CN101427068A - 用于车辆的自适应前照明系统的灯单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于车辆(100)的自适应前照明系统(AFS)(500)的灯单元(501)。该灯单元(501)包括设置成接收由光源(502)发出的光的液晶元件(200/200’)，所述液晶元件(200/200’)具有其中它适于透射输入光而基本上不折射所述输入光的第一状态以及其中它适于在所述输入光穿过所述液晶元件时折射该输入光的第二状态。这允许改变光而在灯单元(501)中没有任何机械运动或者没有灯单元(501)的任何机械运动。本发明还涉及包括这种灯单元(501)的AFS(500)以及包括这种AFS(500)的车辆(100)。

Description

用于车辆的自适应前照明系统的灯单元
本发明涉及一种用于车辆的自适应前照明系统(AFS)的灯单元。本发明还涉及包括这种灯单元的AFS，以及包括这种AFS的车辆。
目前，车辆具有低的光束和高的光束，并且有些车辆具有一对雾灯来应对雾中的不利驾驶条件。然而，白昼期间以及在具有公共照明的建成区中驾驶期间，不同的环境需要的特殊光源。在具有许多交叉路口的市区内，当前的非对称主光束达不到期望的效果，在停车之后的加速期间产生附加的眩光时，情况尤其如此。以更高的速度驾驶在高速公路上，单独的车道上是迎面而来的交通流量，这要求其他的照明功能。由于路面反射的原因，不利的天气条件具有其他的影响，导致降低的发光度以及更高的(反射)眩光。在下雪、降雨或者有雾的时候，雪花或者水滴吸收和散射发射的光，并且视觉受到反射的光的遮蔽，从而导致缩短的视距。因此，针对引入自适应前照明系统(AFS)的立法工作正在准备之中。
AFS是这样一种系统，其中车辆车头灯(headlamp)可以选择性地改变投射的光束模式以便预测车辆的方向。AFS与固定车头灯系统形成对比，在所述固定车头灯系统中，车头灯仅仅可用来向前进方向投射光。AFS对于司机是有用的，因为它随着道路状况和车辆运动而改变光束模式，以便持续地将光投射到车辆前的车道上，而不管车辆是在转弯还是在沿着倾斜道路向上或者向下行进。因此，司机将更加了解前方的道路，并且从而能够更加精确地预测即将出现的车道上的障碍或者其他问题。通过向上或者向下倾斜光束模式，即使当车辆底盘间距相对于悬架发生变化时，AFS也能够将光投射到车辆前恒定的距离上。AFS还能够在车辆转弯的时候连续地跟随即将出现的车道。这样，所述车头灯照亮司机需要看到的车道。
US6623147公开了一种用于车辆中的自适应前灯系统。公开的AFS包括光轴调节装置，其例如由电机构成的调平机构(levelingmechanism)，用于根据控制信号在垂直向上以及向下的方向上倾斜灯。然而，机械运动易于发生故障，具有短的寿命并且制造和安装成本高。此外，机械运动需要大量的电，增加了用于控制AFS的成本。
因此，需要一种改进的自适应前照明系统，其基本上克服了现有技术的至少一些缺陷，更特别地克服了由于目前的已知自适应前照明系统中的机械故障而引起的寿命短的问题。
上述目的是通过如权利要求1中限定的用于车辆的自适应前照明系统的灯单元来实现的。所附的从属权利要求限定了依照本发明的有利实施例。
依照本发明的一个方面，提供了用于车辆的自适应前照明系统的灯单元，其包括设置成接收由光源发出的光的液晶元件，所述液晶元件具有其中它适于透射输入光而基本上不折射输入光的第一状态以及其中它适于在输入光穿过该液晶元件时折射该输入光的第二状态，其中根据从自适应前照明系统接收的信号控制所述液晶元件。
依照本发明，当液晶元件进入第二状态时，由光源发出的光被折射，结果从灯单元发出的光束的形状可以根据外界照明条件(白昼、黎明、公共照明、夜晚)、交通环境(具有单独的车道的汽车高速公路、蜿蜒的乡村道路、城镇街道)、天气状况(干燥、潮湿、降雨、下雪、有雾)以及车辆定向(负荷造成的倾角变化、驾驶时的动态倾角变化、车辆控制速度的程度、离地间隙)来进行调节。另外，还可以调节光束形状以便防止使得迎面而来的车辆眩目，从而提高交通安全性。
