專利名稱：照明系統(tǒng)及產(chǎn)生所需形狀光束的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種照明系統(tǒng)，尤其是用于機(jī)動車的，及產(chǎn)生所需形狀光束的方法。
為了使光源產(chǎn)生所需形狀的光束，首先，使用拋物面反射鏡是公知的，其將光源直接投射到要照亮的表面上，即機(jī)動車的路面上。最后借助發(fā)散透鏡實(shí)現(xiàn)光束的合成，該透鏡通常是棱柱和柱面透鏡陣的組合，其在前端封閉照明系統(tǒng)。另外，投射系統(tǒng)是公知的，其中一橢圓反射鏡在燈前面的幾分米處映射光源。一金屬板在機(jī)動車的大燈中鄰近這個(gè)面，作為特定形狀的機(jī)械切割光闌，以便產(chǎn)生近光所需的一明暗邊。一投射透鏡將這個(gè)切割和光源成像于路面上。這種光束形成原理能產(chǎn)生很高對比度的明暗邊，但也會出現(xiàn)清晰的彩色鑲邊效果。
通過使用所謂的復(fù)雜形狀或成型反射鏡，能改進(jìn)光束特性?？紤]到對大燈光束效果，反射鏡的幾何結(jié)構(gòu)可以小段地計(jì)算。這樣產(chǎn)生的反射鏡的幾何結(jié)構(gòu)不同于標(biāo)準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)表面(橢圓或拋物線表面)。在裝有鹵素白熾燈大燈中使用復(fù)雜形狀的反射鏡，可以在明暗邊獲得足夠高的對比度，而不會產(chǎn)生屏網(wǎng)蓋(screen cap)。由于在反射鏡中改善了幾何結(jié)構(gòu)，會產(chǎn)生一能影響光束的散射前透鏡。一清晰的蓋盤能應(yīng)付這種情況。
對于大口徑反射鏡的已知照明系統(tǒng)，需要從光源收集光，然后建立大燈光束，這對反射鏡內(nèi)的光源定位提出了高的要求。對于使用氣體放電燈的光源，這尤為明顯，因?yàn)榕c白熾燈線圈相比，光弧沒有明顯的邊界。
對光束質(zhì)量的要求日益增高，也意味著對反射鏡中光源的定位要求的提高。由于光源應(yīng)被支撐，以便能更換，那么準(zhǔn)確的定位就會是問題。一方面，燈應(yīng)能簡單和快速地更換，另一方面，它們必需安全地和精確地緊固，必需以可負(fù)擔(dān)的成本制造所用的緊固裝置。這就會導(dǎo)致緊固裝置的制造公差，其限制整個(gè)系統(tǒng)的效力和光能。
能實(shí)現(xiàn)上述目的的照明系統(tǒng)，尤其適用于機(jī)動車的照明系統(tǒng)，包括至少一個(gè)光源，最好是高能放電燈(HLD燈高強(qiáng)度放電燈)，尤其是一低壓氙氣燈(MPXL微能氙氣燈)，還包括一收集器，其至少部分地圍繞光源，以便將光源所產(chǎn)生的光收集并傳遞到至少一個(gè)分離器，還包括至少一個(gè)光學(xué)波導(dǎo)材料制成的分離器，每一分離器包括至少一個(gè)能輻射光的特定形狀的出光面，光引導(dǎo)進(jìn)入分離器后形成所需形狀。
本發(fā)明的布置有很多優(yōu)點(diǎn)。它能產(chǎn)生所需的清晰的規(guī)定明暗邊，例如，機(jī)動車中的近光是非吸收的通過一適當(dāng)結(jié)構(gòu)的收集器，并借助一個(gè)或最好是幾個(gè)分離器成像出該邊。至今，通過對比，借助切割光闌產(chǎn)生了這個(gè)邊，其阻隔了部分產(chǎn)生的光，因此不必要地減少了相關(guān)照明系統(tǒng)的效率。但是在本發(fā)明的照明系統(tǒng)中，光源產(chǎn)生的所有光都能用于照明，這樣達(dá)到十分高的效率。
本發(fā)明布置的另一主要優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)十分緊湊的照明系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)尺寸與常規(guī)系統(tǒng)相比大大減小了。
在一優(yōu)選實(shí)施例中，光源，收集器和分離器布置成能獲得所謂的交織的輻射軌跡。為此，分離器和收集器相對彼此布置成收集器產(chǎn)生的光源的部分圖像處于每一分離器的入光孔的范圍內(nèi)。(光源圖像的)照明光束軌跡和(成像物體的圖像的，即在這種情形中的收集器的)成像光束軌跡的分離以這種方式有益的實(shí)現(xiàn)，這樣其出光面能產(chǎn)生明顯的明暗邊。
