CN101061413A - 照明系统以及车辆前灯 - Google Patents

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Abstract

一种照明系统，其具有多个发光二极管(R，G，B)、至少一个沿着该照明系统的纵轴线(25)布置的光准直部分(12，12′)。该光准直部分与具有多个沿着该纵轴线(25)的侧面结合。在混光部分内的光传播以完全内反射为基础。该混光部分具有光射出窗口(13)，以将光射向虚构的投射面(21)，该虚构的投射面垂直于该纵轴线。该混光部分的端部(5)具有棱镜形凸出部(7)，以在虚构的投射面处获得这样的光分布，即使得在该虚构的投射面的第一部分处的照明相对低，而在该虚构的投射面的第二部分处的照明相对高，第一部分在该纵轴线(25)的与该混光部分的棱镜形凸出部相同的侧获得。

Description

照明系统以及车辆前灯
技术领域
本发明涉及一种照明系统，该照明系统包括多个发光二极管，至少一个光准直部分和混光部分。
本发明进一步涉及包括该照明系统的车辆前灯。
背景技术
该类照明系统本身是已知的。比如用作机动车辆的前灯。另外，该类照明系统用于常规的照明用途比如所谓的墙垫板(wall washer)，以在(粗糙的)墙表面产生光的均匀传播。另外，用在重点照明、泛光照明以及诸如标志、轮廓照明和布告板的大面积直视的光射出面板中。
通常，该类照明系统包括各种发光二极管(LED)。LED可以是不同基色的光源，比如，我们熟知的红(R)、绿(G)或蓝(B)色的发光二极管。另外，发光二极管例如可以以琥珀色、品红色或青色作为基色。这些基色可以直接由发光二极管片产生，或者可以由磷光体通过将来自发光二极管片的光辐照而产生。对于后者，还可将混合色或白光作为基色的一种。通常，由发光二极管所发射的光是在混光部分内混合，以获得均匀分布的光同时消除由照明系统所发射的光与特定发光二极管的相关性。另外，已知的是，为了获得高的色彩精度，采用带有传感器的控制器和一些回馈算法。
本发明车辆前灯通常采用以灯丝为基础的光源，比如卤素灯或高强度放电灯，以在高压气体环境中通过电极之间的放电而产生电弧照明。这类光源呈现出小光源，该小光源由通常包括后反射件和前透镜的光学器件收集并引导。优选地，该光学器件产生在车辆前向前引导的光束，并且直径、大小、或(复合)形状的后反射件和/或透镜控制前灯光束的大小。
车辆通常具有所谓的远光前灯和所谓的近光前灯，前者用于提供最大的前向照明，而后者是在当附近有对面来的交通工具时使用，这在城市或者其它居住区中经常具有的情形。近光前灯是介于为驾驶员提供前照明和避免对面交通工具的车辆前灯的炫目及可能的晃眼之间的折衷方案。近光前灯以这样的方式设计和安装在车辆上，即使得近光集中在水平面以下，亦即投射向路面而非对面的交通工具。优选地，近光前灯还可用于有雪、雨或雾的驾驶条件，以减小向后散射的、可晃驾驶员眼睛的前灯照明。
为了将灯应用到车辆前灯中，需要将汽车传出的光束图案向下引导。在其它部分中，这些(法定)需求规定了创建一种对于以一定的车间距来测量而言相对明显的(sharp)、介于由车辆前灯所发射光束的被照明区域和炫目区域之间的所谓分割线(cut-off)。实际上，该需求规定了点/区域内的最大照明水平处在该分割线之上，并且点/区域内的最小照明水平处在该分割线之下。
当由位于地面上或者地面附近的灯朝着并沿着建筑物的墙壁发射光束时，对于墙垫板的应用而言，优选将该墙壁均匀照射，同时优选没有光被引导向天空中。当前的昼间墙垫板在被明亮地照射的墙壁之间通常不含分割线，同时几乎没有或者没有将光发射在墙壁表面的上方(射向天空)。
