CN110073141B - 投影仪型车辆头灯 - Google Patents

Abstract

公开了一种不具有物理灯罩的投影仪型车辆头灯。车辆头灯包括用于发射光的第一光源（10）、光通过其离开头灯的透镜（20）以及用于接收来自第一光源（10）的光并将所接收的光引导朝向透镜（20）的第一光学器件（30），其中透镜（20）具有在第一光学器件（30）和透镜（20）之间的焦面（201），并且其中透镜（20）具有光轴。当头灯安装在车辆中时，第一光学器件（30）被配置为在高于焦面（201）与参考平面（p1、p2）的交叉线（201a）的焦面（201）上生成第一光源（10）的多个图像（100），其中参考平面（p1、p2）包含透镜（20）的光轴，并且其中参考平面（p1、p2）与水平面围成0‑45度范围内的角度（α）。第一光学器件（30）是具有椭圆侧边缘（303）的弯曲反射器。

Description

投影仪型车辆头灯

技术领域

本发明总体涉及车辆头灯，并且特别地涉及不使用物理灯罩的投影仪型车辆头灯。

背景技术

一般而言，典型的常规车辆头灯至少包括光源1、非球面准直透镜2和可移动灯罩3，如图1所示。可移动灯罩3通常由马达经由机械装置驱动，并且它充当实现车辆（诸如汽车）的近光（通过光束）和远光（行车光束）的必要部件。在近光模式中，灯罩3工作以阻挡从光源1发射的光的一部分以形成可以去除对人眼的眩光的截止线，因此生成的近光对于来自前方的司机而言更加舒适且更安全。当车辆头灯处于远光模式时，可以降低或去除灯罩3，使得来自光源1的所有光可以被投射出去以增强对外部环境的照明性能。

因此，在现有技术中，需要准直透镜2后面的物理灯罩3，使得可以相应地整形近光的截止线。然而，物理灯罩3也可能引起车辆头灯的一些问题。例如，由于灯罩通常由具有更多意外故障风险的机械装置驱动，因此车辆头灯可能具有较低的有效操作寿命，并且灯罩因此例如可能为远光创建意外的截止线。此外，从光源发射的光的物理灯罩阻挡部分可能导致较低的光利用率。

EP1672272A2公开了在投射透镜的焦平面内和在包含透镜的光轴的水平面上方生成扩展光源的中间图像，以用于生成具有靠上的亮/暗截止的光束。 EP2390562A2提出了通过反射器将扁平光发射器成像到包括该发射器的平面中，在那里形成受控制曲线限制的热点，并且然后热点通过透镜投射到道路上以形成截止光束而不使用物理灯罩。

仍然需要提供改进的车辆头灯，以减轻或避免由头灯中的物理灯罩引起的问题。

发明内容

本发明的实施例的一般目的是提供一种不具有物理灯罩的投影仪型车辆头灯，以便消除或至少减轻上述问题。

根据本发明的一实施例，所提出的投影仪型车辆头灯包括用于发射光的第一光源、光通过其离开头灯的透镜以及用于接收来自第一光源的光并将所接收的光引导朝向透镜的第一光学器件，其中透镜具有在第一光学器件和透镜之间的焦面，并且其中透镜具有光轴。第一光学器件被配置为，当头灯安装在车辆中时，在高于焦面与参考平面的交叉线的焦面上生成第一光源的多个图像，其中参考平面包含透镜的光轴，并且其中参考平面与水平面围成在0-45度的范围内的角度α。

对于本实施例提供的投影仪型车辆头灯，可以在不影响头灯的正常近光功能的情况下从车辆头灯中消除常规的物理灯罩，这种车辆头灯是基于光的可逆性原理设计的。特别地，第一光学器件被设计成使得，当头灯安装在车辆中时，如上所述地在高于焦面的交叉线的焦面上生成第一光源的多个图像。以这种方式，当头灯安装在车辆中时，可以从头灯生成近光，而不需要物理灯罩。因此，可以实现车辆头灯的更简单的结构和光的更高的利用率。

第一光源可以是任何合适的光装置，包括但不限于发光二极管（LED）。第一光学器件是反射器。

反射器包括弯曲反射表面，如当头灯安装在车辆中时看到的，弯曲反射表面具有上边缘、下边缘和连接上边缘与下边缘的侧边缘，并且第一光源的发光表面面对反射器的弯曲反射表面。

