照明系統以及車輛前燈的制作方法

專利名稱：照明系統以及車輛前燈的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種照明系統，該照明系統包括多個發光二極管，至少一個光準直部分和混光部分。
本發明進一步涉及包括該照明系統的車輛前燈。
背景技術：
該類照明系統本身是已知的。比如用作機動車輛的前燈。另外，該類照明系統用于常規的照明用途比如所謂的墻墊板(wall washer)，以在(粗糙的)墻表面產生光的均勻傳播。另外，用在重點照明、泛光照明以及諸如標志、輪廓照明和布告板的大面積直視的光射出面板中。
通常，該類照明系統包括各種發光二極管(LED)。LED可以是不同基色的光源，比如，我們熟知的紅(R)、綠(G)或藍(B)色的發光二極管。另外，發光二極管例如可以以琥珀色、品紅色或青色作為基色。這些基色可以直接由發光二極管片產生，或者可以由磷光體通過將來自發光二極管片的光輻照而產生。對于后者，還可將混合色或白光作為基色的一種。通常，由發光二極管所發射的光是在混光部分內混合，以獲得均勻分布的光同時消除由照明系統所發射的光與特定發光二極管的相關性。另外，已知的是，為了獲得高的色彩精度，采用帶有傳感器的控制器和一些回饋算法。
本發明車輛前燈通常采用以燈絲為基礎的光源，比如鹵素燈或高強度放電燈，以在高壓氣體環境中通過電極之間的放電而產生電弧照明。這類光源呈現出小光源，該小光源由通常包括后反射件和前透鏡的光學器件收集并引導。優選地，該光學器件產生在車輛前向前引導的光束，并且直徑、大小、或(復合)形狀的后反射件和/或透鏡控制前燈光束的大小。
車輛通常具有所謂的遠光前燈和所謂的近光前燈，前者用于提供最大的前向照明，而后者是在當附近有對面來的交通工具時使用，這在城市或者其它居住區中經常具有的情形。近光前燈是介于為駕駛員提供前照明和避免對面交通工具的車輛前燈的炫目及可能的晃眼之間的折衷方案。近光前燈以這樣的方式設計和安裝在車輛上，即使得近光集中在水平面以下，亦即投射向路面而非對面的交通工具。優選地，近光前燈還可用于有雪、雨或霧的駕駛條件，以減小向后散射的、可晃駕駛員眼睛的前燈照明。
為了將燈應用到車輛前燈中，需要將汽車傳出的光束圖案向下引導。在其它部分中，這些(法定)需求規定了創建一種對于以一定的車間距來測量而言相對明顯的(sharp)、介于由車輛前燈所發射光束的被照明區域和炫目區域之間的所謂分割線(cut-off)。實際上，該需求規定了點/區域內的最大照明水平處在該分割線之上，并且點/區域內的最小照明水平處在該分割線之下。
當由位于地面上或者地面附近的燈朝著并沿著建筑物的墻壁發射光束時，對于墻墊板的應用而言，優選將該墻壁均勻照射，同時優選沒有光被引導向天空中。當前的晝間墻墊板在被明亮地照射的墻壁之間通常不含分割線，同時幾乎沒有或者沒有將光發射在墻壁表面的上方(射向天空)。
美國專利申請US-A 2004/0076016公開了一種車用波長轉換元件，其可以提供一種用于前燈和霧燈的實用的LED部件。該元件包括具有腔體的熱傳導基底；一個或多個適合于該腔體底部的片，以及布置在該片上方的波長轉換件，該波長轉換件將從該片射出的光轉換成可見光線。該片包括基底和包含n-型GaN膜的光射出部分、活性層和連續地疊置在該基底上的p-形GaN膜。在該片的水平視圖上，具有一個直側；介于底部和側腔體表面之間的夾角處于0度以上90度以下。該腔體在其開口中具有一個直側。該腔體開口與相應片平面視圖總面積的比率設置為小于3。該已知照明系統的缺點是被照射區域與由已知照明系統所發射光束的炫目區域的對比并非足夠高。

發明內容