由于液晶元件用来折射由光源发出的光，从而取代了对于机械运动的需求，因而依照本发明的用于AFS的灯单元实现了显著的改进。与目前的用于使用机械运动的AFS的已知灯单元相比，这种灯单元制造成本不那么高，更易于安装和维护，具有更长的期望寿命并且将要求更少的电力。
所述液晶元件在第二状态下可以例如适于改变来自光源的光的方向(例如使所述光倾斜)，或者改变来自光源的光的分布(例如扩宽所述光束)。
在本发明的一个实施例中，液晶元件包括表面起伏(surfacerelief)结构，使得该液晶元件在第二状态下当输入光穿过该液晶元件时改变输入光的方向和/或分布。这基于光在液晶与固体结构之间的界面处的折射。这种类型的部件的主要优点在于，可以设计执行特定功能的任何折射结构并且将其置于LC单元(cell)/元件中，其中它可以在不同的状态之间切换。例如，表面起伏结构可以包含具有三角形、矩形、圆形以及椭圆形截面中的至少一种的线性光栅结构。例如，如果使用了三角形光栅结构，那么在这种元件两端施加的电压的变化可以实现倾斜效应，例如在竖直方向上调节所述光的轴，使得由光源发出的光在与车辆相距一定距离处射向车辆前方的道路，所述距离取决于倾斜角。如果与其中光束指向更向上的方向的第一状态相比，所述光束在第二状态下朝道路向下倾斜，那么就实现了其中更多的道路两侧被照亮的效果。当驾驶于例如建成区中时，这种效果是优选的。相比较而言，当驾驶在高速公路上时，优选的是以投射到离开车辆更长距离处的更窄光束照亮道路。光束的倾斜效应具有另外的优点，因为它将防止使得迎面而来的车辆眩目。本领域技术人员应当认识到，还可以在水平方向上调节所述光的轴，使得当车辆进入道路的拐弯处时光束随着车辆而“转弯”。在另一个实例中，当使用了圆柱形或者椭圆形截面结构(或者这两者的组合)时，可以在输入光穿过液晶元件时改变输入光的分布。这样的能够改变光在一个方向上的分布(例如使光变宽)的结构是重要的，因为它们不引起其他方向上的强度分布的变化，从而能够满足交通法规规定的眩光要求。改变施加在LC元件两端的电压使得实现发出的光的变宽效应成为可能，从而造成例如更多的道路两侧被照亮，同时光束被聚焦在车辆前方相对较远的地方。当在乡村环境下驾驶车辆时，这种变宽效应是有利的。
在本发明的另一个实施例中，液晶元件是可以用来改变输入光的分布的各向异性散射元件。在本发明的又一个实施例中，液晶元件是GRIN光学元件。GRIN光学元件优选地在其两个表面上包括线性电极以便在GRIN光学元件两端施加电场。在一个可替换实施例中，GRIN光学元件在元件表面的至少一个上包括相互交叉的(interdigitated)梳状电极，用以在液晶两端施加电场。
所述灯单元还可以包括至少一个上述任何类型的附加的液晶元件。例如，可以在阵列中并列地设置多个相似的液晶元件。此外，可以组合具有不同结构的液晶元件，例如包括三角形光栅结构的液晶元件以及包括圆柱形透镜结构的液晶元件。这种构造使得可以实现上述两种效应——倾斜和变宽。
为了实现高的能量效率，光源可以包括一个或多个发光二极管(LED)、无机LED、高强度放电灯或者等离子灯。例如，LED具有比常规灯泡高得多的能量效率，所述常规灯泡一般以光的形式最多释放由它们消耗的电力的大约6％。本领域技术人员应当理解，显然可以使用标准的白热光源，例如氩、氪和/或氙光源。
本发明最适合于与LED一起使用，因为LED发出“冷”辐射，即没有红外辐射。如果使用了上述其他灯技术，那么必须注意从其光谱中滤除红外辐射以便避免GRIN光学元件或者液晶元件变得过热。
有利的是，所述灯单元还配备有投影透镜，所述透镜优选地与液晶元件直接光学接触。
依照本发明的另一个方面，提供了用于车辆的自适应前照明系统，其包括依照上面的描述的灯单元以及适于将切换电压施加到液晶元件的控制单元。优选地，使用AC电压以便避免电荷累积。频率优选地为100Hz-1kHz。控制单元优选地包括用于控制所施加的电压的可变电压源，并且电压借助于液晶元件的至少两个电极施加在液晶的两端。这些电极还可以是分段的。