美国专利申请US-A 2004/0076016公开了一种车用波长转换元件，其可以提供一种用于前灯和雾灯的实用的LED部件。该元件包括具有腔体的热传导基底；一个或多个适合于该腔体底部的片，以及布置在该片上方的波长转换件，该波长转换件将从该片射出的光转换成可见光线。该片包括基底和包含n-型GaN膜的光射出部分、活性层和连续地叠置在该基底上的p-形GaN膜。在该片的水平视图上，具有一个直侧；介于底部和侧腔体表面之间的夹角处于0度以上90度以下。该腔体在其开口中具有一个直侧。该腔体开口与相应片平面视图总面积的比率设置为小于3。该已知照明系统的缺点是：被照射区域与由已知照明系统所发射光束的炫目区域的对比并非足够高。
发明内容
本发明的目的是整体或者部分地消除上述缺陷。根据本发明，本发明目的通过提供一种照明系统而得以实现，该照明系统包括：
多个发光二极管，
至少一个光准直部分，用于准直由发光二极管所发射的光，
该至少一个光准直部分沿着该照明系统的纵轴线布置，
该至少一个光准直部分在面向远离该发光二极管的侧与混光部分结合，
该混光部分具有多个沿着该纵轴线的侧面，
在混光部分内的光传播以完全内反射为基础，
该混光部分在面向远离该发光二极管的侧具有光射出窗口，用于将光从照明系统射向虚构的投射面，该虚构的投射面布置成垂直于该纵轴线，
该混光部分的端部在面向远离该发光二极管的侧具有棱镜形凸出部，该混光部分在沿着该纵轴线的一个预定侧处朝着该光射出窗口变宽，以在虚构的投射面处获得这样的光分布，即使得在该虚构的投射面的第一部分处的照明相对低，而在该虚构的投射面的第二部分处的照明相对高，
位于该虚构的投射面处的第一部分在该纵轴线的与该混光部分的棱镜形凸出部相同的侧获得。
根据本发明，该照明系统包括多个发光器，至少一个光准直部分和混光部分。如果该混光部分为常规形状，亦即无棱镜形凸出部，那么，该光将由照明系统以均匀的方式来发射，由此，该虚构的投射面将被均匀地照射，从而沿着所有侧呈现出明显的分割线。通过给混光部分的端部提供棱镜形凸出部，该混光部分具有非对称楔形形状。通过给该混光部分的端部提供棱镜形凸出部，由照明系统所发射的光分布变成非对称的，由此将显著分割线改变成平滑过渡。
进入混光部分并在混光部分内通过完全内反射进行传播的光逆着混光部分的外表面被反射而不到达临界角。具体而言，在混光部分内的所有光线均以对称方式朝向混光部分的端部进行传播。由于在混光部分的端部处提供有棱镜形凸出部，位于端部的光线不再以对称方式传播。在该端部处，混光部分在沿着纵轴线朝向混光部分的光射出窗口的一个方向上变宽。通过以这种方式提供棱镜形凸出部，朝向棱镜形凸出部行进的光线不再由混光部分的外表面来反射，而是直接朝向混光部分的光射出窗口进行传播，并且在混光部分外光射出窗口处进行耦合。仅仅那些进入棱镜形凸出部的光线传播通过提供棱镜形凸出部而得以改变。通过提供棱镜形凸出部，由照明系统所发射的光的光分布得以改变并变成非对称的。
根据本发明，如果由照明系统所发射的光投射到虚构的投射面上，则在虚构的投射面处的照明不再均匀，从而在这些虚构投射面的部分之间获得照度差。具体而言，在虚构投射面的第一部分处的照度相对低而在虚构投射面的第二部分处的照度相对高。在提供有棱镜形凸出部的混光部分侧，虚构投射面处的照明将相对暗，而在未提供有棱镜形凸出部的混光部分侧，虚构投射面处的照明相对高。将会理解，将虚构投射面引入本发明申请的说明书和权利要求书中仅仅旨在阐明本发明的效果。
当车辆行进在路面上时，当照明系统布置在车辆前灯构造中时，在混光部分面向远离路面的侧提供有棱镜形凸出部。获得虚构投射面处的光分布，其中虚构投射面的较低部分处的照明相对高，而虚构投射面的较高部分处的照明相对低。通过在混光部分面向远离路面的侧提供棱镜形凸出部，将光束会聚在水平面以下，亦即会聚在路面以上而不是朝着对面交通工具进行会聚。
