專(zhuān)利名稱(chēng)：整體壓制的光準(zhǔn)直器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是關(guān)于照明技術(shù)，更具體地講，是關(guān)于一種整體壓制的光準(zhǔn)直器(燈碗)。
本發(fā)明可以最有效地應(yīng)用在供大量生產(chǎn)的定向照明器件中，例如，汽車(chē)的信號(hào)燈和前燈、交通信號(hào)燈、小功率探照燈、各種用途的攜帶式信號(hào)燈，其中包括可隨身帶的袖珍信號(hào)燈。
光準(zhǔn)直器(燈碗)是各種定向照明器件的最重要的部件，一般采用凹面反射器或聚光透鏡作為光準(zhǔn)直器。此外，還采用包括有反射和折射元件的光準(zhǔn)直器之混合光學(xué)系統(tǒng)。在供大量生產(chǎn)的照明器件中，例如在信號(hào)燈中，如果混合光學(xué)系統(tǒng)可能制成一種整體壓制零件，那么，混合光學(xué)系統(tǒng)的工藝性是最良好的。
光準(zhǔn)直器的優(yōu)點(diǎn)是高的有效作用系數(shù)，相對(duì)小的(與光輸出孔的直徑相比較)軸向尺寸，材料用量不多，免除了鏡面涂復(fù)工藝處理，在整體壓制的光準(zhǔn)直器情況下壓制工藝簡(jiǎn)單(用一道工序直接壓制而成)。把這些優(yōu)點(diǎn)綜合在一個(gè)照明器件上是與器件的(如汽車(chē)燈的)擴(kuò)大生產(chǎn)相關(guān)的技術(shù)問(wèn)題。
美國(guó)專(zhuān)利(US-A-2，254，962)公開(kāi)了一種光準(zhǔn)直器，它具有整體的(整體壓制的)由透光材料制成的光學(xué)部件，該部件由聚光透鏡(折射器)和與透鏡同軸的反射折射圈(反射器)組成，該圈的內(nèi)邊和透鏡的外邊沿緊配合，并包住它。為了保證高的有效作用系數(shù)(大的光源聚集角)，在適度的材料用量的情況下，這樣的光準(zhǔn)直器必須要有小的照明孔直徑(或者為達(dá)到滿(mǎn)意的橫截尺寸時(shí)消耗過(guò)于大量的材料用量)，它只能適合袖珍(小功率)光源，而不可能保證有大的定向輻射光通量。
美國(guó)專(zhuān)利US-A-3，883，733和法國(guó)專(zhuān)利FR-A-2，507，741公開(kāi)了幾種汽車(chē)信號(hào)燈的整體壓制光準(zhǔn)直器，包括了由透光材料制成的共同承載層，其上有軸對(duì)稱(chēng)的折射的和反射折射的元件(菲涅耳cppeHeлb圈)，相應(yīng)地作為折射器和反射器。在適中的材料用量情況下此種光準(zhǔn)直器有足夠大的照明孔，但是，在光學(xué)關(guān)系方面，折射元件和反射元件獨(dú)立起作用，因而US-A-3，883，733公開(kāi)的簡(jiǎn)單壓制的光準(zhǔn)直器不能保證有高的有效作用系數(shù)(聚集光的立體角小)，而FR-A-2507741公開(kāi)的光準(zhǔn)直器有高的有效作用系數(shù)，壓制也簡(jiǎn)單。