侧边缘是椭圆的一部分。在侧边缘是椭圆的一部分的情况下，侧边缘的形状是相对易于设计的，并且通过沿着所设计的椭圆的形状的侧边缘扫过样条可以容易地确定反射器的反射表面的模型。

在一些实施例中，第一光源位于椭圆的第一焦点处，并且椭圆的第二焦点位于焦面和透镜之间。

在一些实施例中，椭圆的第一焦点位于第一光源的发光表面的边缘的中间，该边缘是发光表面的最靠近焦面的边缘。

在一些实施例中，头灯还包括第二光源和第二光学器件，这两者被配置为将来自第二光源的光经由第二光学器件引导朝向焦面内和光轴上的透镜的焦点。以这种方式，实现了可以生成近光和远光两者的双功能头灯。

在一些实施例中，第二光源的发光表面面对第二光学器件，并且如当头灯安装在车辆中时沿竖直方向看到的，第二光源布置成比第一光源更远离第一光学器件。头灯的部件的这种布置可以使第二光源能够不阻挡来自第一光源的光和从反射器反射的光。

在一些实施例中，第一光源布置在由来自第二光源经由第二光学器件到达透镜的光穿越的路径的外部。以这种方式，可能的是，第一光源将不阻挡来自第二光源的光。

附图说明

通过参考附图对一个或多个实施例的以下描述，将进一步解释本发明的这些和其他方面、特征以及优点，在附图中：

图1图示了具有物理灯罩的现有技术车辆头灯。

图2图示了当根据本发明的实施例的车辆头灯安装在车辆中时其的透视图。

图3图示了图2中所示出的焦面201与可能的参考平面之间的关系。

图4图示了从光源通过准直透镜的光路径，以解释光的可逆性原理。

图5图示了由第一光学器件在焦面上的交叉线上方生成的第一光源的图像。

图6图示了根据本发明的实施例的反射器的轮廓。

图7示意性地示出了通过作为反射器的第一光学器件生成第一光源的图像的过程。

图8图示了根据本发明的实施例的设计用于反射器的样条的步骤。

图9图示了根据本发明的另一实施例的双功能车辆头灯。

图10和图11分别图示了从第一光源和第二光源朝向图9所示的头灯的透镜20的光路径。

图12至14借助模拟分别示出了如图9所示的用于车辆头灯的近光和远光的光分布图案。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的当前实施例，其示例在附图中示出。在所有可能的情况下，在附图和说明书中使用相同的附图标记指代相同或相似的部分。

图2图示了根据本发明的实施例的投影仪型车辆头灯的透视图，其包括用于发射光的第一光源10、光通过其离开头灯的透镜20以及用于接收来自第一光源10的光并将所接收的光引导朝向透镜20的第一光学器件30。透镜20具有在第一光学器件30和透镜20之间的焦面201，并且透镜20还具有光轴（图中未示出）。当头灯安装在车辆中时，第一光学器件30被配置成在高于焦面201与参考平面的交叉线的焦面201上生成第一光源10的多个图像，其中参考平面包含透镜20的光轴，并且其中参考平面与水平面围成在0-45度的范围内的角度α。

为了实现对上述参考平面的更清楚的理解，图3图示了焦面201和参考平面之间的关系。结合图2参照图3，在由图3中的Y轴和Z轴限定的平面上，示出了与焦面201交叉的两个可能的参考平面p1、p2。在此示例中，附图标记p2还表示水平面，即，参考平面p2与水平面围成0度的角度，而参考平面p1与水平面围成不大于45度的角度α。可以理解，任何参考平面都是可行的，只要它与水平面p2围成在0-45度的范围内的角度α即可。

本发明的实施例实际上利用了光的可逆性原理。容易理解的是，对于诸如图4所示的透镜20的透镜，从无限远距离朝向透镜20的平行光线可以集中在焦面201上。特别地，在平行光线在水平方向上的情况下，它们将被透镜20聚焦到单个焦点O。另一方向上的平行光线将聚焦到焦面201上的另一点。例如，如图4所示的朝向透镜20的倾斜平行光线将集中到点O上方的另一点O1。因此，基于光的可逆性原理，如果将光源放置在诸如图4中所示的点O和O1的位置，光将沿着图4所示的光路径穿过并离开透镜。特别地，在点O上方的位置处从光源发射的光将仅向下投射。