此外，AFS可以包括用于提供指示车辆状态的信号的传感器，所述控制单元适于接收所述信号并且根据接收的信号将切换电压施加到液晶元件上。这种传感器可以从包括转向盘角度传感器、用于所述车辆的速度的传感器、道路弯度传感器、径向力传感器、倾角传感器、GPS传感器、光传感器以及天气传感器的组中选择。通过使用如上所述的传感器或者具有关联的测图系统的车辆中存在的导航系统，可以事先识别将出现在道路中给定距离处的拐弯并且从而预先进行道路的照明，所述关联的测图系统具有由GPS传感器给出的指示。此外，例如，由倾角传感器产生的数据可以用来补偿车辆的加速/减速，所述加速/减速可能造成光束使得迎面而来的行人车辆眩目。
依照本发明的又一个方面，提供了包括依照上面的描述的自适应前灯系统的车辆。这种车辆可以是例如汽车、卡车、摩托车、列车、自行车等等。本发明的另外的特征和优点根据所附的权利要求以及下面的描述将变得清楚明白。本领域技术人员应当认识到，可以对本发明的不同特征进行组合以便得到与以下描述的实施例不同的实施例。
现在将参照示出了本发明的当前优选实施例的附图来更加详细地描述本发明的这些和其他方面，在附图中：
图1a-1c说明了利用三种不同的光束模式照射道路的小汽车；
图2a-2b说明了依照本发明实施例的两种不同的液晶元件的构造；
图3a-3c说明了依照本发明另一个实施例的液晶折射率梯度(GRIN)元件；
图4a-4b说明了依照本发明又一个实施例的各向异性散射元件；
图5为依照本发明的当前优选实施例设置的用于车辆的自适应前照明系统的框图；以及
图6说明了依照本发明一个实施例的包括投影透镜的灯单元。
现在，参照附图并且特别是参照图1a-1c，其中绘出了照射道路101的车辆100。如图1a所示，车辆100的车头灯(headlight)被设置成以高速公路光束模式102照射道路101。优选地，当车辆100沿着道路101(例如高速公路)以相对较高的速度行驶时，使用高速公路光束模式102。在这种情况下，从车辆100的车头灯发出的光的光轴基本上平行于道路101。然而，当进入越野环境中时，优选地使得车辆100的车头灯的光轴朝道路101向下倾斜，从而获得越野光束模式103。越野光束模式103将避免使得迎面而来的车辆眩目并且优选地在以中速行驶时使用。在图1c中，针对城镇照明条件调节了所述光束模式。车辆100的车头灯的光轴进一步向下倾斜，并且所发出的光也被加宽，从而获得城镇光束模式104。优选地，当以相对较低的速度行驶时，使用城镇光束模式104。城镇光束模式104将增加道路101两侧的照明，提高与例如在路101边行走的行人和骑车人有关的交通安全。
图1a-1c中示出的全部不同照明模式可以利用包括光源以及依照本发明的具有液晶元件的灯单元的自适应前照明系统(AFS)来实现。
图2a示出了这种液晶元件(LC元件)200的一个实例，所述LC元件可以引入光方向的交替变化，例如水平或竖直倾斜。LC元件200可以实现如图1b和1c所示的向下倾斜效应。LC元件200包括玻璃基底201、透明电极202、取向层203和204、液晶材料205、表面起伏结构206、透明电极207以及玻璃基底208，所述表面起伏结构206在这里具有三角形形状。当零电压信号或者非零电压信号提供给透明电极202、207时，由于电场的施加改变了液晶分子的取向这一事实，输入光209被折射210或者未被折射211，并且光束能够或者不能不受折射地通过。如果需要实现两个偏振方向，那么需要在其中LC元件中的液晶分子的取向互相垂直的构造中使用两个这样的LC元件200。分子的取向方向可以保持相同。然而，在这种情况下，需要在LC元件200之间插入半波片。
图2b示出了用于改变光的分布(例如用于使光束变宽)的LC元件200’。例如，如上面参照图1c所描述的那样使用变宽效应。LC元件200’基本上与图2a的LC元件200相同。然而，图2a的取向层204以及表面起伏结构206被取向层204’以及圆柱形透镜结构206’替换。这种设置提供了按照与图2a相似的方式折射输入光209的可能性，但是在这里这是通过改变输入光209的分布以便实现比输入光束209更宽的光束212来实现的。这种类型的LC元件200’可以例如用来实现如图1c所示的城镇光束模式104。