在US-A-4，292，664中描述的用于儀器的整體壓制光準(zhǔn)直器是最接近本申請(qǐng)技術(shù)方案的。該光準(zhǔn)直器包括一個(gè)帶圓形軸向孔的凹面反射器，在孔前安置有凸面折射器。該折射器的前部分做成片狀聚光透鏡并安置在反射器軸向孔的前面，折射器的邊緣部分和透鏡與反射器連接從而成為一個(gè)整體的部件，并在光學(xué)上與反射器相關(guān)(光源的光線(xiàn)在射到反射器之前先穿過(guò)折射器的邊緣)。用一道工序直接壓制(沿反射器的軸)光準(zhǔn)直器是可能的，即，使光準(zhǔn)直器前表面上每一點(diǎn)的垂直線(xiàn)在它的軸上有正的投影，而使后表面上每一點(diǎn)的垂直線(xiàn)在它的軸上有負(fù)的投影，則可保證消除負(fù)的鑄型角。在適中的反射器軸向尺寸下，所述光準(zhǔn)直器的光源光通量之利用系數(shù)不大(在那些可以使用它的照明器件中，它將降低該器件的有效作用系數(shù)。因?yàn)楣庠吹墓馔拷^大部分射到折射器的邊緣部而不射到反射器上，并與光準(zhǔn)直器軸呈大角度狀態(tài)射出。
本發(fā)明的基本任務(wù)是提供一種整體壓制的光準(zhǔn)直器，其中折射部分和反射部分之間應(yīng)具有這樣的光學(xué)關(guān)系，即能在保持一道工序直接壓制的可能性情況下，為了達(dá)到增大光源光通量的利用系數(shù)，而不增加光準(zhǔn)直器的軸向尺寸。
提出的任務(wù)是這樣解決的，整體壓制的光準(zhǔn)直器包含有一個(gè)帶軸向孔的凹面反射器，在軸向孔前安置一個(gè)折射器，被反射器包圍的折射器與反射器構(gòu)成一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，同時(shí)，在反射器前表面的每一點(diǎn)上的垂直線(xiàn)在光準(zhǔn)直器軸上有正的投影，而在后表面有負(fù)的投影。按照本發(fā)明，至少折射器的一部分制成環(huán)狀聚光透鏡，它的圓對(duì)稱(chēng)軸與光準(zhǔn)直器的軸重合，而它的縱剖面光學(xué)軸經(jīng)過(guò)光準(zhǔn)直器的焦點(diǎn)與反射器相交，在這種情況下，在環(huán)狀透鏡外表面的任一點(diǎn)上垂直線(xiàn)在光準(zhǔn)直器軸上有正的投影，而垂直線(xiàn)在內(nèi)表面有負(fù)的投影。
整體壓制光準(zhǔn)直器的所述結(jié)構(gòu)由于環(huán)狀透鏡的聚光作用，在不增大軸向尺寸的情況下可以增加它的有效作用系數(shù)，這是因?yàn)榉瓷淦髟龃罅司奂庠吹牡刃ЯⅢw角，並且這種結(jié)構(gòu)有用一道工序直接壓制的可能性。
在準(zhǔn)直器結(jié)構(gòu)的最佳實(shí)施方案中，環(huán)狀透鏡的一部分制成菲涅耳折射圈的形狀，它們從反射器本身方向看位于透鏡承載層的外表面上，而從光準(zhǔn)直器的光出射孔方向看在內(nèi)表面上。在不破壞壓制的簡(jiǎn)單性和不增大光準(zhǔn)直器材料用量的情況下，這種結(jié)構(gòu)可以增加有效作用系數(shù)。
在另一個(gè)實(shí)施方案中光準(zhǔn)直器的折射器包括一個(gè)安置在環(huán)狀透鏡前面的，並與光準(zhǔn)直器同焦點(diǎn)的片狀聚光透鏡，其直徑等于環(huán)狀透鏡前沿的直徑，在這種情況下，環(huán)狀透鏡縱剖面的后部(靠近反射器的部分)制成凸?fàn)?平面形(向光準(zhǔn)直器的焦點(diǎn)凸出)，而其前部制成平面-凸?fàn)钚?，同時(shí)縱剖面的平面部分與光準(zhǔn)直器軸的夾角不大于1°。這樣制成的環(huán)狀透鏡允許不破壞直接壓制的可能性，并借助片狀透鏡幾乎完全覆蓋住反射器空的光孔，因此，可以得到按光準(zhǔn)直器的光出射孔面積而言較為均勻的光分布。
