CN1449950A - 投光器 - Google Patents

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CN1449950A
CN1449950A CN03109348A CN03109348A CN1449950A CN 1449950 A CN1449950 A CN 1449950A CN 03109348 A CN03109348 A CN 03109348A CN 03109348 A CN03109348 A CN 03109348A CN 1449950 A CN1449950 A CN 1449950A
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Abstract

一种包括一偏振分光器3的投光器，其中该偏振分光器3将从光源1发出的非偏振光分成p－偏振光和s－偏振光，且该p－偏振光和/或s－偏振光被作为垂直偏振光和/或水平偏振光发射，该投光器与传统的前灯相比，提供给驾驶员显著提高的前向能见度。

Description

投光器
背景技术
本发明涉及一种投光器，例如车辆用的前灯。
在驾驶员很难用肉眼看见车辆前区域的情形下，车辆用的前灯就被打开点亮。前灯一般用在夜间、倾盆大雨、雾或其它类似情况下。实际上，当前灯在倾盆大雨或雾的情况下被点亮时，所发射的光束就被雨点和水汽的细粒散射掉，并且驾驶员的视线好像被车前的光墙(light wall)遮挡。
一种利用偏振于车辆前灯的技术公开在JP61-253236A中。如在此出版物中所公开的此发明，涉及一种防止提供光束的前灯眩目驾驶员的技术。更具体的说，设置两个偏振滤光片：一个设置在用来发射远光束(a high beam)的前灯的光路中，另一个粘在挡风玻璃上，使得后者的偏振轴垂直于前者的偏振轴。从而，使用该两个偏振滤光片(一个在驾驶者车辆的挡风玻璃上，另一个在迎面来车辆的前灯内)来切断远光束，由此驾驶员就能够避免被眩目。
然而，在JP61-253236A公开的发明中，不利的是，雨和雾都没有被设想作为要涉及的问题，而且偏振滤光片的使用会减弱对由前灯所发射光的利用效率。并且，不利的是偏振滤光片一般具有低的耐热性(仅相当于50℃)，从而由于前灯灯泡或日光束产生的附加热，其对前灯的粘附或在盛夏的使用就会大大减弱其偏振性能。
发明概要
本发明例举的一个总目标是提供一种投光器，其中能够消除上述的缺陷。本发明另一个例举的和更加具体的目标是提供一种投光器，该投光器具有对发自前灯的光的高效利用和对耐高温性的高效利用，而且能够保证在限制能见度的情况下显著提高的前向能见度。
依照本发明的投光器包括一光源和一偏振分光器，该偏振分光器将发自光源的非偏振光束分光为p-偏振光和s-偏振光，且该p-偏振光和/或s-偏振光被作为具有电场振动面大体垂直于水平面的垂直偏振光来发射，和/或作为具有电场振动面大体平行于水平面的水平偏振光来发射。
对于如上依照本发明的投光器，发自光源的光束被分成p-偏振光和s-偏振光，然后该p-偏振光和/或s-偏振光被作为具有电场振动面大体垂直于水平面的垂直偏振光和/或作为具有电场振动面大体平行于水平面的水平偏振光来利用；因此，在限制能见度的情况下就能够确保显著提高的前向能见度，而同时保持对光和耐高温性的高效利用。
于此，p-偏振光和s-偏振光被关于偏振分光器来限定；p-偏振光具有平行于偏振分光器入射面的电场振动方向，而s-偏振光具有垂直于偏振分光器入射面的电场振动方向。如图1所示，入射面是一个含有法线和入射光光轴的平面，且入射光在此法线处透过反射面。
