專利名稱：照明系統及產生所需形狀光束的方法
技術領域：
本發明涉及一種照明系統，尤其是用于機動車的，及產生所需形狀光束的方法。
為了使光源產生所需形狀的光束，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，即機動車的路面上。最后借助發散透鏡實現光束的合成，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。另外，投射系統是公知的，其中一橢圓反射鏡在燈前面的幾分米處映射光源。一金屬板在機動車的大燈中鄰近這個面，作為特定形狀的機械切割光闌，以便產生近光所需的一明暗邊。一投射透鏡將這個切割和光源成像于路面上。這種光束形成原理能產生很高對比度的明暗邊，但也會出現清晰的彩色鑲邊效果。
通過使用所謂的復雜形狀或成型反射鏡，能改進光束特性。考慮到對大燈光束效果，反射鏡的幾何結構可以小段地計算。這樣產生的反射鏡的幾何結構不同于標準的旋轉表面(橢圓或拋物線表面)。在裝有鹵素白熾燈大燈中使用復雜形狀的反射鏡，可以在明暗邊獲得足夠高的對比度，而不會產生屏網蓋(screen cap)。由于在反射鏡中改善了幾何結構，會產生一能影響光束的散射前透鏡。一清晰的蓋盤能應付這種情況。
對于大口徑反射鏡的已知照明系統，需要從光源收集光，然后建立大燈光束，這對反射鏡內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，因為與白熾燈線圈相比，光弧沒有明顯的邊界。
對光束質量的要求日益增高，也意味著對反射鏡中光源的定位要求的提高。由于光源應被支撐，以便能更換，那么準確的定位就會是問題。一方面，燈應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，必需以可負擔的成本制造所用的緊固裝置。這就會導致緊固裝置的制造公差，其限制整個系統的效力和光能。
能實現上述目的的照明系統，尤其適用于機動車的照明系統，包括至少一個光源，最好是高能放電燈(HLD燈高強度放電燈)，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，以便將光源所產生的光收集并傳遞到至少一個分離器，還包括至少一個光學波導材料制成的分離器，每一分離器包括至少一個能輻射光的特定形狀的出光面，光引導進入分離器后形成所需形狀。
本發明的布置有很多優點。它能產生所需的清晰的規定明暗邊，例如，機動車中的近光是非吸收的通過一適當結構的收集器，并借助一個或最好是幾個分離器成像出該邊。至今，通過對比，借助切割光闌產生了這個邊，其阻隔了部分產生的光，因此不必要地減少了相關照明系統的效率。但是在本發明的照明系統中，光源產生的所有光都能用于照明，這樣達到十分高的效率。
本發明布置的另一主要優點是可以實現十分緊湊的照明系統，其結構尺寸與常規系統相比大大減小了。
在一優選實施例中，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生的光源的部分圖像處于每一分離器的入光孔的范圍內。(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現，這樣其出光面能產生明顯的明暗邊。
如果明暗邊鄰近或在照明光束軌跡孔內，光源的不精確對準不會或基本上不會影響明暗邊的對比度。根據本發明，在物體處于發出表面內的明顯邊情況下，收集器取代了已知聚光器透鏡的功能或光學照明系統的功能。
尤其是，在這種布置中光源的尺寸實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的機動車的大燈內的路面上，即反射鏡的每一段在路面上產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，并且照明系統的效率將非常高。
如果收集器高效工作，由于收集器的結構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。可以使用口徑小于60°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，這樣較強的散射光也只會對該光束產生較小影響。
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成，并由一透明、耐熱材料制成，最好是玻璃。根據使用的光源，收集器可以選擇地由具有光學波導特性的合成樹脂制成，其與玻璃相比，在重量上有優勢。但是使用通常的氣體放電燈，能產生大量的熱量，這樣只有少數的合成樹脂適合于用作收集器材料。
收集器最好具有一環形的出光面，這樣可以通過使用不同的分離器來獲得一個或同一個“標準的”收集器形狀的應用。
根據所需光束的形狀和用途，在收集器后布置一個分離器就足夠了。但是發現將來自收集器的光分配給幾個，最好是六到十個分離器，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，尤其是適合生成機動車所需近光的光束。
如果需要分離器發出的光線是散射的，那么分離器的出光面可以具有類似于散射透鏡的結構。這帶來優點是可以省略一單獨的散射透鏡，并可省略一附加的光線的物質-空氣-物質轉換，而轉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相比，光的導向和光束的形成是在透明材料內發生的，并且光線從光源一直到從照明系統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的兩個正視圖。本發明的一個主要特性能被清晰地觀測到，這有助于本發明的照明系統的高效率收集器“擁抱”放電燈12，或更準確地“擁抱”放電燈電極定位的區域和燈工作中形成光弧的區域。因此收集器收集了基本上所有產生的光。為此，構造收集器的一進光面24，該進光面圍繞放電燈12，并且其軸向邊界處于放電燈12的燈泡所占據的區域的外部。