整體壓制光準(zhǔn)直器的另一可能實(shí)施方案是，環(huán)狀透鏡的前部和后部具有不同的屈光力。前部的屈光力大于后部的，在這種情況下環(huán)狀透鏡縱剖面的前部長(zhǎng)度(沿光準(zhǔn)直器軸)比后部的短。在給定的聚焦角和環(huán)狀透鏡的極限厚度下，這樣的實(shí)施方案允許在整體上優(yōu)選反射器和折射器的尺寸參量。
從下面對(duì)實(shí)施例和附圖的詳細(xì)說(shuō)明可以了解本發(fā)明的其他發(fā)明目的和優(yōu)點(diǎn)。


圖1示出根據(jù)本發(fā)明的整體壓制的光準(zhǔn)直器;
圖2是同樣光準(zhǔn)直器的另一實(shí)施方案;
圖3是圖2沿Ⅲ-Ⅲ的剖面圖;
圖4是圖2沿Ⅳ-Ⅳ的剖面圖。
圖1所示光準(zhǔn)直器是由透光塑料或任選顏色的玻璃制成的一個(gè)整體壓制的零件，在它的共同承載層上做成同軸的(OO′軸)凸面(在光輻射方向上)折射器1和與該折射器折邊的凹面反射器2，在OO′軸上它們有一個(gè)共同的焦點(diǎn)F-放置光源的點(diǎn)。折射器1有一個(gè)達(dá)到260°的線(xiàn)性聚集角φ，并由片狀透鏡3和環(huán)狀透鏡4組成，透鏡4的前邊沿與透鏡3的外直徑相吻合，而后邊沿與反射器2的內(nèi)直徑相吻合。透鏡3的光學(xué)軸和透鏡4的圓對(duì)稱(chēng)軸都與OO′軸相重合。透鏡4剖面的光學(xué)軸FQ通過(guò)光準(zhǔn)直器的焦點(diǎn)F，其與OO′軸間的夾角φ約為60°-100°，并與反射器2相交。在大的聚焦角的情況下，利用菲涅耳折射圈5、6可達(dá)到減少透鏡4的材料用量，圈5、6相應(yīng)地分別在承載層內(nèi)表面的前部和在外表面的后部。反射器2由全內(nèi)反射的棱鏡7(菲涅耳折射圈)組成。
透鏡3用作減少?gòu)腇點(diǎn)發(fā)射的光線(xiàn)相對(duì)于軸的發(fā)散的。透鏡4用作把由F點(diǎn)發(fā)射到透鏡4上的光線(xiàn)聚焦到反射器2上。假如距離FQ(即由F點(diǎn)發(fā)射的光線(xiàn)在通過(guò)折射透鏡4之后平行于由環(huán)繞OO′軸旋轉(zhuǎn)FQ軸所形成的零偏差圓錐形表面)，那么，反射器2的承載層應(yīng)有一個(gè)含圓錐角為 (φ)/2 的截頭圓錐體之側(cè)表面的形式。反射折射圈7在橫截面上是等腰三角形的形狀，它們的底邊與承載層相連接，承載層的后表面為圈7的全內(nèi)反射表面。三角形的側(cè)邊構(gòu)成圈7的入射和出射的折射邊界，并由基本角 (φ)/2 -δ組成，其中δ由下式確定其值的范圍
式中n-折射率不等式(1)左邊部分指出要工藝上考慮壓模的成型部分不應(yīng)該有傾角，即在反射器2前表面上任一點(diǎn)上的垂直線(xiàn)N應(yīng)該有相同的符號(hào)-在OO′軸上都是正投影(在后表面上-都是負(fù)投影)。不等式的右邊部分是下述要求的結(jié)果，要使入射到圈7的反射邊界之光線(xiàn)的入射角大于全內(nèi)反射的角。在φ＜90°時(shí)為了減少在圈7的接合處的光線(xiàn)輻射損失，建議承載層的厚度h為下列值h＝ (S)/(4tgγ) 〔1-tgγtg(φ/2-δ)〕 (2)式中γ＝φ/2-δ+arc Sin (Cos(φ-δ))/(n) 為光線(xiàn)射向圈7的反射邊界的入射角;