对于由本发明的实施例提供的车辆头灯，由第一光学器件30生成的焦面201上的第一光源10的图像可以视为虚拟光源。由于第一光源10的这些图像如上所述在交叉线上方，因此离开透镜20的光的至少一部分将处于向下方向。以这种方式，可以在头灯中没有任何物理灯罩的情况下创建近光。另外，当将头灯组装到诸如汽车的车辆中时，或者在车辆头灯的调试期间，可以稍微调整第一光学器件30和透镜20的相对位置，例如，可以在一定程度上提升或者拉下透镜20，以便从头灯实现所期望的近光。

考虑到由一些工业标准规定的45度倾斜截止线，这些实施例中的参考平面被选择为与水平面围成在0-45度范围内的角度α。特别地，在一些实施例中，参考平面可以被选择为与水平面围成在0-15度的范围内的角度α，因为根据一些国家的工业标准要求截止线的倾斜小于15度。

可以理解，透镜20的焦面201可以是弯曲表面，因此焦面201与参考平面的交叉线不一定是直线。为了更好地理解由第一光学器件30生成的光源的图像，图5示意性地示出了诸如LED的光源10、第一光学器件30、焦面201上的交叉线201a和由第一光学器件30生成的第一光源10的图像100。从第一光源10发射的光被第一光学器件30上的点30a接收，并且然后被引导朝向透镜20。此外，第一光学器件30被构造成在高于焦面201与参考平面的交叉线201a的焦面201上生成第一光源10的多个图像100。应当理解，图5的这种图示仅用于便于理解本文所述的交叉线和第一光源的图像，而不是限制本发明。

因此，在由本发明的实施例提供的投影仪型车辆头灯的情况下，可以省略常规头灯中的物理灯罩以及控制此灯罩的相关装置，并且车辆头灯的结构可以简化。而且，由于没有物理灯罩来阻挡从光源发射的光，因此可以实现更高的光利用率。

在下文中，将通过示例方式描述第一光学器件30的示例性实施方式。

再次参考图2，第一光学器件30是反射器。反射器包括弯曲反射表面，如当头灯安装在车辆中时看到的，弯曲反射表面具有上边缘301、下边缘302和连接上边缘301与下边缘302的侧边缘303。此外，第一光源10的发光表面面对反射器的弯曲反射表面。

弯曲反射表面的侧边缘303是椭圆的一部分。图6图示了具有侧边缘303的反射器的轮廓，侧边缘303是椭圆的一部分。图6还示出了反射器上边缘的样条301a。一旦设计了用于侧边缘303的椭圆和样条301a，就可以通过沿着侧边缘303扫过样条301a来确定反射器的反射表面。因此，可以容易地设计反射器的模型。

接下来，参考图7和图8，将通过示例方式详细讨论侧边缘303的椭圆和样条301a的示例性设计。

图7示意性地示出了通过作为反射器的第一光学器件生成第一光源10的图像100的过程。弯曲反射表面的侧边缘303是椭圆的一部分。焦面上的交叉线201a示出在水平面上。假设图7中所示的点m是侧边缘303的最高点，因此，对于透镜20，点m可以被视为光入射点。因此，光入射点m处的反射表面的法线n将处于竖直方向。只要镜像到水平面的第一光源10的图像100与第一光源10具有相同尺寸，则在此实施例中，第一光源10位于椭圆的第一焦点处，并且椭圆的第二焦点被设计成靠近交叉线201a但位于透镜20的焦面201和透镜20之间。也就是说，椭圆的第二焦点处于图7中的交叉线201a的右侧。可以理解，来自图7中的交叉线201a的左侧并且在交叉线201a下方穿过的光将由透镜20向上投射。因此，期望的是，由反射器引导的光在图7中的交叉线201a上方穿过以实现近光。这就是为什么椭圆的第二焦点被设计成位于透镜20的焦面201和透镜20之间的原因。以这种方式，侧边缘303的椭圆可以基于所设计的第一焦点和第二焦点来确定。

更具体地，在一些实施例中，第一光源10可以是LED，其通常可以具有相对规则的发光表面，在这种情况下，椭圆的第一焦点可以位于第一光源10的发光表面的边缘的中间，该边缘是发光表面的最靠近焦面201的边缘，如图7所示。