可将本发明的照明系统这样设计，即，使得能获得介于由照明系统所发射的光束的照明区域和炫目区域之间的、相对明显的分割线。当对于以一定的车间距来测量而言需要一定照明水平时，这一点尤其是车辆前灯所需求的。具体而言，该车辆前灯的需求规定了点/区域内的最大照明水平处在该分割线之上，并且点/区域内的最小照明水平处在该分割线之下。
通过给提供混光部分多个(大致扁平的)沿着该纵轴线布置的侧面，促使由发光二极管所发射的光进行空间混合。如果混光部分具有基本上为圆形的外表面，那么，这对于发光二极管所发射的光的空间混合而言将是不利的。根据本发明照明系统的一种优选实施例的特征在于：混光部分具有四个或者六个侧面。我们发现这种优选的侧面数量促使对发光二极管所发射的光进行空间及空间角度的混合。
根据本发明照明系统的一种优选实施例的特征在于：将棱镜形凸出部相对于该纵轴线变宽的角度选定成使得在棱镜形凸出部的外表面处没有光被面向光射出窗口进行反射。该变宽的角度α依赖于进入混光部分中的光的角度分布。进入混光部分中的光的角度分布越宽广，得选择越大的变宽角度α，以避免在棱镜形凸出部面向光射出窗口的外表面处进行反射。进入混光部分中的光的角度分布取决于发光二极管所发射的光的分布并取决于该光准直部分的形状。
优选地，棱镜形凸出部变宽的角度α介于10度到35度的范围内。当该变宽的角度α选得太小(α＜10度)，光准直部分则变得太长。另一方面，当变宽的角度α选得太大(α＞30度)，由照明系统所发射的光分布则变得太宽广，以致于在虚构的投射面无法获得期望的照明。在一种很有利的实施例中，变宽的角度α约为20度。
优选地，照明系统在面向远离光射出窗口的侧具有正透镜，以投射由照明系统所发射的光。该透镜使得光射出窗口通过照明系统来投射。该照明系统的光学器件包括该至少一个光准直部分，以准直由发光二极管所发射的光，该混光部分用于将由该至少一个光准直部分及光成形扩散件所发射的光混合。优选地，该照明系统包括多个光准直部分，该多个光准直部分沿着该照明系统的纵轴线布置成基本上相互平行，每一个该光准直部分均与至少一个发光二极管相关。该光准直部分的每一个或者与单个发光二极管相关，或者与发光二极管群相关。发光二极管群或者为具有相同基色或混合基色的发光二极管组。
在一个或多个光准直部分中的光可以以各种方式进行传播。在一种优选实施例中，光准直部分的(内)表面具有反射材料。在该类实施例中，光准直部分优选为充有气。在另一实施例中，在光准直部分中传播的光以完全内反射为基础。通过使由发光二极管所发射的光的传播以完全内反射(TIR)为基础，大大避免了光在光准直部分中的损耗。在该类实施例中，光准直部分优选由非气体的光透明介质材料制成，该介质材料具有大于或等于1.3的折射率。
附图说明
通过参考以下所描述的实施例，本发明的这些或者其它特征将变得明晰，附图中：
图1A是根据本发明第一实施例的照明系统的透视分解视图；
图1B是图1A中混光部分的截面图；
图1C是图1A中的混光部分以及虚构投射面的透视图；
图2是根据本发明第二实施例的照明系统的透视分解视图；以及
图3示出了作为本发明照明系统所发射光的竖向角的函数的照度分布。
这些附图仅仅旨在示意，并且不是按比例来绘制的。应当注意，为清楚起见，所图示的有些尺寸为显著放大的形式。图中相似的元件尽可能用相同的附图标记进行了标注。
具体实施方式