本發明的目的是整體或者部分地消除上述缺陷。根據本發明，本發明目的通過提供一種照明系統而得以實現，該照明系統包括多個發光二極管，至少一個光準直部分，用于準直由發光二極管所發射的光，該至少一個光準直部分沿著該照明系統的縱軸線布置，該至少一個光準直部分在面向遠離該發光二極管的側與混光部分結合，該混光部分具有多個沿著該縱軸線的側面，在混光部分內的光傳播以完全內反射為基礎，該混光部分在面向遠離該發光二極管的側具有光射出窗口，用于將光從照明系統射向虛構的投射面，該虛構的投射面布置成垂直于該縱軸線，該混光部分的端部在面向遠離該發光二極管的側具有棱鏡形凸出部，該混光部分在沿著該縱軸線的一個預定側處朝著該光射出窗口變寬，以在虛構的投射面處獲得這樣的光分布，即使得在該虛構的投射面的第一部分處的照明相對低，而在該虛構的投射面的第二部分處的照明相對高，位于該虛構的投射面處的第一部分在該縱軸線的與該混光部分的棱鏡形凸出部相同的側獲得。
根據本發明，該照明系統包括多個發光器，至少一個光準直部分和混光部分。如果該混光部分為常規形狀，亦即無棱鏡形凸出部，那么，該光將由照明系統以均勻的方式來發射，由此，該虛構的投射面將被均勻地照射，從而沿著所有側呈現出明顯的分割線。通過給混光部分的端部提供棱鏡形凸出部，該混光部分具有非對稱楔形形狀。通過給該混光部分的端部提供棱鏡形凸出部，由照明系統所發射的光分布變成非對稱的，由此將顯著分割線改變成平滑過渡。
進入混光部分并在混光部分內通過完全內反射進行傳播的光逆著混光部分的外表面被反射而不到達臨界角。具體而言，在混光部分內的所有光線均以對稱方式朝向混光部分的端部進行傳播。由于在混光部分的端部處提供有棱鏡形凸出部，位于端部的光線不再以對稱方式傳播。在該端部處，混光部分在沿著縱軸線朝向混光部分的光射出窗口的一個方向上變寬。通過以這種方式提供棱鏡形凸出部，朝向棱鏡形凸出部行進的光線不再由混光部分的外表面來反射，而是直接朝向混光部分的光射出窗口進行傳播，并且在混光部分外光射出窗口處進行耦合。僅僅那些進入棱鏡形凸出部的光線傳播通過提供棱鏡形凸出部而得以改變。通過提供棱鏡形凸出部，由照明系統所發射的光的光分布得以改變并變成非對稱的。
根據本發明，如果由照明系統所發射的光投射到虛構的投射面上，則在虛構的投射面處的照明不再均勻，從而在這些虛構投射面的部分之間獲得照度差。具體而言，在虛構投射面的第一部分處的照度相對低而在虛構投射面的第二部分處的照度相對高。在提供有棱鏡形凸出部的混光部分側，虛構投射面處的照明將相對暗，而在未提供有棱鏡形凸出部的混光部分側，虛構投射面處的照明相對高。將會理解，將虛構投射面引入本發明申請的說明書和權利要求書中僅僅旨在闡明本發明的效果。
當車輛行進在路面上時，當照明系統布置在車輛前燈構造中時，在混光部分面向遠離路面的側提供有棱鏡形凸出部。獲得虛構投射面處的光分布，其中虛構投射面的較低部分處的照明相對高，而虛構投射面的較高部分處的照明相對低。通過在混光部分面向遠離路面的側提供棱鏡形凸出部，將光束會聚在水平面以下，亦即會聚在路面以上而不是朝著對面交通工具進行會聚。
可將本發明的照明系統這樣設計，即，使得能獲得介于由照明系統所發射的光束的照明區域和炫目區域之間的、相對明顯的分割線。當對于以一定的車間距來測量而言需要一定照明水平時，這一點尤其是車輛前燈所需求的。具體而言，該車輛前燈的需求規定了點/區域內的最大照明水平處在該分割線之上，并且點/區域內的最小照明水平處在該分割線之下。
通過給提供混光部分多個(大致扁平的)沿著該縱軸線布置的側面，促使由發光二極管所發射的光進行空間混合。如果混光部分具有基本上為圓形的外表面，那么，這對于發光二極管所發射的光的空間混合而言將是不利的。根據本發明照明系統的一種優選實施例的特征在于混光部分具有四個或者六個側面。我們發現這種優選的側面數量促使對發光二極管所發射的光進行空間及空間角度的混合。