关于样条301a，可以通过以下步骤设计。

步骤1：如图8所示，从第一光源10开始，将许多线L绘制到交叉线201a。从每条线L的中点，绘制与这些线L垂直的法线m'。然后，第一光源10的图像100将处于这些线L的端部，与第一光源10关于法线m'对称。

步骤2：调整线L的方向和长度，使得图像100位于图8中的交叉线201a的右侧，并且它们到交叉线201a的距离被最小化。

步骤3：连接经调整的线L的中点以构造样条作为路径p。

由于上面的条件可以预测，由反射器反射的所有光将穿过交叉线201a上方，并且因此被准直透镜20向下投射。一些光线可能非常靠近交叉线但不会越过到交叉线的下方。因此，可以在远场中实现截止线。

图8和所描述的上面的步骤仅意图于通过示例的方式描述样条的设计方法，并且可以借助于任何适当的计算机软件来执行特定的设计过程。

由于确定了侧边缘303的椭圆的形状，并且设计了上边缘的样条301a，因此可以通过沿着侧边缘303扫过作为路径p的样条来获得反射器的完整弯曲反射表面。也就是说，可以沿侧边缘303复制许多样条以实现反射器的模型。

应当理解，图6-8和对应的描述仅提供了作为反射器的示例性第一光学器件30及其设计过程，因此第一光学器件30不限于此。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以设计其他形式的反射器。

对于上述实施例，投影仪型车辆头灯可能仅以近光模式操作。为了实现可以在远光模式和近光模式两者下操作的双功能车辆头灯，如图9所示，根据本发明的另一实施例的投影仪型车辆头灯还包括第二光源40和第二光学器件50，它们被配置成将来自第二光源40的光经由第二光学器件50引导朝向透镜20的光轴上和焦面201内的透镜20的焦点。

第一光源10和第二光源40可以包括但不限于LED，并且它们可以由控制器控制为独立地接通和切断。例如，当仅接通第一光源10时，由于第一光学器件30的功能，离开透镜20的所有光或离开透镜20的大部分光将处于向下方向，因此可以通过车辆头灯创建近光。可替代地，可以仅控制第二光源40接通，并且可以借助于第二光源40和第二光学器件50的适当布置从透镜20投射向上方向和水平方向上的光束。

图10和图11分别图示了从第一光源10和第二光源40朝向透镜20的光路径。

在一些实施例中，第二光源40的发光表面面对第二光学器件50。并且如当头灯安装在车辆中时沿竖直方向看到的，第二光源40布置成比第一光源10更远离第一光学器件30，如可以从图9-11看到的。以这种方式，第二光源40将不太可能阻挡来自第一光源10的光和从反射器反射的光。换句话说，被第二光源40阻挡来自第一光源10的光和从反射器反射的光的风险可以降低到低水平。由于不存在光阻挡，可以改善离开透镜20的光的均匀性，并且还可以提高光的利用率。

在另一实施例中，第一光源10布置在由来自第二光源40经由第二光学器件50到达透镜20的光穿越的路径的外部。此实施例可以在图11中示出。在第一光源10的这种布置的情况下，可以实现的是，第一光源10将不阻挡来自第二光源40的光。因此，从第二光源40和第二光学器件50生成的远光将不被第一光源10阻挡。事实上，在如图11所示的实施例中，所生成的远光将不被车辆头灯中的任何实体阻挡，因此可以实现更均匀的远光，并且可以改善来自第二光源40的光的利用率。

图12和图13分别借助模拟示出了如图9所示的用于车辆头灯的近光和远光的光分布图案。从图12中可以看出，在近光光分布图案中形成了清晰的截止。通过由作为反射器的第一光学器件30在透镜20的焦面201上创建的虚拟图像（然后将该图像投射到道路上）来生成截止。此外，由于车辆头灯中没有物理灯罩，所以可以利用第二光源40加上第二光学器件50容易地实现远光的光分布图案，如图13所示。

图14示出了当第一光源10和第二光源40两者都接通时的模拟光分布图案。在这种情况下，第一光源10和第二光源40用于生成行车光束以获得对外部环境的增强的照明性能。如从图14可以看到的，两个光源10、40之间的光束形状的过渡是平滑的，因为车辆头灯中没有物理灯罩来干扰光分布。