在圖示實施例中，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，部分光必需經反射面引導，使之被導向所需方向。但是通過混合直接輻射和反射的光形成光束是很難實現的，并且需要燈頭相對反射鏡或收集器準確但費力的對準。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，沿該照明系統產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。
這個實施例中的收集器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和一環形出光面26。收集器14的旋轉對稱結構是比較好的，它使利用一個或同一個收集器產生不同光束成為可能，例如，當用在機動車大燈時，產生用于右手和左手交通的光束。這樣可以特別經濟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輻射的光經入光面進入收集器14后能基本上完全地引導到出光面26。收集器14的裝反射鏡的外部28具有旋轉橢圓體的形狀。
實質上，收集器可以選擇地成形，這樣在外部經全部反射也能實現所需的反射，但是至少部分裝反射鏡的外部使收集器的結構特別緊湊，并且因此整個系統結構尺寸較短。
收集器的出光面26定形為在照明系統正常工作的過程中，使從出光面26發出的光束具有明顯的明暗過渡。然后借助分離器成像，這樣經疊加獲得所需形狀的光束。
收集器的內部30定形為當收集器相對光源正確安裝時，能進行全部的反射。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正常工作時的光射線a、b、c、d和e。全部反射在位置32和34進行，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。這個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生干涉。
因為一般使用的高能光源不僅產生可見的范圍內的光，而且也產生UV范圍內的光，所以出于輻射保護的原因，對在輻射軌跡內提供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間布置一個或幾個UV過濾器。可以選擇用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波導特性的合成樹脂制成，例如有機玻璃。與玻璃相比，合成樹脂具有低的耐熱性，但本發明的這種布置的主要優點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熱中。
本發明的照明系統工作如下，與圖4和5比較，光源12產生光。光由收集器14收集，并在一交織輻射軌跡形成期間瞄準分離器16。收集器不但執行導光的功能，而且使光源輻射的光的口徑減小，并在其出光面產生特定光分布。光束在出光面的邊上發出而沒有被吸收，通過具有所需的明顯的明暗過渡，如用于產生機動車的近光。
然后光束由全部反射導入分離器16，并朝各個的特定形狀的出光面發出，在該面光束離開分離器，并疊加，形成所需形狀的光束。
大量改進和進一步發展可以在本發明基本思想的范圍內產生，如涉及形狀，分離器的數目。還可以將收集器和至少一個分離器作成一個整體。將光源做為收集器的組合部件，即燈玻璃成形為構成收集器可以進一步提高效率。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一步向相當大地延長工作壽命的方向發展，這使燈很少更換，因此這種更復雜結構的燈的使用也是有商業吸引力的。
權利要求
1.一種照明系統，尤其是用于機動車的，包括至少一個光源(12)，最好是高能放電燈(HLD燈高強度放電燈)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)所產生的光收集并傳遞到至少一個分離器(16)，還包括至少一個光學波導材料的分離器(16)，而每一分離器(16)包括至少一個用于輻射光的特定形狀的出光面(26)，光引導進入分離器(16)后成為規定形狀光束。
2.根據權利要求1的照明系統，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.根據權利要求2的照明系統，其特征在于，收集器(14)和分離器(16)布置成收集器(14)產生的光源(12)的至少部分圖像處于分離器(16)的入光孔的范圍內。
4.根據權利要求1至3的任一照明系統，其特征在于，光源(12)的口徑為小于60°，最好在20°和40°間。
5.根據權利要求1至4任一照明系統，其特征在于，收集器(14)的出光面形狀為在照明系統正常工作中，從收集器(14)出光面發出的光束具有明顯明暗過渡的邊。
6.根據權利要求1至5任一照明系統，其特征在于，收集器(14)的形狀為由此收集的光在收集器(14)的內壁(28，30)上經反射后，被引導到至少一個分離器(16)的至少一個入光面(36)上。
7.根據權利要求1至6任一照明系統，其特征在于，光源(12)構成收集器(14)的一部分。
8.根據權利要求1至7任一照明系統，其特征在于，設置了幾個分離器(6)，最好是六個到十個分離器(16)，并且其被構造成在照明系統正常工作中，通過疊加分離器(16)輻射出的光束獲得所需形狀的光束。
9.根據權利要求1至8任一照明系統，其特征在于，至少一個分離器(16)被構造成在工作安裝位置中，至少部分經收集器(14)導入分離器(16)的光借助全部反射(32，34)指向一出光面(38)。
10.根據權利要求1至9任一照明系統，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中最好是處于80mm和120mm間。
11.根據權利要求1至10任一照明系統，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中最好是處于60mm和100mm間。
全文摘要
在用于機動車的一照明系統中,來自一HID或MPXL燈的光由一收集器收集,再被引導到一光學波導材料的分離器,其中收集器至少部分地圍繞該光源,分離器經一特定形狀的出光面而形成一所需的光束,進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 優先權日2000年10月26日
發明者H·蒂斯勒－韋迪 申請人:皇家菲利浦電子有限公司