相反，垂直偏振光和水平偏振光被关于偏振光的电场振动方向相对于光被射向的地面来限定。因而应当理解，垂直偏振光和水平偏振光是不同于如上所述的p-偏振光和s-偏振光的概念。具有电场振动方向大体垂直于地平面(反射面)的光在此处称作垂直偏振光，而具有电场振动方向大体平行于地平面(反射面)的光在此处被称作水平偏振光。换句话说，垂直偏振光指的是电场振动方向大体平行于穿透(strike)地面入射光的平面的偏振光，水平偏振光指的是电场振动方向大体垂直于穿透地面入射光的平面的偏振光。
现在参看图2A和2B，将详细说明s或p-偏振光和垂直或水平偏振光间概念上的具体差别。图2A表示被偏振分光器分出的p-偏振光和s-偏振光的振动方向，其中的偏振分光器被设在相对地面的如图所示的定向上。在图2A中，已被分出的p-偏振光成为具有垂直振动方向(即垂直于地面)的垂直偏振光，已被分出的s-偏振光成为具有水平振动方向(即平行于地面)的水平偏振光。
图2B表示被偏振分光器分出的p-偏振光和s-偏振光的振动方向，其中的偏振分光器被设在相对地面倾斜的一个定向上。在这种情形下，与图2A所述的设置相比，偏振分光器被相对地面倾斜，从而，s-偏振光就不等同于水平偏振光，而且p-偏振光也不等同于垂直偏振光。
在采用本发明一个例举方面的投光器中，p-偏振光和s-偏振光之一作为垂直偏振光被远离光源发射，p-偏振光和s-偏振光中的另一个作为水平偏振光被发射到较邻近光源的区域。
一般都知道，具有振动方向平行于入射面的p-偏振光表现出比具有振动方向垂直于入射面的s-偏振光更低的反射率(reflectance)。
垂直偏振光如果入射在作为反射面的雨点顶面或底面或地平面上，则它就具有平行于入射面的振动方向；因而，透过路面上雨点或水雾并沿垂直方向反射的垂直偏振光的反射率，就低于如上述p-偏振光情况的水平偏振光的反射率。
能够减小能见度的雨点或路面上的反射主要来源于沿垂直地面方向的反射光和散射光。
因此，朝远离光源区域的垂直偏振光的发射就可能限制垂直漫反射，而垂直漫反射可由在倾盆大雨或浓雾中产生的在路面上的雨点、水汽细粒、水雾引起，其将降低能见度。结果，与发射非偏振光的任何传统投光器相比，依照本发明此方面的投光器就能够保持较好的前向能见度。
此外，朝接近光源区域的水平偏振光的发射能够确保光源周围区域的能见度，并增强对发射自光源的光的利用效率。
在包含本发明另一个例举方面的投光器中，p-偏振光和s-偏振光之一被作为第一垂直偏振光发射，而且p-偏振光和s-偏振光中的另一个利用相变器被转变为第二垂直偏振光，并作为第二垂直偏振光被发射。
对于依照本发明此方面的投光器来说，已被偏振分光器分出的p-偏振光和s-偏振光均被作为垂直偏振光向前发射，而且这种设置能够限制垂直的漫反射，而该垂直的漫反射可由倾盆大雨或浓雾中产生在路面上的雨点、水汽细粒、水雾引起，其将降低能见度。因此，与发射非偏振光的任何传统投光器相比，依照本发明此方面的投光器就能够保持较好的前向能见度。
在依照本发明此方面的投光器中，相变器可以是一个1/2波长延迟片。用作相变器的该1/2波长延迟片的使用，允许投光器以几乎无损失的光量来有效地将s-偏振光或p-偏振光转变为垂直偏振光。
在如上所述依照本发明每一方面的投光器中，偏振分光器可由双折射材料制成。用作偏振分光器的双折射材料的使用，允许投光器有效地将非偏振光分成s-偏振光和p-偏振光。
依照本发明的上述投光器可用作车辆用前灯。与任何传统的前灯相比，采用该投光器作为其前灯的车辆能够可靠地给驾驶员提供困难情况下(例如浓雾中或倾盆大雨中)较好的前向能见度。
本发明的其它目的和进一步的特点从下面参照附图对优选实施例的说明中将变得更加明显。
附图的简要说明