尽管在上面描述中已经描述了本发明的一些示例性实施例，但是通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，可以理解和实现所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。即使在不同的从属权利要求中叙述了某些特征，本发明也涉及共同包括这些特征的实施例。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

附图标记列表：

1 现有技术的光源

2 现有技术的准直透镜

3 现有技术的物理灯罩

10 第一光源

20 透镜

30 第一光学器件

30a 第一光学器件30的反射表面上的点

40 第二光源

50 第二光学器件

100 在透镜20的焦面201上的第一光源10的图像

201 透镜20的焦面

201a 在透镜20的焦面201上的参考平面与水平面的交叉线

301 第一光学器件30的上边缘

301a 用于生成第一光学器件30的反射器的反射表面的样条

302 第一光学器件30的下边缘

303 第一光学器件30的侧边缘

α 参考平面与水平面的角度

L 从第一光源10到交叉线201a的连接线

m 第一光学器件30的侧边缘303的最高点

m' 正交于线L并且在线L的中点处的线

n 在光入射点m处的反射表面的法线

O，O1 针对来自无限远距离的平行光线的透镜20的焦点

p 用于构造样条301a的路径

p1、 p2 参考平面

X、Y、Z 三维空间的方向

Claims (10)

1.一种投影仪型车辆头灯，包括：

第一光源（10），被配置为从发光表面发射光；

反射器（30），包括弯曲反射表面，所述弯曲反射表面面对所述第一光源的所述发光表面，并具有上边缘（301）、下边缘（302）和连接所述上边缘（301）和所述下边缘（302）的侧边缘（303），以及

透镜（20），具有在所述反射器（30）和所述透镜（20）之间的透镜焦面（201），并具有包括在参考平面（p1、p2）中的光轴，所述参考平面（p1、p2）相对于水平面具有在0-45度的范围内的角度，所述透镜焦面（201）包括交叉线（201a），所述透镜焦面（201）与所述参考平面（p1、p2）在所述交叉线（201a）处交叉；

所述反射器（30）被配置为接收并引导来自所述第一光源的光，并在所述透镜焦面（201）上在所述交叉线（201a）上方生成所述第一光源的多个图像，所述透镜（20）被配置为接收和发送由所述反射器（30）引导的光。

2.根据权利要求1所述的投影仪型车辆头灯，其中，所述侧边缘（303）是椭圆的一部分，其中，所述第一光源（10）位于所述椭圆的第一焦点处，并且其中，所述椭圆的第二焦点位于所述焦面（201）和所述透镜（20）之间。

3.根据权利要求2所述的投影仪型车辆头灯，其中，所述椭圆的所述第一焦点位于所述第一光源（10）的所述发光表面的边缘的中间，所述边缘是所述发光表面最靠近所述焦面（201）的边缘。

4.根据权利要求1或2所述的投影仪型车辆头灯，其中，所述头灯还包括第二光源（40）和第二光学器件（50），这两者被配置为将来自所述第二光源（40）的光经由所述第二光学器件（50）引导朝向所述焦面（201）内和所述光轴上的所述透镜（20）的焦点。

5.根据权利要求4所述的投影仪型车辆头灯，

其中，所述第二光源（40）的发光表面面对所述第二光学器件（50），

并且其中，如当所述头灯安装在所述车辆中时沿着竖直方向看到的，所述第二光源（40）布置成比所述第一光源（10）更远离所述反射器（30）。

6.根据权利要求5所述的投影仪型车辆头灯，其中，所述第一光源（10）布置在由来自所述第二光源（40）经由所述第二光学器件（50）到达所述透镜（20）的光穿越的路径的外部。

7.根据权利要求1所述的投影仪型车辆头灯，其中，所述参考平面相对于所述水平面具有0度的角度。

8.根据权利要求1所述的投影仪型车辆头灯，其中，所述参考平面相对于所述水平面具有45度的角度。

9.根据权利要求1所述的投影仪型车辆头灯，其中，由所述透镜（20）接收的光在被所述透镜（20）接收之前至多被所述反射器（30）反射一次。

10.根据权利要求1所述的投影仪型车辆头灯，其中，由所述第一光源（10）发射的光在所述透镜（20）的光轴下方被发射。

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