下，在比较例的面S5中，光线入射到比光轴靠上的区域和靠下的区域双方。在比较例中，认为在面S5中入射到比光轴靠上的区域和靠下的区域双方的光线增大彗差。若考虑实施例和比较例的透镜的形状，则认为通过调整第二透镜的中心厚度，在使与光轴成23度的角度的平行光束入射的情况下，能够调整面S5上的光线入射的区域。
因此，对于在实施例的光学系统中使第二透镜的中心厚度变化后的光学系统，求出了使与光轴成23度的角度的平行光束入射时的光线的路径。另外，使第二透镜的中心厚度变化后的光学系统的第二透镜的中心厚度以外的数据与实施例1相同。
图10是示出使第二透镜的中心厚度变化后的光学系统使与光轴成23度的角度的平行光束入射到4.0毫米的光学系统时的光线的路径的图。
图11是示出使第二透镜的中心厚度变化后的光学系统使与光轴成23度的角度的平行光束入射到5.5毫米的光学系统时的光线的路径的图。
图12是示出使第二透镜的中心厚度变化后的光学系统使与光轴成23度的角度的平行光束入射到8.5毫米的光学系统时的光线的路径的图。
根据图10至图12，在使与光轴成23度的角度的平行光束入射的情况下，在各个成像光学系统的面S5中，光线入射到比光轴靠上的区域。因此，认为能够减小彗差。将第二透镜的中心厚度4.0毫米、5.5毫米以及8.5毫米按照实施例的成像光学系统的合成焦距(34.697毫米)来进行标准化后的值为0.115、0.159以及0.245。另一方面，若透镜的中心厚度过大，则制造时的成型时间变大，并且材料费也增加，因此不优选。因此，优选将第二透镜的中心厚度按照成像光学系统的合成焦距来进行标准化后的值为0.1至0.25的范围。
图13是示出将实施例视为成像光学系统时的像面弯曲的图。图13的横轴表示像点的位置的Z轴方向的坐标。坐标的原点为点O，坐标的符号在照明对象侧为负。单位是毫米。图13的纵轴表示入射到面S1的平行光束与光轴所成的角度。单位为度。0.42T表示0.42微米的波长的光束在子午面的像点的位置，0.42S表示0.42微米的波长的光束在弧矢面的像点的位置。0.68T表示0.68微米的波长的光束在子午面的像点的位置，0.68S表示0.68微米的波长的光束在弧矢面的像点的位置。
图14是示出将实施例视为成像光学系统时的畸变的图。畸变是成像光学系统的横倍率相对于理想的透镜的横倍率之比。图14的横轴表示畸变。单位为百分比。图14的纵轴表示入射到面S1的平行光束与光轴所成的角度。单位为度。角度20度时的畸变约为-5％。由于畸变在相对大的角度下为负，因此照明光学系统的照射范围大于畸变为0的理想光学系统的照射范围。
通常来说，入射到面S1的平行光束与光轴所成的角度为20度时的畸变是负的，其绝对值优选为5％以上。
图15是示出将实施例视为成像光学系统时的轴上色差的图。图15的横轴表示像点的位置的Z轴方向的坐标。坐标的原点为点O，坐标的符号在照明对象侧为负。单位为微米。图15的纵轴表示光线的波长。单位为微米。成像光学系统成为以d线(588纳米)为主波长、d线的横轴的坐标与488纳米的波长的光线的横轴的坐标相同的消色差透镜，照明光学系统的照射面上的色散变小。通常来说，为了降低照明光学系统的照射面上的色散，优选在将照明光学系统视为针对从照明对象侧入射的光束的成像光学系统的情况下，将以d线(588纳米)为基准的波长0.420微米至0.680微米的光线的轴上色差的焦点移动范围设为c毫米，满足c/f＜0.00292。

Claims (7)

1.一种照明光学系统，其从照明对象侧依次具有第一透镜、第二透镜以及第三透镜，该第一透镜具有正的屈光力，该第二透镜具有负的屈光力，该第三透镜具有正的屈光力，其中，
在将该照明光学系统视为针对从照明对象侧入射的光束的成像光学系统的情况下，将合成焦距设为f毫米、将合成屈光力设为Pt＝1/f、将3个透镜各自的面从照明对象侧起设为第一面至第六面，将第五面的屈光力设为P5、将第二透镜的中心厚度设为L2，则满足以下的式子：
1.3＜P5/Pt
0.1＜L2/f＜0.25。
2.根据权利要求1所述的照明光学系统，其中，
在将该照明光学系统视为针对从照明对象侧入射的光束的成像光学系统的情况下，以相对于光轴的角度为25度入射到该第一透镜的照明对象侧的面的光束的光线中的到达像面的光线的比例为14％至20％的范围。
3.根据权利要求1所述的照明光学系统，其中，
在将该照明光学系统视为针对从照明对象侧入射的光束的成像光学系统的情况下，将F值设为F，则满足以下的式子：
F＜0.7。
4.根据权利要求1所述的照明光学系统，其中，
在将该照明光学系统视为针对从照明对象侧入射的光束的成像光学系统的情况下，将以d线(588纳米)为基准的波长0.420微米至0.680微米的光线的轴上色差的焦点移动范围设为c毫米，则满足以下的式子：
c/f＜0.00292。
5.根据权利要求1所述的照明光学系统，其中，
在将该照明光学系统视为针对从照明对象侧入射的光束的成像光学系统的情况下，以相对于光轴的角度为20度入射到该第一透镜的照明对象侧的面的光线的畸变是负的，其绝对值为5％以上。
6.根据权利要求1所述的照明光学系统，其中，
该第一透镜、该第二透镜、该第三透镜的材料分别是丙烯酸类、聚碳酸酯、丙烯酸类。
7.根据权利要求1所述的照明光学系统，其中，
该第一透镜是双凸透镜，该第二透镜是双凹透镜，该第三透镜是双凸透镜。
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