图1表示相对一反射面的入射平面；
图2A表示由垂直定向的偏振分光器产生的等同于垂直偏振光的p-偏振光和等同于水平偏振光的s-偏振光；
图2B表示由相对地面倾斜的偏振分光器产生的p-偏振光和s-偏振光；
图3表示一曲线图，说明入射在玻璃材料表面上的均具有预定波长的p-偏振光和s-偏振光的反射率；
图4表示从浓雾或倾盆大雨中空气飞出的水滴的形状；
图5A为示意图，表示发射自前灯的光的分布；
图5B为示意图，表示由于发射自前灯的光束的反射，产生在雨点表面上的光的散射；
图6为示意图，表示依照本发明投光器的一个例举实施例；
图7A为示意图，表示当依照本发明的投光器在浓雾或倾盆大雨中点亮时，发射自前灯的光的分布；
图7B为示意图，表示由于发射自依照本发明投光器的光束的反射产生在雨点表面上的光的散射；
图8是一偏振光束分光器的示意图；
图9为示意图，表示依照本发明的投光器的另一个例举实施例；
优选实施例的详细描述
参看被视为适当的附图将说明本发明的例举实施例。
现在说明依照本发明投光器的原理，以解释与传统投光器相比本发明可提供改进的前向能见度的原因。
图3是一曲线图，说明入射在玻璃材料(折射率＝1.51673)表面上且均具有预定波长的p-偏振光和s-偏振光的反射率。纵坐标代表反射率，横坐标代表光束的入射角，其中沿玻璃材料表面(反射面)的法线构成的角度是零度。
此处涉及的p-偏振光具有平行于入射平面的电场振动方向，而且相当于本发明所定义的垂直偏振光，其在平行于地面的表面反射时，具有垂直于地面的振动方向(参看图1)。另一方面，s-偏振光具有垂直于入射平面的电场振动方向，而且相当于本发明所定义的水平偏振光，其在平行于地面的表面反射时，具有相对地面水平的振动方向(也参看图1)。
参看图3的曲线图，明显可见s-偏振光(水平偏振光)的反射率高于p-偏振光(垂直偏振光)的反射率，除了入射角是0度或90度的情形。特别是，当入射角的范围在20度至80度内时，s-偏振光(水平偏振光)的反射率是p-偏振光(垂直偏振光)反射率的两倍多。
尽管上面的描述是基于光照在玻璃表面上的图3，但对于水(其顶面或底面)例如水滴的情形也是相同的；也即，p-偏振光(垂直偏振光)的反射率高于s-偏振光(水平偏振光)的反射光。
顺便提及，当车辆的前灯在浓雾或倾盆大雨中被点亮时，所发射的光有时会产生一种看起来好像一光墙(light wall)出现在车辆前的现象，使得在一些情况下不能充分地给驾驶者提供良好的前向能见度。这是因为雨点或水汽细粒的反射使发自前灯的光散射，特别是因为光主要沿基本垂直于地面方向的漫反射。
在图4中表示从浓雾或倾盆大雨的空气飞出水滴的形状。每个水滴在形状上都基本是球形，但其粒径越大，下降过程中空气阻力就使水滴越扁圆，相应地其表面就增大。由此形成的水滴就使发自前灯的光和来自侧面的入射光沿每个方向散射，特别沿基本垂直于地面的方向漫反射。而且，由于每单位体积的水滴数量密度或数量在浓雾或倾盆大雨中很大，因此一旦被水滴漫反射，光就反复地被存在于邻域内的大量水滴反射，而且前灯的光所照射的区域就照明，使得驾驶员感觉好像一光墙出现在车辆周围。特别是，沿垂直于地面方向反射的光妨碍驾驶员的视力，导致驾驶员很难看到远处的位置。
在如上述情形下由前灯发出光的分布示意性地表示在图5A中。发自前灯的光通过反射离开(reflect off)存在于光路上的雨点或水汽细粒的表面而随机地散射，并且在靠近车辆的周围形成光墙，这就使驾驶员很难获得远离车辆区域的能见度。
图5B示意性表示当光从前灯发射时由反射离开雨点表面而产生的光的散射。如图5B所示，光在雨点的表面沿各个方向反复地反射，产生一种好像一光墙出现在车辆前的视觉表象。在这种情况下，驾驶员就不可能看到在正常情况下能看到的目标。