根據本發明照明系統的一種優選實施例的特征在于將棱鏡形凸出部相對于該縱軸線變寬的角度選定成使得在棱鏡形凸出部的外表面處沒有光被面向光射出窗口進行反射。該變寬的角度α依賴于進入混光部分中的光的角度分布。進入混光部分中的光的角度分布越寬廣，得選擇越大的變寬角度α，以避免在棱鏡形凸出部面向光射出窗口的外表面處進行反射。進入混光部分中的光的角度分布取決于發光二極管所發射的光的分布并取決于該光準直部分的形狀。
優選地，棱鏡形凸出部變寬的角度α介于10度到35度的范圍內。當該變寬的角度α選得太小(α＜10度)，光準直部分則變得太長。另一方面，當變寬的角度α選得太大(α＞30度)，由照明系統所發射的光分布則變得太寬廣，以致于在虛構的投射面無法獲得期望的照明。在一種很有利的實施例中，變寬的角度α約為20度。
優選地，照明系統在面向遠離光射出窗口的側具有正透鏡，以投射由照明系統所發射的光。該透鏡使得光射出窗口通過照明系統來投射。該照明系統的光學器件包括該至少一個光準直部分，以準直由發光二極管所發射的光，該混光部分用于將由該至少一個光準直部分及光成形擴散件所發射的光混合。優選地，該照明系統包括多個光準直部分，該多個光準直部分沿著該照明系統的縱軸線布置成基本上相互平行，每一個該光準直部分均與至少一個發光二極管相關。該光準直部分的每一個或者與單個發光二極管相關，或者與發光二極管群相關。發光二極管群或者為具有相同基色或混合基色的發光二極管組。
在一個或多個光準直部分中的光可以以各種方式進行傳播。在一種優選實施例中，光準直部分的(內)表面具有反射材料。在該類實施例中，光準直部分優選為充有氣。在另一實施例中，在光準直部分中傳播的光以完全內反射為基礎。通過使由發光二極管所發射的光的傳播以完全內反射(TIR)為基礎，大大避免了光在光準直部分中的損耗。在該類實施例中，光準直部分優選由非氣體的光透明介質材料制成，該介質材料具有大于或等于1.3的折射率。


通過參考以下所描述的實施例，本發明的這些或者其它特征將變得明晰，附圖中圖1A是根據本發明第一實施例的照明系統的透視分解視圖；圖1B是圖1A中混光部分的截面圖；圖1C是圖1A中的混光部分以及虛構投射面的透視圖；圖2是根據本發明第二實施例的照明系統的透視分解視圖；以及圖3示出了作為本發明照明系統所發射光的豎向角的函數的照度分布。
這些附圖僅僅旨在示意，并且不是按比例來繪制的。應當注意，為清楚起見，所圖示的有些尺寸為顯著放大的形式。圖中相似的元件盡可能用相同的附圖標記進行了標注。
具體實施例方式
圖1A高度示意性地示出了一種根據本發明第一實施例照明系統的透視分解圖。圖1B高度示意性地示出了圖1A的混光部分的截面圖。圖1C高度示意性地示出了圖1A混光部分和虛構投射面的透視圖。該照明系統包括多個發光二極管(LED)R，G，B。發光二極管可以是不同基色的發光二極管，比如在圖1A的實例中，為已熟知的紅R、綠G或藍B色的發光二極管。在圖1A的實例中，成直線地布置有一個紅色發光二極管R、一個藍色發光二極管B以及兩個綠色發光二極管G。或者，該發光二極管比如可以以琥珀色、品紅色或青色作為基色。該基色可以直接由該發光二極管片產生，或者可以由磷光體通過將來自發光二極管片的光輻照而產生。對于后者的情形，還可將混合色或白光作為基色的一種。在圖1A的實例中，該四個發光二極管R，G，G，B安裝在(金屬芯)印刷電路板2上。通常，發光二極管具有相對高的光源亮度。優選地，當以額定功率驅動并具有在室溫下產生光的發光二極管連接時，每一個該發光二極管均具有至少25mW的輻射功率輸出。具有如此高輸出的發光二極管還被稱作發光二極管功率組。