如果明暗邊鄰近或在照明光束軌跡孔內(nèi)，光源的不精確對準(zhǔn)不會或基本上不會影響明暗邊的對比度。根據(jù)本發(fā)明，在物體處于發(fā)出表面內(nèi)的明顯邊情況下，收集器取代了已知聚光器透鏡的功能或光學(xué)照明系統(tǒng)的功能。
尤其是，在這種布置中光源的尺寸實(shí)際上沒有特別地影響大燈光束的口徑，而只影響分離器的直徑。相反，光源直接成像于市場上出現(xiàn)的機(jī)動車的大燈內(nèi)的路面上，即反射鏡的每一段在路面上產(chǎn)生白熾燈線圈或光弧的明顯圖像。
如果分離器的直徑大于或至少等于光源虛像的尺寸，那么輻射光束沒有被切下，并且照明系統(tǒng)的效率將非常高。
如果收集器高效工作，由于收集器的結(jié)構(gòu)尺寸直接取決于光束口徑，就可以采用所需的小口徑，這樣從白熾燈線圈的尺寸和對準(zhǔn)中分離出的輻射光束的形狀能保持來自光源的光束口徑，而不會帶來通常的光度測量問題?？梢允褂每趶叫∮?0°的光源，最好的20°和40°之間，甚至更小的口徑光源。
此外，對于使用通常的放電燈，由于現(xiàn)在能利用在所謂的貯鹽池中散射的光，所以交織光束軌跡也使效率增加，其中貯鹽池是在燈工作過程中形成的。交織光束軌跡意味著光弧不再需要明顯地映射成大燈光束，這樣較強(qiáng)的散射光也只會對該光束產(chǎn)生較小影響。
如果光源是一帶有燈泡的放電燈，特別合適的是采用帶有柱面或下垂燈泡形的放電燈。
收集器最好由固體元件構(gòu)成，并由一透明、耐熱材料制成，最好是玻璃。根據(jù)使用的光源，收集器可以選擇地由具有光學(xué)波導(dǎo)特性的合成樹脂制成，其與玻璃相比，在重量上有優(yōu)勢。但是使用通常的氣體放電燈，能產(chǎn)生大量的熱量，這樣只有少數(shù)的合成樹脂適合于用作收集器材料。
收集器最好具有一環(huán)形的出光面，這樣可以通過使用不同的分離器來獲得一個(gè)或同一個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)的”收集器形狀的應(yīng)用。
根據(jù)所需光束的形狀和用途，在收集器后布置一個(gè)分離器就足夠了。但是發(fā)現(xiàn)將來自收集器的光分配給幾個(gè)，最好是六到十個(gè)分離器，然后疊加分離器輻射出的光束，形成所需形狀的光束，這是特別合適的，尤其是適合生成機(jī)動車所需近光的光束。
如果需要分離器發(fā)出的光線是散射的，那么分離器的出光面可以具有類似于散射透鏡的結(jié)構(gòu)。這帶來優(yōu)點(diǎn)是可以省略一單獨(dú)的散射透鏡，并可省略一附加的光線的物質(zhì)-空氣-物質(zhì)轉(zhuǎn)換，而轉(zhuǎn)換總是伴隨著光的損失。
收集器14和分離器16是固體元件，這意味著與通常的系統(tǒng)相比，光的導(dǎo)向和光束的形成是在透明材料內(nèi)發(fā)生的，并且光線從光源一直到從照明系統(tǒng)移出基本上沒有在空氣中移動，而是在一固定媒介中移動。
圖2和圖3圖示了收集器14的兩個(gè)正視圖。本發(fā)明的一個(gè)主要特性能被清晰地觀測到，這有助于本發(fā)明的照明系統(tǒng)的高效率收集器“擁抱”放電燈12，或更準(zhǔn)確地“擁抱”放電燈電極定位的區(qū)域和燈工作中形成光弧的區(qū)域。因此收集器收集了基本上所有產(chǎn)生的光。為此，構(gòu)造收集器的一進(jìn)光面24，該進(jìn)光面圍繞放電燈12，并且其軸向邊界處于放電燈12的燈泡所占據(jù)的區(qū)域的外部。
在圖示實(shí)施例中，放電燈12相對收集器14定位，燈的電極基本上位于與所需光束輻射方向平行延伸的一直線上。因此這表示一“軸向燈頭位置”，與所謂的“橫向燈頭位置”相反，其中燈頭產(chǎn)生的部分光直接沿所需光束的方向輻射。
在橫向燈頭位置，部分光必需經(jīng)反射面引導(dǎo)，使之被導(dǎo)向所需方向。但是通過混合直接輻射和反射的光形成光束是很難實(shí)現(xiàn)的，并且需要燈頭相對反射鏡或收集器準(zhǔn)確但費(fèi)力的對準(zhǔn)。因此，一般這兒所示的軸向燈頭位置最可取的。
在軸向燈頭位置，沿該照明系統(tǒng)產(chǎn)生的所需光束方向沒有輻射出去的光線，所有的光線都被收集器的影響以便導(dǎo)入光柱方向。這使獲得所需的收集器的輸出光線分布更容易。