假定由发自前灯的光在雨点或水汽细粒表面的反射所引起的散射可被限制，特别是主要减弱能见度的垂直漫反射可被限制，则与使用传统的前灯相比，就能够更可靠地确保前向能见度，而且能够更舒适地驾驶车辆。
为了实现上面的假定，可以想象到一种有效的方法，即发自前灯的光可被转换成垂直偏振光。与其中非偏振光被发射的情形相比，它允许光的垂直漫反射被显著地缩减，这是因为垂直偏振光沿垂直于地面方向的反射率小于水平偏振光的反射率。换句话说，上述方法用于限制反射光沿垂直方向的散射，从而用于防止光墙的形成。因此驾驶员的视线就不会被妨碍，从而能够可靠的给驾驶员以良好的前向能见度。
图6为示意图，表示依照本发明投光器的一个例举实施例。在此绘出的实施例中，发自光源的光被分成p-偏振光和s-偏振光，使得p-偏振光被作为第一垂直偏振光被发出，并且通过分光非偏振光而形成的s-偏振光被由一相变器转变成第二垂直偏振光，且作为第二垂直偏振光被发出；因而，投光器在车辆前就发出第一和第二垂直偏振光。
应当理解，偏振光分束器3被以图2A所示的方式设置作为偏振分光装置，从而满足下面的等式：p-偏振光＝垂直偏振光；s-偏振光＝水平偏振光。
依照本发明的该投光器包括一光源1；一准直透镜2，用来通过使发射角彼此一致而使光源1发出的光(非偏振光)成为平行光束；一偏振光分束器3，用来将来自准直透镜2的光束分成p-偏振光(第一垂直偏振光)和s-偏振光(水平偏振光)；一反射器4，用来反射s-偏振光(水平偏振光)，该s-偏振光是利用偏振光分束器3通过分束被准直的光束而产生的；和一1/2波长延迟板(或片)6，用来将s-偏振光(水平偏振光)转变成第二垂直偏振光，透镜5a、5b用于将发射自投光器的光向前发射。
于此，用来描述本发明的术语“偏振分光器”和“相变器”分别对应于偏振光分束器3和1/2波长延迟片6。在当前的实施例中，准直透镜被用来使发自光源的光成为平行光束，但是凹面反射镜如抛物面反射镜可用于替代。
从HID(高强度放电)灯或其它光源(光源1)发出的光(非偏振光)被使用准直透镜2转换为平行光束，并且射在偏振光分束器3上。在此形成的p-偏振光并不在偏振光分束器3内反射，而是穿过偏振光分束器3到达透镜5，并作为第一垂直偏振光被射向车辆前方。另一方面，s-偏振光在偏振光分束器3内反射，并在其中改变行进的方向到达反射器4，在该反射器4内发射方向被调整；然后，一旦通过1/2波长延迟片6，s-偏振光被改变偏振方向，并成为第二垂直偏振光，穿过透镜5b射向车辆的前面。该1/2波长延迟片6被设置在朝一方向倾斜45度的定向内，该方向允许偏振方向相对于光轴变化，使得偏振方向改变90度的角度。
如上所述在依照本发明投光器的实施例中，从光源1发出的光被分成p-偏振光和s-偏振光；该p-偏振光被设定作为第一垂直偏振光，s-偏振光被转换成第二垂直偏振光，从而仅仅有沿垂直于地面方向且具有较低反射率的垂直偏振光被射向车辆的前方。因此即使是在倾盆大雨或浓雾中，可被雨点或水汽细粒引起沿垂直方向光的漫反射就能够被限制，借此就能够确保与传统投光器相比更好的前向能见度。
依照本发明投光器的有利效果示意性地表示在图7A中。图7A为示意图，表示当依照本发明的投光器在浓雾或倾盆大雨中被点亮时发自前灯的光的分布。从本发明前灯发出的垂直偏振光与传统发出非偏振光的前灯相比更少可能沿垂直方向进行漫反射，即使是光或类似的水汽微粒击打在雨点上。从而，所谓的光墙就不会出现在车辆的前面，因此能够确保给驾驶员以良好的前向能见度。图7B为示意图，表示由于依照本发明投光器光束的反射产生在雨点表面上的光的散射。如在本发明中，垂直偏振光的发射降低了可能发生在雨点表面上垂直漫反射的可能性，从而向驾驶员确保充分的前向能见度而没有光墙的妨碍。