改变输入光209的方向和/或分布的效果可以例如按照两种不同的方式来实现。首先，例如，如果取向层204/204’选自折射率几乎与零电压状态下的液晶材料205的折射率之一相同的各向同性材料，那么LC元件200/200’将起着透镜的作用(即第二状态)。一旦在透明电极202、207两端施加了电压，那么液晶材料205中的分子就被重新取向(reorient)，并且透镜效应消失(即第一状态)。
其次，例如，如果结构206/206’选自折射率几乎与零电压状态下的液晶材料205的折射率相同的各向异性材料，那么就不存在透镜效应(即第一状态)。一旦在透明电极202、207两端施加了电压，那么液晶材料205的分子就被重新取向，并且LC元件200/200’将起着透镜的作用(即第二状态)。
图2a-2b说明了单个的LC元件，但是可替换地可以例如在阵列中使用多个这样的元件。图2a-2b还示出了两种特殊的结构。然而可替换地，可以使用具有各种截面(例如三角形、弯曲的、矩形及其组合)的其他结构。
图3a-3b以截面图说明了本发明的AFS的灯单元中使用的LC元件的另一个实例，即液晶梯度折射率(GRIN)元件300。该GRIN元件300包括分别设置在玻璃基底303和304上的图案化(patterned)顶部和底部电极301和302。液晶材料305已经设置在打磨的聚合物层306和307之间。包含图案化电极301、302的GRIN元件300的两个表面被对准以致于重叠。当在电极301和302两端施加电压时，电场线泄漏到玻璃基底303和304没有电极的区域之下的LC材料305中，使得在这些区域中产生均匀的电场。结果，LC材料305中的LC分子在没有电极的这些区域中进入变化的倾斜取向状态。从而，在不包含电极的区域中形成折射率梯度。例如，如果透明电极301、302这样设置，即以平行线的形式处于玻璃基底303和304的表面上，那么由LC材料305引起的梯度折射率可以具有圆柱形透镜的功能。
当在透明电极301和302之间没有施加电压(图3a)时，液晶材料305的分子是单轴取向的，在GRIN元件300中没有透镜效应，并且输入光309穿过GRIN元件300而没有被改变。
然而，当在透明电极301、302之间施加电压(图3b)时，在透明电极301、302之间的区域中引入折射率梯度并且输入光309的路径发生改变。
图3c是另一种变型的GRIN元件的平面图。在这种变型中，电极310、311以“平面内交替构造”放置在仅仅一个基底或表面303上。电极310、311具有如图3c所示的梳状结构。在其他基底或表面上不存在电极。在这里，可以将LC材料的LC分子的初始取向选择成垂直于梳状电极310和311或者垂直于包含这些电极的玻璃基底303。分子的初始取向可以由取向层形成。这种层对于本领域技术人员是众所周知的。在电场关闭状态下，所述元件是透明的并且横穿的光束不受影响。然而，电场的施加在所述电极之间引起弯曲的电场。在这种状态下，再次在LC分子的取向上产生梯度，导致折射率梯度的形成。
使用GRIN元件的特定优点在于，它比具有完全透明电极覆盖(coverage)的元件具有更高的透明度。作为图案化结构的结果，部分透明覆盖使得GRIN元件的透明度增大。
图案化电极还可以由具有兆欧姆/平方范围的非常高表面电阻的层所覆盖。在这种情况下，可以使用与电阻器串联的并联电容器对所述元件进行建模，由此也可以不仅通过电压的幅度还通过所施加的电压的频率来调节LC取向以及进而该元件上的折射率分布。