這個(gè)實(shí)施例中的收集器14的徑向口徑在大約15°和25°之間，并包括一朝向光源的圓錐形的入光面24和一環(huán)形出光面26。收集器14的旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)是比較好的，它使利用一個(gè)或同一個(gè)收集器產(chǎn)生不同光束成為可能，例如，當(dāng)用在機(jī)動車大燈時(shí)，產(chǎn)生用于右手和左手交通的光束。這樣可以特別經(jīng)濟(jì)的制造基于同一收集器的各種大燈型式。只需要更換分離器。
可以根據(jù)收集器的形狀，至少部分地在收集器14的外部28裝反射鏡，以確保燈12輻射的光經(jīng)入光面進(jìn)入收集器14后能基本上完全地引導(dǎo)到出光面26。收集器14的裝反射鏡的外部28具有旋轉(zhuǎn)橢圓體的形狀。
實(shí)質(zhì)上，收集器可以選擇地成形，這樣在外部經(jīng)全部反射也能實(shí)現(xiàn)所需的反射，但是至少部分裝反射鏡的外部使收集器的結(jié)構(gòu)特別緊湊，并且因此整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸較短。
收集器的出光面26定形為在照明系統(tǒng)正常工作的過程中，使從出光面26發(fā)出的光束具有明顯的明暗過渡。然后借助分離器成像，這樣經(jīng)疊加獲得所需形狀的光束。
收集器的內(nèi)部30定形為當(dāng)收集器相對光源正確安裝時(shí)，能進(jìn)行全部的反射。圖4和5圖示了輻射軌跡。
圖4和5示例地圖示了照明系統(tǒng)正常工作時(shí)的光射線a、b、c、d和e。全部反射在位置32和34進(jìn)行，即一次在收集器14的一邊界面，一次在分離器16的一邊界面。
分離器16理想地利用實(shí)施例中所示的收集器14的口徑分布。分離器的入光面36和出光面38的曲率都處于子午線的焦平面內(nèi)。這個(gè)方向上的收集器的口徑大約為15°。與其垂直的口徑只是幾度，這樣沿這個(gè)方向就不需要分離器的成像作用。以這種方式能利用在分離器縱向平面上的全部反射，而不會與高對比度邊的成像發(fā)生干涉。
因?yàn)橐话闶褂玫母吣芄庠床粌H產(chǎn)生可見的范圍內(nèi)的光，而且也產(chǎn)生UV范圍內(nèi)的光，所以出于輻射保護(hù)的原因，對在輻射軌跡內(nèi)提供UV吸收方法是有用的，并且尤其是對延長分離器的使用壽命是有用的，這特別有利于材料是合成樹脂，例如有機(jī)玻璃，其一般在UV輻射下會降解。
這樣的方法可以廣泛地適用于不同的應(yīng)用。例如，可以在光源12和收集器14間，或在收集器14和分離器16間布置一個(gè)或幾個(gè)UV過濾器?？梢赃x擇用UV吸收材料如玻璃來制造該收集器。光源12，收集器的入光和/或出光面，和/或分離器的入光面可以配置一UV吸收層。由于工作中的高溫，光源上的涂層趨向于剝落，因此通常最好將涂層設(shè)置于收集器的出光面上或分離器的入光面上。
分離器16具有彎曲的入光面36和彎曲的出光面38。每一分離器16是一固體元件，最好由具有良好光學(xué)波導(dǎo)特性的合成樹脂制成，例如有機(jī)玻璃。與玻璃相比，合成樹脂具有低的耐熱性，但本發(fā)明的這種布置的主要優(yōu)點(diǎn)是光源和分離器能熱分離，這樣分離器只被暴露到適中的發(fā)熱中。
本發(fā)明的照明系統(tǒng)工作如下，與圖4和5比較，光源12產(chǎn)生光。光由收集器14收集，并在一交織輻射軌跡形成期間瞄準(zhǔn)分離器16。收集器不但執(zhí)行導(dǎo)光的功能，而且使光源輻射的光的口徑減小，并在其出光面產(chǎn)生特定光分布。光束在出光面的邊上發(fā)出而沒有被吸收，通過具有所需的明顯的明暗過渡，如用于產(chǎn)生機(jī)動車的近光。
然后光束由全部反射導(dǎo)入分離器16，并朝各個(gè)的特定形狀的出光面發(fā)出，在該面光束離開分離器，并疊加，形成所需形狀的光束。
大量改進(jìn)和進(jìn)一步發(fā)展可以在本發(fā)明基本思想的范圍內(nèi)產(chǎn)生，如涉及形狀，分離器的數(shù)目。還可以將收集器和至少一個(gè)分離器作成一個(gè)整體。將光源做為收集器的組合部件，即燈玻璃成形為構(gòu)成收集器可以進(jìn)一步提高效率。這使收集光的元件能完全圍繞燈頭，這樣能從光弧收集到更多的光。構(gòu)造成一收集器的燈的確比通常的燈更昂貴，但由于氣體放電燈的進(jìn)一步向相當(dāng)大地延長工作壽命的方向發(fā)展，這使燈很少更換，因此這種更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的燈的使用也是有商業(yè)吸引力的。
權(quán)利要求