而且，当车辆在雨天的夜间被开动时，来自其他车辆反射离开道路上存在水层的光进入驾驶员的视线，并且来自路表面的光眩眼，从而使驾驶员特别难于操纵。但是，如果依照本发明的投光器广泛用在大量的车辆中，则其他车辆也限制路表面发射光的反射，从而驾驶员能够更舒服地操纵车辆。
此外，依照本发明的投光器采用1/2波长延迟片6来将s-偏振光转变成第二垂直偏振光，从而从光源1发出的光就被有效地利用，其中的s-偏振光是利用偏振光分束器3通过分光非偏振光而产生的。
此处使用的偏振光分束器3可以通过在一对玻璃棱镜的相对表面间交替层叠低折射率薄膜和高折射率薄膜来实现，如8中所示。该偏振光分束器3充分利用了一种现象，其中以偏振角(布儒斯特角)射打在介质上的入射光使p-偏振光的反射率为零且仅允许s-偏振光反射。在该偏振光分束器3中，每个薄膜的反射率和厚度都被恰当地设计以便入射光以偏振角射在多层薄膜的表面上。对具有上述结构分束器3的使用就能够分束入射光来分别得到p-偏振光和s-偏振光。
为了将光分成彼此成直角发射的s-偏振光和p-偏振光，就应当满足等式(1)：
nG＝2nH 2nL 2/(nL 2+nH 2)                            (1)
其中nH是高折射率薄膜的折射率，nL是低折射率薄膜的折射率，nG是玻璃的折射率。
例如当ZrO2(nH＝2.04)和MgF2(nL＝1.385)被分别用作高折射率薄膜和低折射率薄膜时，就可以使用由具有1.62折射率(nG)玻璃制成的玻璃棱镜。
尽管在图8中强调和放大了高折射率和低折射率的多层结构膜，但是其实际的厚度比图示的厚度要薄得多。
作为选择可以采用一种器件来作为偏振光分束器3，这种器件利用一种双折射材料来将光束分离成p-偏振光和s-偏振光。当一非偏振光束被引入双折射材料内时，该光束可被分成两个成分；即，p-偏振光分量和s-偏振光分量，在每一分量被传输通过这种材料的晶体时其传播速度彼此不同，从而能够单独地得到p-偏振光和s-偏振光。用作这种双折射材料的材料例如是方解石(CaCO3)等。也即，由方解石晶体制成的偏振光分束器3能够被用来单独获得p-偏振光和s-偏振光。
依照本发明的投光器将从光源发出的光分成p-偏振光和s-偏振光，并将s-偏振光转变成垂直偏振光且向车辆的前方发出该垂直偏振光；因此，在每个步骤中(将光分成p-偏振光和s-偏振光，并将s-偏振光转变成垂直偏振光)就不可避免地出现光量小的损失。但是依照本发明的投光器确保在不利的情况下对前向能见度的提高至如此的程度以足以补偿不理想的损失。此处使用的光源1并不限于HID灯，而是可以采用通常使用灯丝的灯。
此外，在当前的实施例中，由使用偏振光分束器3分束非偏振光得到的s-偏振光被1/2波长延迟片6转变成第二垂直偏振光，并和第一垂直偏振光一起射向车辆的前方，但在其中不使用1/2波长延迟片6的投光器也能够构思。
更具体地说，如图9所示依照本发明投光器的另一例举实施例具有与图6所示投光器相同的结构，除了没有设置1/2波长延迟片6。在这种投光器中，通过使用偏振光分束器3分光非偏振光得到的s-偏振光并不被转化成垂直偏振光，而是作为水平偏振光被射向靠近车辆的区域。由于射向车辆附近区域的光的漫反射没有任何严重的问题，因此向靠近车辆区域的水平偏振光的发射足以具有车辆附近区域所确保的充足光量。另一方面基于p-偏振光的垂直偏振光被射向远离车辆的区域，从而即使是在不理想的情况下，也能够确保对远区域提高的能见度。