图3a-3c中的GRIN元件300示为偏振相关的。如果需要影响两个偏振方向，那么在GRIN元件中的液晶分子的取向互相垂直的构造中需要使用两个这样的GRIN元件。在两个GRIN元件中，分子的取向方向可以保持相同。然而，在这种情况下，需要在这些GRIN元件之间插入半波片。在本发明的又一个实施例中，LC元件包括如图4a-4b所示的可切换各向异性散射液晶凝胶材料。图4a示出了这种材料405，其在没有任何电压的情况下是透明的。换言之，当零电压信号提供给分别存在于基底401和404之上的透明电极403和407时，输入光409不发生散射。另一方面，当提供足够高的电压时，材料405变为散射性的(图4b)并且在垂直于LC材料的LC分子取向的方向上散射光。这种凝胶材料405可以从包含LC的活性(reactive)分子的混合物获得。该混合物被引入所述元件或单元中，并且由取向层406和402形成单轴取向。在有取向的状态下聚合活性分子后产生凝胶。
图5为依照本发明另一个方面的用于车辆100的自适应前照明系统(AFS)500的框图。AFS 500包括光源502(例如LED)、具有第一LC元件200(如图2a所示)以及第二LC元件200’(如图2b所示)的灯单元501。如图5所示的AFS 500能够利用如图1所示的光束模式102-104中的任何一种来照射道路101。图5示出了其中AFS 500已经被设置成利用图1c的城镇光束模式104照射道路101的情况。
AFS 500还包括与两个驱动器电路504、504’电通信以便向对应的LC元件200、200’提供可变电压的控制单元503。驱动器电路505还与控制单元503电通信以便控制光源502。控制单元503适于从外围传感器接收控制信号，所述外围传感器例如倾角传感器(inclinesensor)506和/或转向盘角度传感器507。本领域技术人员应当认识到，可替换地或者附加地，其他传感器可以连接到控制单元503，例如针对车辆100的速度的传感器、道路弯度(bend)传感器、径向力传感器和/或GPS传感器系统。用户接口508连接到控制单元503以便人工控制AFS 500。
用户接口508可以包括用户输入设备，例如按钮以及可调节控制器，所述用户输入设备产生由控制单元503接收的信号或电压。该电压可以是与高和低的数字状态对应的数字信号。如果该电压是模拟电压的形式，那么可以使用模数(A/D)转换器将所述电压转换成可使用的数字形式。然后，来自A/D的输出将向控制单元503提供数字信号。控制单元503可以包括微处理器、微控制器、可编程数字信号处理器或者某个其他可编程设备。可替换地或者附加地，控制单元503可以包括专用集成电路、具有可编程阵列逻辑的可编程门阵列、可编程逻辑器件或者数字信号处理器。如果控制单元503包括诸如上述微处理器或者微控制器之类的可编程器件，那么所述处理器还可以包括控制该可编程器件的操作的计算机可执行代码。
在操作期间，控制单元503将根据从倾角传感器506和/或转向盘角度传感器507接收的信号和/或相对于路线图的定位信息，计算用来照射道路101的适当的光束模式。然后，控制单元503向每个所述驱动器电路504、504’提供与计算的光束模式对应的驱动信号，所述驱动器电路又向LC元件200、200’提供模拟驱动电流以便如以上关于图2-4所描述的那样在第一非折射状态以及第二折射状态之间切换LC元件200、200’。
由图5可知，光源500将发出撞击到第一LC元件200上的光509，所述第一LC元件200将根据瞬时状态(在这种情况下为第二或折射状态)改变发出的光509的分布，从而产生更宽的光束510。该更宽的光束510又将撞击第二LC元件200’，该第二LC元件200’将根据瞬时状态(在这种情况下为第二或折射状态)改变更宽的光束510的方向，从而产生更宽且倾斜的光束511。所述更宽且倾斜的光束511有利地用来以图1c的城镇光束模式104照射道路101。本领域技术人员易于理解的是，利用依照本发明的AFS 500可以产生图1a-1c所示的所有光束模式。此外，使用由转向盘角度传感器507提供的控制信息和/或相对于路线图的定位信息、不同的LC元件200以及公知的预测算法，使得可以例如当驾驶在蜿蜒的道路上时将光束的光轴例如改变成水平方向以便在道路方向上提供道路照明。