S為圈7的寬度。
當(dāng)δ→O和滿(mǎn)足關(guān)系式(2)時(shí)，相鄰圈7之間的光損失全部消除。當(dāng)φ→90°(和δ→O)時(shí)在承載層的任何厚度h情況下都沒(méi)有光損失。而當(dāng)φ＞90°時(shí)就不可能完全消除光損失，光損失隨φ角的增大而增大，並與厚度h無(wú)關(guān)。
折射器1的承載層厚度在光學(xué)性質(zhì)上也與菲涅耳折射圈5、6無(wú)關(guān)，厚度的選取僅考慮光準(zhǔn)直器的機(jī)械強(qiáng)度和有色材料的濾光性質(zhì)。
為了消除因折射圈5、6的連接邊界9的方面直接壓制的困難，環(huán)狀透鏡4前部(相對(duì)FQ軸之前)的圈5設(shè)計(jì)在透鏡4承載層的內(nèi)表面上，而透鏡4后部的圈6則設(shè)計(jì)在外面上。在這種情況下承載層的反射折射曲率在透鏡4的中點(diǎn)Q應(yīng)如此改變符號(hào)，即透鏡4前部的縱剖面向焦點(diǎn)F凹曲，而后部凸曲。圈5和6折射表面的垂直線(xiàn)N′和N″與軸構(gòu)完一個(gè)小于(90°-φ)的角。這些是必須保證的條件，從沿OO′軸方向壓制的觀(guān)點(diǎn)看，這些垂直線(xiàn)在OO′軸上的投影一對(duì)于透鏡4外表面的垂直線(xiàn)是正的，而對(duì)于內(nèi)表面的則是負(fù)的。同樣，對(duì)于透鏡4的中部也是正確的。這就是說(shuō)，當(dāng)最低限度，φ≥90°時(shí)，F(xiàn)Q軸與透鏡4的表面不是垂直相交(正如一般實(shí)際應(yīng)用的那樣)，而與垂直線(xiàn)的夾角變?yōu)榇笥?φ-90°)。
在反射器2與折射器1相連接的部分可做成反射折射圈8，它的縱剖面與圈7的縱剖面不同，因?yàn)樗菫榱烁淖児饩€(xiàn)方向不再與折射器1相遇的。
如常規(guī)一樣，所述光準(zhǔn)直器安置在信號(hào)燈里的保護(hù)玻璃或折光玻璃10的后面，玻璃10的中心部分可做成聚光透鏡11的形式，它在帶有光出射孔的光準(zhǔn)有器之前對(duì)透鏡3起到補(bǔ)充作用，它完全遮蓋住了反射器2的空的軸向孔。透鏡3可以完全取消或沒(méi)有屈光力，而只對(duì)射到透鏡11上的光線(xiàn)起濾光作用。
放在F點(diǎn)處的光源之光通量分為兩部分，一部分組成光線(xiàn)12，它照射透鏡3并被改變(同樣也受到補(bǔ)充透鏡11的作用)成平行于OO′軸的定向輻射。第二部分，光通量的基本部分，組成了光線(xiàn)13，它照射到環(huán)狀透鏡4，透鏡4把光線(xiàn)折向與OO′軸成夾角φ的方向，再由反射器2把光線(xiàn)13改變成沿OO′軸方向的定向輻射。小部分光通量組成光線(xiàn)14，它直接投射到反射器2的反射折射圖8上，而不經(jīng)過(guò)折射器1的作用。