1.一種照明系統(tǒng)，尤其是用于機(jī)動車的，包括至少一個(gè)光源(12)，最好是高能放電燈(HLD燈高強(qiáng)度放電燈)的形式，尤其是一低壓氙氣燈(MPXL微能氙氣燈)，還包括一收集器(14)，其至少部分地圍繞光源(12)，將光源(12)所產(chǎn)生的光收集并傳遞到至少一個(gè)分離器(16)，還包括至少一個(gè)光學(xué)波導(dǎo)材料的分離器(16)，而每一分離器(16)包括至少一個(gè)用于輻射光的特定形狀的出光面(26)，光引導(dǎo)進(jìn)入分離器(16)后成為規(guī)定形狀光束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的照明系統(tǒng)，其特征在于，光源(12)，收集器(14)和分離器(16)布置成能獲得一交織的輻射軌跡。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的照明系統(tǒng)，其特征在于，收集器(14)和分離器(16)布置成收集器(14)產(chǎn)生的光源(12)的至少部分圖像處于分離器(16)的入光孔的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3的任一照明系統(tǒng)，其特征在于，光源(12)的口徑為小于60°，最好在20°和40°間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一照明系統(tǒng)，其特征在于，收集器(14)的出光面形狀為在照明系統(tǒng)正常工作中，從收集器(14)出光面發(fā)出的光束具有明顯明暗過渡的邊。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一照明系統(tǒng)，其特征在于，收集器(14)的形狀為由此收集的光在收集器(14)的內(nèi)壁(28，30)上經(jīng)反射后，被引導(dǎo)到至少一個(gè)分離器(16)的至少一個(gè)入光面(36)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任一照明系統(tǒng)，其特征在于，光源(12)構(gòu)成收集器(14)的一部分。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一照明系統(tǒng)，其特征在于，設(shè)置了幾個(gè)分離器(6)，最好是六個(gè)到十個(gè)分離器(16)，并且其被構(gòu)造成在照明系統(tǒng)正常工作中，通過疊加分離器(16)輻射出的光束獲得所需形狀的光束。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8任一照明系統(tǒng)，其特征在于，至少一個(gè)分離器(16)被構(gòu)造成在工作安裝位置中，至少部分經(jīng)收集器(14)導(dǎo)入分離器(16)的光借助全部反射(32，34)指向一出光面(38)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9任一照明系統(tǒng)，其特征在于，在工作安裝位置，沿分離器(16)輻射的光的主輻射方向測量該分離器(16)或所有分離器(16)的長度和收集器(14)的長度，它們處于80mm和200mm間，在用于汽車的照明系統(tǒng)中最好是處于80mm和120mm間。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10任一照明系統(tǒng)，其特征在于，在工作安裝位置，沿分離器(16)輻射光的主輻射方向的橫向測量該分離器(16)或所有分離器(16)的直徑，它處于60mm和200mm間，在用于汽車的照明系統(tǒng)中最好是處于60mm和100mm間。
全文摘要
在用于機(jī)動車的一照明系統(tǒng)中,來自一HID或MPXL燈的光由一收集器收集,再被引導(dǎo)到一光學(xué)波導(dǎo)材料的分離器,其中收集器至少部分地圍繞該光源,分離器經(jīng)一特定形狀的出光面而形成一所需的光束,進(jìn)而獲得盡可能高的光輸出。
文檔編號F21V5/00GK1354340SQ01143690
公開日2002年6月19日 申請日期2001年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月26日
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