使用這種高功效、高輸出的發光二極管具有特定的優點，即以相對小的發光二極管數量來實現相對高的光輸出。這對將要制造的照明系統的緊湊性和效率具有正面影響。如果將發光二極管功率組安裝在這種(金屬芯)印刷電路板2上，由發光二極管所產生的熱易于經由PCB通過熱傳導而得以散失。在一種有利的照明系統的實施例中，該(金屬芯)印刷電路板2與照明系統的外殼(圖1中未示出)通過熱傳導的連接方式而接觸。優選地，將所謂裸露的功率性發光二極管片安裝在基底上，該基底比如可以是絕緣的金屬基底、硅基底、陶瓷或復合基底。該基底提供了與該片的電連接并作為良好的熱傳輸部件，以將熱傳輸到熱交換器。
圖1A所示實施例的照明系統包括多個光準直部分12，12′和一個混光部分3。光準直部分12，12′沿著照明系統的縱軸線25基本上相互平行地布置。每一個光準直部分12，12′與至少一個發光二極管R，G，B相關。在圖1的實例中，一個單個的發光二極管與每個相應的光準直部分相關。在一個替代性實施例中，具有多個與每個相應的光準直部分相關的發光二極管。可以是具有相同基色的多個發光二極管，或者是具有兩個或更多基色的多個發光二極管。
在圖1A的實例中，光準直部分12，12′充有空氣。光在光準直部分12，12′中的傳播以在位于該光準直部分12，12′側壁上的反射面(22)上的反射為基礎。光準直部分12，12′在面向遠離發光二極管R，G，B一側的光射出面與混光部分3結合。為明晰起見，在圖1A中，在光準直部分12，12′與混光部分3之間插入了一些間距。通過避免光準直部分和混光部分之間界面，光在本發明照明系統中的傳播效率得以增強。
光在混光部分3中的傳播是以完全內反射(TIR)為基礎的(參見圖1B)。通過使發光器所發射的光的傳播以TIR為基礎，大大避免了光在混光部分3中的損耗。另外，通過給混光部分3提供多個(基本扁平的)以平行于縱軸線進行布置的面，促使對發光器所發射的光進行空間混合。如果混光部分具有基本為圓形的外表面，那么，這對于發光二極管所發射的光的空間混合而言將是不利的。
優選地，混光部分3具有四個或者六個面。我們發現，這種優選的面的數量提供了對發光二極管R，G，B所發射的光進行空間及空間角度的混合。
在面向遠離發光二極管R，G，B的側，混光部分3具有光射出窗口13，以從照明系統向布置成垂直于縱軸線25的虛構投射面21射出光(參見圖1C)。在本申請的說明書和權利要求書中引入虛構的投射面21僅僅旨在闡明本發明的效果。
根據本發明，混光部分3在面向遠離發光二極管R，G，B的側的端部5具有棱鏡形凸出部7。該棱鏡形凸出部使得混光部分3在沿著縱軸線25朝著光射出窗口13的預定側加寬。如果將混光部分制成通常的形狀，亦即無棱鏡形凸出部，則，光將由照明系統以均勻方式進行發射，這樣，虛構的投射面將會被均勻地照亮。通過為混光部分3的端部5提供棱鏡形凸出部7，使得混光部分3具有非對稱楔形形狀，從而使得由照明系統所發射的光分布便得不對稱。
發光二極管R，G，B發射的、在光準直部分12，12′中準直并進入混光部分3的光在混光部分3中以完全內反射進行傳播。光線(參見圖1B)被反射到混光部分的外表面上，而沒有到達臨界角。原則上，只要光線不進入混光部分3的端部5，在混光部分3中的所有光線均以非對稱方式進行傳播。在混光部分3的端部5處提供棱鏡形凸出部7產生了非對稱端部5并打亂了光線在端部5中的對稱傳播。朝著該棱鏡形凸出部7行進的光線經過介于混光部分3和棱鏡形凸出部7之間的虛構邊界17(參見圖1B)。這些光線在虛構邊界17處不再被反射(參見在圖1B中以虛線所示的光線)，而是直接朝著混光部分的光射出窗口13(參見圖1B)傳播并且在混光部分3之外在光射出窗口處進行耦合。僅僅那些進入棱鏡形凸出部7的光線傳播通過提供棱鏡形凸出部7而得以改變。通過提供棱鏡形凸出部7，由照明系統所發射的光的光分布得以改變并變成非對稱的。在光射出窗口13處，較少的光以指向，亦即，象圖1B中以虛線所示的那樣的光線將不再出現，而更多的光以指向上的方向進行發射，亦即，從位于棱鏡形凸出部7中的光射出窗口13射出的光線大都被向上引導。