例如上面如图5所示的灯单元此外还可以包括投影透镜，其中要投影到道路上的光束形状来源于置于投影透镜的焦点处的孔径(具有特定形状的开口)。图6说明了这种灯单元的一个实例，其中光源为具有光束整形器602的单个LED模块601，并且其中投影透镜603置于光学切换元件604的下游位置。光学切换元件604可以包括以上关于图2-4描述的任何类型的LC元件。此外，投影透镜应当置于紧靠光学切换单元的位置。优选地，光学切换单元与投影透镜的平坦表面进行光学接触，如图6所示。该灯单元以及光源可以用来例如产生光图案600。
本领域技术人员应当认识到，本发明决不限于以上描述的优选实施例。相反，在所附的权利要求的范围内，许多修改和变型是可能的。例如，在包含具有依照本发明的AFS的两个车头灯的车辆中，每个车头灯可以适于相对于另一个车头灯独立地起作用。此外，还可以提供具有依照本发明的功能的尾灯。

Claims (17)

1.一种用于车辆(100)的自适应前照明系统(500)的灯单元(501)，包括：
-设置成接收由光源(502)发出的光的液晶元件(200/200’)，所述液晶元件(200/200’)具有其中它适于透射输入光而基本上不折射所述输入光的第一状态以及其中它适于在所述输入光穿过所述液晶元件(200/200’)时折射该输入光的第二状态，其中根据从自适应前照明系统(500)接收的信号控制所述液晶元件。
2.依照权利要求1的灯单元(501)，其中所述液晶元件(200)在所述第二状态下适于在所述输入光穿过所述液晶元件(200)时改变该输入光的方向。
3.依照权利要求1的灯单元(501)，其中所述液晶元件(200’)在所述第二状态下适于在所述输入光穿过所述液晶元件时改变该输入光的分布。
4.依照权利要求2或3的灯单元(501)，其中所述液晶元件(200’)包括表面起伏结构(206，206’)。
5.依照权利要求4的灯单元(501)，其中所述表面起伏结构包含具有三角形、矩形、圆形以及椭圆形截面中的至少一种的线性光栅结构。
6.依照权利要求3的灯单元(501)，其中所述液晶元件为各向异性散射元件。
7.依照权利要求2或3的灯单元(501)，其中所述液晶元件为GRIN光学元件，该GRIN光学元件具有第一和第二表面。
8.依照前面的权利要求中任何一项的灯单元(501)，其中所述液晶元件(200/200’)包括适于接收电压以便切换所述液晶元件(200/200’)的状态的至少两个电极(207/202)。
9.依照权利要求7和8的灯单元(501)，其中所述GRIN光学元件在两个所述元件表面上包括线性电极以便在所述元件两端施加电场。
10.依照权利要求7和8的灯单元(501)，其中所述GRIN光学元件在所述元件表面的至少一个上包括相互交叉的梳状电极以便在所述元件两端施加电场。
11.依照前面的权利要求中任何一项的灯单元(501)，还包括至少一个附加的液晶元件(200/200’)。
12.依照前面的权利要求中任何一项的灯单元(501)，其中所述光源(502)包括以下之一：至少一个LED、无机LED、高强度放电灯以及等离子灯。
13.依照前面的权利要求中任何一项的灯单元(501)，还包括投影透镜，所述透镜优选地设置成与所述液晶元件直接光学接触。
14.一种用于车辆(100)的自适应前照明系统(500)，包括：
-依照权利要求1-13中任何一项的灯单元(501)，以及
-适于向所述液晶元件(200/200’)施加切换电压的控制单元(503)。
15.依照权利要求14的自适应前照明系统(500)，还包括用于提供指示所述车辆(100)状态的信号的传感器(506/507/508)，其中所述控制单元(503)还适于接收所述信号并且根据所接收的信号将所述切换电压施加到所述液晶元件(200/200’)上。
16.依照权利要求15的自适应前照明系统(500)，其中所述传感器(506/507/508)选自包括转向盘角度传感器、用于所述车辆的速度的传感器、道路弯度传感器、径向力传感器、倾角传感器、GPS传感器、光传感器以及天气传感器的组中。
17.一种包括依照权利要求14-16中任何一项的自适应前照明系统(500)的车辆(100)。
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