图1A高度示意性地示出了一种根据本发明第一实施例照明系统的透视分解图。图1B高度示意性地示出了图1A的混光部分的截面图。图1C高度示意性地示出了图1A混光部分和虚构投射面的透视图。该照明系统包括多个发光二极管(LED)R，G，B。发光二极管可以是不同基色的发光二极管，比如在图1A的实例中，为已熟知的红R、绿G或蓝B色的发光二极管。在图1A的实例中，成直线地布置有一个红色发光二极管R、一个蓝色发光二极管B以及两个绿色发光二极管G。或者，该发光二极管比如可以以琥珀色、品红色或青色作为基色。该基色可以直接由该发光二极管片产生，或者可以由磷光体通过将来自发光二极管片的光辐照而产生。对于后者的情形，还可将混合色或白光作为基色的一种。在图1A的实例中，该四个发光二极管R，G，G，B安装在(金属芯)印刷电路板2上。通常，发光二极管具有相对高的光源亮度。优选地，当以额定功率驱动并具有在室温下产生光的发光二极管连接时，每一个该发光二极管均具有至少25mW的辐射功率输出。具有如此高输出的发光二极管还被称作发光二极管功率组。使用这种高功效、高输出的发光二极管具有特定的优点，即以相对小的发光二极管数量来实现相对高的光输出。这对将要制造的照明系统的紧凑性和效率具有正面影响。如果将发光二极管功率组安装在这种(金属芯)印刷电路板2上，由发光二极管所产生的热易于经由PCB通过热传导而得以散失。在一种有利的照明系统的实施例中，该(金属芯)印刷电路板2与照明系统的外壳(图1中未示出)通过热传导的连接方式而接触。优选地，将所谓裸露的功率性发光二极管片安装在基底上，该基底比如可以是绝缘的金属基底、硅基底、陶瓷或复合基底。该基底提供了与该片的电连接并作为良好的热传输部件，以将热传输到热交换器。
图1A所示实施例的照明系统包括多个光准直部分12，12′和一个混光部分3。光准直部分12，12′沿着照明系统的纵轴线25基本上相互平行地布置。每一个光准直部分12，12′与至少一个发光二极管R，G，B相关。在图1的实例中，一个单个的发光二极管与每个相应的光准直部分相关。在一个替代性实施例中，具有多个与每个相应的光准直部分相关的发光二极管。可以是具有相同基色的多个发光二极管，或者是具有两个或更多基色的多个发光二极管。
在图1A的实例中，光准直部分12，12′充有空气。光在光准直部分12，12′中的传播以在位于该光准直部分12，12′侧壁上的反射面(22)上的反射为基础。光准直部分12，12′在面向远离发光二极管R，G，B一侧的光射出面与混光部分3结合。为明晰起见，在图1A中，在光准直部分12，12′与混光部分3之间插入了一些间距。通过避免光准直部分和混光部分之间界面，光在本发明照明系统中的传播效率得以增强。
光在混光部分3中的传播是以完全内反射(TIR)为基础的(参见图1B)。通过使发光器所发射的光的传播以TIR为基础，大大避免了光在混光部分3中的损耗。另外，通过给混光部分3提供多个(基本扁平的)以平行于纵轴线进行布置的面，促使对发光器所发射的光进行空间混合。如果混光部分具有基本为圆形的外表面，那么，这对于发光二极管所发射的光的空间混合而言将是不利的。
优选地，混光部分3具有四个或者六个面。我们发现，这种优选的面的数量提供了对发光二极管R，G，B所发射的光进行空间及空间角度的混合。
在面向远离发光二极管R，G，B的侧，混光部分3具有光射出窗口13，以从照明系统向布置成垂直于纵轴线25的虚构投射面21射出光(参见图1C)。在本申请的说明书和权利要求书中引入虚构的投射面21仅仅旨在阐明本发明的效果。
根据本发明，混光部分3在面向远离发光二极管R，G，B的侧的端部5具有棱镜形凸出部7。该棱镜形凸出部使得混光部分3在沿着纵轴线25朝着光射出窗口13的预定侧加宽。如果将混光部分制成通常的形状，亦即无棱镜形凸出部，则，光将由照明系统以均匀方式进行发射，这样，虚构的投射面将会被均匀地照亮。通过为混光部分3的端部5提供棱镜形凸出部7，使得混光部分3具有非对称楔形形状，从而使得由照明系统所发射的光分布便得不对称。