如果由根據本發明的照明系統所發射的光被投射到虛構的投射面21上(參見圖1C)，則，在虛構的投射面21處的照明不再均勻，而獲得在虛構投射面的部分之間的亮度分離。為了投射由照明系統所發射的光，該照明系統進一步包括布置在混光部分3的光射出窗口13和虛構的投射面22之間的正透鏡20。提供棱鏡形凸出部7的作用為使得在虛構投射面21的第一部分22處的照度相對低，而在虛構的投射面21的第二部分22′處的照度相對高。在混光部分3的提供有棱鏡形凸出部7的側，在虛構的投射面21處的照明相對暗(虛構投射面21的成形部分22)，而在混光部分3的未提供有棱鏡形凸出部7的側，在虛構的投射面21處的照明相對高。在圖1B中，示出了將棱鏡形凸出部7相對于縱軸線25變寬的角度α選定成使得在棱鏡形凸出部7的外表面27處沒有光被面向光射出窗口13進行反射。該變寬的角度α依賴于進入混光部分3中的光的角度分布并在很大程度上取決于發光二極管R，G，B所發射的光的角度分布和該光準直部分12，12′的變寬特征，即該光準直部分12，12′的形狀。進入混光部分3中的光的角度分布越寬廣，得選擇越大的變寬角度α，以避免在棱鏡形凸出部7的外表面27處進行面向光射出窗口13的反射。優選地，棱鏡形凸出部變寬的角度α介于10度到35度的范圍內。當該變寬的角度α選得太小(α＜10度)，則光準直部分則變得太長。另一方面，當變寬的角度α選得太大(α＞30度)，由照明系統所發射的光分布則變得太寬廣，以致于在虛構的投射面21中無法獲得期望的照明。在一種很有利的實施例中，變寬的角度α約為20度。
圖2高度示意性地示出了根據本發明第二實施例的照明系統的透視分解圖。在該實施例中，將發光二極管R，G，G，B以及對應的光準直部分12，12′定位成象方形一樣的布置。混光部分3的形狀適于與光準直部分12，12′匹配。
圖3示出了作為本發明照明系統所發射光的豎向角(單位度)的函數的照度分布。在圖3中所獲得的該照度分布的特征形狀，在θ＝0度的右側照度陡減，而在θ＝0度的左側照度緩慢地減小。這使得照明系統非常適于用作近光前燈，在近光前燈中，設計使得光被會聚成在水平面以下的近光，即投射到路面上，而使得對面來的車輛不會被前燈所晃眼。根據本發明的照明系統滿足使得汽車的光束圖案向下投射的需要。在其它部分中，這些(法定)需求規定了創建一種對于以一定的車間距來測量而言相對明顯的、介于由車輛前燈所發射光束的被照明區域和炫目區域之間的所謂分割線。如圖3所示，由根據本發明的照明系統所發射的照度分布滿足這些需求。
應當理解，上述實施例不是旨在限制本發明，并且本領域技術人員將會在不脫離所附權利要求書的范圍的情況下，設計出許多替代實施例。在權利要求書中，任何括號中的附圖標記都不應當認為是對權利要求書的限制。使用″包括″及其結合詞并不排除除了那些在權利要求中申明的元件或步驟之外，還會有其它元件或步驟的出現。元件前的冠詞″一″或″一個″并不排除多個這種元件的出現。本發明可以通過包括幾種不同元件的硬件來實現，并且可通過適當編程的計算機來實現。在列舉有幾種裝置的裝置權限中，這些裝置中的一些可以通過同一個硬件單元來體現。事實上，在相互不同的從屬權項中所描述的特定方法并不意味著這些方法的組合使用不利。
權利要求