此外，尽管依照本发明的投光器在上面的实施例中被例举应用在像雾灯的前灯，但本发明的实施例并不限于此；即任何其他的投光器诸如后雾灯、后灯、刹车灯、尾灯等都能够依照本发明来实施。将依照本发明的投光器用作如上所述车辆中的灯能够使跟随的另一车辆的驾驶员很容易识别出他/她前面车辆的存在，即使是在将前向可见度限制至不足程度的恶劣情况下(例如在倾盆大雨中、在浓雾中等)，这是因为从灯发出的光被限制反射远离雨点或水汽的细粒。
依照本发明的投光器能够被用于灯塔内的探照灯、闪光灯、照明器件等。与传统的投光器相比，在浓雾中、雨中或者在各种不利情况下，应用于各种生活消费品、军事设备所用、娱乐消遣所用、安全目的等的本发明投光器也能够提供提高的前向能见度。
尽管上面已经描述了本发明的优选实施例，但本发明并不限于这些描述的实施例；也即，可以对本发明进行各种改进和改变，而不脱离其精神和范围。
如上述所构造的本发明产生如下显著的有利效果。
如本发明一个方面的投光器被设计用来使用一个偏振分光器将从光源发出的光分离成p-偏振光和s-偏振光，并发出作为垂直偏振光和/或水平偏振光的p-偏振光和s-偏振光，其中垂直偏振光的振动电场平面基本垂直于地面，水平偏振光的振动电场平面基本平行于地面。这种设置在利用光和耐热性方面具有高效率，而且能够提供在限制能见度的情况中显著提高的前向能见度。
如本发明另一投光器被设计用来将垂直偏振光射向远离光源的地方，其中的垂直偏振光沿垂直于地面的方向具有低的反射率。这种设置能够降低在倾盆大雨和浓雾中发生在雨点或水汽细粒表面上垂直散射光的反射。例如，用在本发明所应用车辆上的前灯能够给驾驶员提供充分的前向能见度，即使是在这种不利的情况下。而且该投光器也被设计用来将水平偏振光射向接近光源的地方，从而能够有效地利用从光源发出的光。同时确保车辆附近驾驶员的视线。
如本发明再一方面的投光器被设计用来将从光源发出的光分光成p-偏振光和s-偏振光，并将p-偏振光和s-偏振光中的一个作为第一垂直偏振光发射，而且利用一相变器如1/2波长延迟片将p-偏振光和s-偏振光中的另一个转变为第二垂直偏振光并发出该第二垂直偏振光。这种设置能够提高垂直偏振光的光量，该垂直偏振光沿垂直于地面的方向具有低的光反射率，例如在本发明的此方面被应用于车辆前灯的情形中，这就允许给驾驶员更可靠地提供前向能见度。
双折射材料可用作上述的偏振分光器，如果这样，从光源产生的非偏振光就能够被有效的分光成p-偏振光和s-偏振光。
依照本发明的投光器可用于车辆的前灯，这与传统的前灯相比，在浓雾或倾盆大雨中就可获得驾驶员显著提高的前向能见度。

Claims (6)

1.一种投光器，包括：
一光源；和
一偏振分光器，将从所述光源发出的非偏振光束分成p-偏振光和s-偏振光，
其中所述p-偏振光和/或s-偏振光是作为振动电场平面基本垂直于地平面的垂直偏振光和/或作为振动电场平面基本平行于地平面的水平偏振光来发射。
2.依照权利要求1的投光器，其中所述p-偏振光和s-偏振光中的一个被作为所述垂直偏振光射向较远离所述光源的区域，而且所述p-偏振光和s-偏振光中的另一个被作为所述水平偏振光被射向较靠近所述光源的区域。
3.依照权利要求1的投光器，还包括一相变器，其中所述p-偏振光和s-偏振光中的一个被作为第一垂直偏振光发射，而且所述P偏振光和s-偏振光中的另一个被利用该相变器转变成第二垂直偏振光且作为该第二垂直偏振光被发射。
4.依照权利要求3的投光器，其中所述相变器是一1/2波长延迟片。
5.依照权利要求1至4中任一权利要求的投光器，其中所述偏振分光器由双折射材料制成。
6.依照权利要求1至5中任一权利要求的投光器，被用于车辆的前灯。
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