发光二极管R，G，B发射的、在光准直部分12，12′中准直并进入混光部分3的光在混光部分3中以完全内反射进行传播。光线(参见图1B)被反射到混光部分的外表面上，而没有到达临界角。原则上，只要光线不进入混光部分3的端部5，在混光部分3中的所有光线均以非对称方式进行传播。在混光部分3的端部5处提供棱镜形凸出部7产生了非对称端部5并打乱了光线在端部5中的对称传播。朝着该棱镜形凸出部7行进的光线经过介于混光部分3和棱镜形凸出部7之间的虚构边界17(参见图1B)。这些光线在虚构边界17处不再被反射(参见在图1B中以虚线所示的光线)，而是直接朝着混光部分的光射出窗口13(参见图1B)传播并且在混光部分3之外在光射出窗口处进行耦合。仅仅那些进入棱镜形凸出部7的光线传播通过提供棱镜形凸出部7而得以改变。通过提供棱镜形凸出部7，由照明系统所发射的光的光分布得以改变并变成非对称的。在光射出窗口13处，较少的光以指向，亦即，象图1B中以虚线所示的那样的光线将不再出现，而更多的光以指向上的方向进行发射，亦即，从位于棱镜形凸出部7中的光射出窗口13射出的光线大都被向上引导。
如果由根据本发明的照明系统所发射的光被投射到虚构的投射面21上(参见图1C)，则，在虚构的投射面21处的照明不再均匀，而获得在虚构投射面的部分之间的亮度分离。为了投射由照明系统所发射的光，该照明系统进一步包括布置在混光部分3的光射出窗口13和虚构的投射面22之间的正透镜20。提供棱镜形凸出部7的作用为使得在虚构投射面21的第一部分22处的照度相对低，而在虚构的投射面21的第二部分22′处的照度相对高。在混光部分3的提供有棱镜形凸出部7的侧，在虚构的投射面21处的照明相对暗(虚构投射面21的成形部分22)，而在混光部分3的未提供有棱镜形凸出部7的侧，在虚构的投射面21处的照明相对高。在图1B中，示出了将棱镜形凸出部7相对于纵轴线25变宽的角度α选定成使得在棱镜形凸出部7的外表面27处没有光被面向光射出窗口13进行反射。该变宽的角度α依赖于进入混光部分3中的光的角度分布并在很大程度上取决于发光二极管R，G，B所发射的光的角度分布和该光准直部分12，12′的变宽特征，即该光准直部分12，12′的形状。进入混光部分3中的光的角度分布越宽广，得选择越大的变宽角度α，以避免在棱镜形凸出部7的外表面27处进行面向光射出窗口13的反射。优选地，棱镜形凸出部变宽的角度α介于10度到35度的范围内。当该变宽的角度α选得太小(α＜10度)，则光准直部分则变得太长。另一方面，当变宽的角度α选得太大(α＞30度)，由照明系统所发射的光分布则变得太宽广，以致于在虚构的投射面21中无法获得期望的照明。在一种很有利的实施例中，变宽的角度α约为20度。
图2高度示意性地示出了根据本发明第二实施例的照明系统的透视分解图。在该实施例中，将发光二极管R，G，G，B以及对应的光准直部分12，12′定位成象方形一样的布置。混光部分3的形状适于与光准直部分12，12′匹配。
图3示出了作为本发明照明系统所发射光的竖向角(单位：度)的函数的照度分布。在图3中所获得的该照度分布的特征形状，在θ＝0度的右侧照度陡减，而在θ＝0度的左侧照度缓慢地减小。这使得照明系统非常适于用作近光前灯，在近光前灯中，设计使得光被会聚成在水平面以下的近光，即投射到路面上，而使得对面来的车辆不会被前灯所晃眼。根据本发明的照明系统满足使得汽车的光束图案向下投射的需要。在其它部分中，这些(法定)需求规定了创建一种对于以一定的车间距来测量而言相对明显的、介于由车辆前灯所发射光束的被照明区域和炫目区域之间的所谓分割线。如图3所示，由根据本发明的照明系统所发射的照度分布满足这些需求。