1.一種照明系統，包括多個發光二極管(R，G，B)，至少一個光準直部分(12，12′)，用于準直由發光二極管(R，G，B)所發射的光，該至少一個光準直部分(12，12′)沿著該照明系統的縱軸線(25)布置，該至少一個光準直部分(12，12′)在面向遠離該發光二極管(R，G，B)的側與混光部分(3)結合，該混光部分(3)具有多個沿著該縱軸線(25)的側面，在混光部分(3)中的光傳播以完全內反射為基礎，該混光部分(3)在面向遠離該發光二極管(R，G，B)的側具有光射出窗口(13)，用于將光從照明系統射向虛構的投射面(21)，該虛構的投射面(21)布置成垂直于該縱軸線(25)，該混光部分(3)的端部(5)在面向遠離該發光二極管(R，G，B)的側具有棱鏡形凸出部(7)，該混光部分(3)在沿著該縱軸線(25)的一個預定側處朝著該光射出窗口(13)變寬，以在虛構的投射面(21)處獲得這樣的光分布，即使得在該虛構的投射面(21)的第一部分(22)處的照明相對低，而在該虛構的投射面(21)的第二部分(22′)處的照明相對高，位于該虛構的投射面(21)處的第一部分(22)在該縱軸線(25)的與該混光部分(3)的棱鏡形凸出部(7)相同的側獲得。
2.如權利要求1所述的照明系統，其中該棱鏡形凸出部(7)相對于該縱軸線(25)變寬的角度α被選擇成使得沒有光在該棱鏡形凸出部(7)的外表面(27)處面朝該光射出窗口(13)反射。
3.如權利要求2所述的照明系統，其中該棱鏡形凸出部(7)的變寬的角度α介于10°-35°之間。
4.如權利要求1或2所述的照明系統，其中該照明系統在面向遠離該光射出窗口(13)的側具有正透鏡(20)，用于投射由該照明系統所發射的光。
5.如權利要求1或2所述的照明系統，其中該混光部分(3)具有四個或六個面。
6.如權利要求1所述的照明系統，其中該照明系統包括沿著該照明系統的縱軸線(25)布置成基本上相互平行的多個光準直部分(12，12′)，每一個該光準直部分(12，12′)均與至少一個發光二極管(R，G，B)相關。
7.如權利要求6所述的照明系統，其中，在該光準直部分(12，12′)中的光傳播以完全內反射為基礎或以在該光準直部分(12，12′)的反射面(22)上的反射為基礎。
8.如權利要求1或2所述的照明系統，其中該發光二極管包括至少一個第一基色的第一發光二極管(R)、至少一個第二基色的第二發光二極管(G)以及至少一個第三基色的第三發光二極管(B)，該三個基色彼此相異。
9.如權利要求8所述的照明系統，其中，當以額定功率驅動并具有在室溫下產生光的發光二極管(R，G，B)連接時，每一個該發光二極管(R，G，B)均具有至少25mW的輻射功率輸出。
10.一種車輛前燈，包括如權利要求1或2所述的照明系統。
全文摘要
一種照明系統，其具有多個發光二極管(R，G，B)、至少一個沿著該照明系統的縱軸線(25)布置的光準直部分(12，12′)。該光準直部分與具有多個沿著該縱軸線(25)的側面結合。在混光部分內的光傳播以完全內反射為基礎。該混光部分具有光射出窗口(13)，以將光射向虛構的投射面(21)，該虛構的投射面垂直于該縱軸線。該混光部分的端部(5)具有棱鏡形凸出部(7)，以在虛構的投射面處獲得這樣的光分布，即使得在該虛構的投射面的第一部分處的照明相對低，而在該虛構的投射面的第二部分處的照明相對高，第一部分在該縱軸線(25)的與該混光部分的棱鏡形凸出部相同的側獲得。
文檔編號F21S8/10GK101061413SQ200580039595
公開日2007年10月24日 申請日期2005年11月14日 優先權日2004年11月18日
發明者J·L·A·M·索馬尼, G·盧特根斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司