圖2所示的光準(zhǔn)直器與圖1所示的光準(zhǔn)直器不同，有較簡(jiǎn)單、光滑的環(huán)狀透鏡4之縱剖面，有較復(fù)雜結(jié)構(gòu)的反射器2。透鏡4的前部15(光軸FQ之前)有一個(gè)平面一凸面形的縱剖面，而它的后部16(FQ軸之后)有一個(gè)凸面一平面形的縱剖面(向焦點(diǎn)F稍凸的)，在這種情況下，縱剖面的直線(xiàn)部分幾乎平行于光準(zhǔn)直器的OO′軸(亦是壓制軸)，偏離平行度一個(gè)很小的鑄型角δ，約30′-60′，這是為了保證直接壓制所必需的，透鏡4的內(nèi)、外表面上垂直線(xiàn)N′和N″在OO′軸上的投影符號(hào)相應(yīng)地分別為負(fù)的和正的。這樣的透鏡4覆蓋住了反射器2的空的軸向孔，而透鏡4只要采用很小的厚度即可，這樣既不破壞直接壓制的可能性，又幾乎可完全消除光準(zhǔn)直器的光出射孔造成的反射黑斑。用與光準(zhǔn)直器同焦點(diǎn)的片狀聚光透鏡3蓋住反射器2的空的軸向孔，透鏡3的直徑等于透鏡4的前沿的直徑。
取掉菲涅耳折射圈5、6，使得含寬度的環(huán)狀透鏡4不能全部與準(zhǔn)直器同焦點(diǎn)了，即它的屈光力不足以使得與它有光學(xué)關(guān)系的反射器2做成一個(gè)小光學(xué)尺寸的簡(jiǎn)單截頭圓錐體的承載層。同時(shí)，如果由于減小了透鏡4后部16的屈光力，而把最大部分的折射作用集中在透鏡4前部15，那么，反射器2的尺寸可以相對(duì)減小。
假如透鏡4前部15的光角φ1不大于15°-20°，則這部分可能與準(zhǔn)直器同焦點(diǎn)，而與它有光學(xué)關(guān)系的反射器2的前部17可做成截圓錐體。FQ軸與OO′軸的夾角φ＝60°-70°。透鏡4后部16的光角φ2為30°-60°，它的屈光力(如同前部分15那樣，其厚度由零折射點(diǎn)Q到透鏡邊沿逐漸減薄)很小，而相應(yīng)的反射器2的后部18有凹形的縱剖面，并在FQ軸與反射器2的相交點(diǎn)P處與部分17相連接，例如，它的拋物面焦點(diǎn)在
是構(gòu)成透鏡4后部16的焦點(diǎn)F之虛象點(diǎn)。
圖2所示光準(zhǔn)直器的反射器2在承載層背面有徑向定向的反射折射多單元棱鏡19。圖3、4表示了在各種截面上的棱鏡19的形狀。在每個(gè)截面的直角棱角21上形成了每個(gè)棱鏡19的反射邊界20，全內(nèi)反射的等邊直角之邊長(zhǎng)尺寸與到OO′軸的距離成比例。棱角21平行承載層的前表面，使承載層同時(shí)肩負(fù)每個(gè)棱鏡19的入射和反射的折射邊界的作用。這樣的反射器2是有利的，消除了在菲涅耳反射中的光損失，因?yàn)楸环瓷淦?前表面反射的光線(xiàn)22與被每個(gè)棱鏡19的邊界20反射的光線(xiàn)23方向相同，由于透鏡4所起的濾光作用，光線(xiàn)22與23有共同的光色。
圖2所示光準(zhǔn)直器的前表面為光滑的，因此在使用中允許不安置保護(hù)玻璃。
在圖1、2所示整體壓制光準(zhǔn)直器的兩種實(shí)施方案中，反射器2不要求鏡面涂復(fù)，這是由于利用了具有全內(nèi)反射的反射折射的反射元件7(圖1中)或棱鏡19(圖2-4中)。
從壓模模具制造的觀(guān)點(diǎn)看，環(huán)形反射折射元件7(圖1中)有很好的工藝性，而輻射狀的棱鏡19(圖2-4中)保證了較高的反射性能和反射器2的前表面的光滑性。