应当理解，上述实施例不是旨在限制本发明，并且本领域技术人员将会在不脱离所附权利要求书的范围的情况下，设计出许多替代实施例。在权利要求书中，任何括号中的附图标记都不应当认为是对权利要求书的限制。使用″包括″及其结合词并不排除除了那些在权利要求中申明的元件或步骤之外，还会有其它元件或步骤的出现。元件前的冠词″一″或″一个″并不排除多个这种元件的出现。本发明可以通过包括几种不同元件的硬件来实现，并且可通过适当编程的计算机来实现。在列举有几种装置的装置权限中，这些装置中的一些可以通过同一个硬件单元来体现。事实上，在相互不同的从属权项中所描述的特定方法并不意味着这些方法的组合使用不利。

Claims (10)

1.一种照明系统，包括：
多个发光二极管(R，G，B)，
至少一个光准直部分(12，12′)，用于准直由发光二极管(R，G，B)所发射的光，
该至少一个光准直部分(12，12′)沿着该照明系统的纵轴线(25)布置，
该至少一个光准直部分(12，12′)在面向远离该发光二极管(R，G，B)的侧与混光部分(3)结合，
该混光部分(3)具有多个沿着该纵轴线(25)的侧面，
在混光部分(3)中的光传播以完全内反射为基础，
该混光部分(3)在面向远离该发光二极管(R，G，B)的侧具有光射出窗口(13)，用于将光从照明系统射向虚构的投射面(21)，该虚构的投射面(21)布置成垂直于该纵轴线(25)，
该混光部分(3)的端部(5)在面向远离该发光二极管(R，G，B)的侧具有棱镜形凸出部(7)，该混光部分(3)在沿着该纵轴线(25)的一个预定侧处朝着该光射出窗口(13)变宽，以在虚构的投射面(21)处获得这样的光分布，即使得在该虚构的投射面(21)的第一部分(22)处的照明相对低，而在该虚构的投射面(21)的第二部分(22′)处的照明相对高，
位于该虚构的投射面(21)处的第一部分(22)在该纵轴线(25)的与该混光部分(3)的棱镜形凸出部(7)相同的侧获得。
2.如权利要求1所述的照明系统，其中该棱镜形凸出部(7)相对于该纵轴线(25)变宽的角度α被选择成使得没有光在该棱镜形凸出部(7)的外表面(27)处面朝该光射出窗口(13)反射。
3.如权利要求2所述的照明系统，其中该棱镜形凸出部(7)的变宽的角度α介于10°-35°之间。
4.如权利要求1或2所述的照明系统，其中该照明系统在面向远离该光射出窗口(13)的侧具有正透镜(20)，用于投射由该照明系统所发射的光。
5.如权利要求1或2所述的照明系统，其中该混光部分(3)具有四个或六个面。
6.如权利要求1所述的照明系统，其中该照明系统包括沿着该照明系统的纵轴线(25)布置成基本上相互平行的多个光准直部分(12，12′)，每一个该光准直部分(12，12′)均与至少一个发光二极管(R，G，B)相关。
7.如权利要求6所述的照明系统，其中，在该光准直部分(12，12′)中的光传播以完全内反射为基础或以在该光准直部分(12，12′)的反射面(22)上的反射为基础。
8.如权利要求1或2所述的照明系统，其中该发光二极管包括至少一个第一基色的第一发光二极管(R)、至少一个第二基色的第二发光二极管(G)以及至少一个第三基色的第三发光二极管(B)，该三个基色彼此相异。
9.如权利要求8所述的照明系统，其中，当以额定功率驱动并具有在室温下产生光的发光二极管(R，G，B)连接时，每一个该发光二极管(R，G，B)均具有至少25mW的辐射功率输出。
10.一种车辆前灯，包括如权利要求1或2所述的照明系统。
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