光準(zhǔn)直器的制備可以用雙色材料澆注的方法。由與折射器1(圖1中)無(wú)光學(xué)關(guān)系的聚光透鏡3、4和反射折射環(huán)8組成的光準(zhǔn)直器之凸面部分用有色材料制作，滿(mǎn)足由光信號(hào)顏色決定的濾光作用。光準(zhǔn)直器的凹面部分，確切地說(shuō)是反射器2(環(huán)8除外)由無(wú)色材料制作，在保證信號(hào)顏色的情況下，減少在反射折射的反射器2自身中的光吸收。
權(quán)利要求
1.一種整體壓制的光準(zhǔn)直器，包含有一個(gè)帶軸向孔的凹面反射器(2)，在其軸向孔前安置一個(gè)折射器(1)，折射器(1)被反射器(2)所包圍并與它有光學(xué)關(guān)系，同時(shí)，在反射器(2)前表面的每一點(diǎn)上垂直線(xiàn)(N)在光準(zhǔn)直器軸上有正的投影，而在后表面一有負(fù)的投影，其特征在于至少折射器(1)的一部分制成環(huán)狀聚光透鏡(4)，它的圓對(duì)稱(chēng)軸與光準(zhǔn)直器的軸(OO′)重合，它的縱剖面光學(xué)軸(FQ)通過(guò)光準(zhǔn)直器的焦點(diǎn)(F)與反射器(2)相交，在這種情況下，在環(huán)狀透鏡(4)外表面上的任一點(diǎn)上的垂直線(xiàn)(N″)在準(zhǔn)直器軸(OO′)上有正的投影，而垂直線(xiàn)(N′)在內(nèi)表面有負(fù)的投影。
2.按照權(quán)利要求1所述的整體壓制的光準(zhǔn)直器，其特征在于環(huán)狀透鏡(4)的一部分制成菲涅耳折射圈(5、6)的形狀，它們的分布，從反射器(2)本身方向看，在透鏡(4)承載層的外表面，而從光準(zhǔn)直器的光出射孔方向看在內(nèi)表面上。
3.按照權(quán)利要求1所述的整體壓制的光準(zhǔn)直器，其特征在于折射器(1)在環(huán)狀透鏡(4)前面安置了一個(gè)與光準(zhǔn)直器同焦點(diǎn)的片狀聚光透鏡(3)，其直徑等于環(huán)狀透鏡(4)前沿的直徑，同時(shí)，環(huán)狀透鏡(4)縱剖面的后部(16)(靠近反射器的部分)制成凸?fàn)钜黄矫嫘?向光準(zhǔn)直器的焦點(diǎn)凸出)，而其前部(15)制成平面一凸?fàn)钚危瑫r(shí)縱剖面的平面部分與光準(zhǔn)直器軸(OO′)的夾角(δ)不大于1°。
4.按照權(quán)利要求1、3所述的整體壓制的光準(zhǔn)直器，其特征在于環(huán)狀透鏡(4)的前部(15)比后部(16)有較大的屈光力和較短的長(zhǎng)度(沿準(zhǔn)直器軸OO′)。
全文摘要
一種整體壓制的光準(zhǔn)直器，具有高的效率和不大的軸向尺寸，不需要涂覆鏡面。它包含有光學(xué)關(guān)系的凸面折射器(1)和凹面的有折邊的折射器(1)以及反射折射的反射器(2)，它們都制作在共同的承載層上。折射器(1)的側(cè)面部分包含一個(gè)環(huán)狀聚光透鏡(4)，它安置在光線(xiàn)(13)由焦點(diǎn)(F)到反射器(2)的路徑上，它包括有菲涅耳折射圈(5、6)，圈(5、6)的安置要便于準(zhǔn)直器制備時(shí)可用一道工序直接壓制。
文檔編號(hào)F21V5/04GK1037573SQ88102670
公開(kāi)日1989年11月29日 申請(qǐng)日期1988年5月9日 優(yōu)先權(quán)日1988年5月9日
發(fā)明者伊芙基尼·弗德洛維奇·列士金 申請(qǐng)人:汽車(chē)電子、汽車(chē)拖拉機(jī)電器裝置科研生產(chǎn)聯(lián)合企業(yè)