CN1900581A - 紧凑型机动车头灯 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于机动车的紧凑型头灯，特别是雾灯，发出具有截止的光束，该头灯具有光轴(Y)并包括光源(10)。该光源具有大致垂直于头灯的光轴延伸的大致水平的轴线。根据本发明，该头灯不具有反射镜，在光源前面包括一个确定的透镜(L)，该透镜可发出具有截止的光束。根据一个实施例，光源和透镜一体形成，光源由一个或多个发光二极管形成，透镜由一种热阻抗合成材料形成，该材料被模塑至光源的至少一个发光表面上。

Description

紧凑型机动车头灯

技术领域

本发明涉及一种用于机动车的紧凑型头灯，可以发出具有截止(cut-off)的光束，该头灯具有一个光轴并且包括一个光源，该光源具有一个大致在水平方向延伸的轴线，该轴线大致垂直于头灯光轴。

本发明特别是涉及一种雾灯，但不仅限于雾灯。

背景技术

公知的灯装有反射镜，反射镜的表面是确定的，以便提供具有截止的光束，也就是说被反射的光束的光线，基本上位于一个截止线下，基本上是水平的，就近光灯而言，这个线可能是虚线。所用的光源功率很大，以便于灯向后发光到反射镜上的部分能够产生所需的光束。为了防止光源向前发射的光直视时眩目，在光源前部提供一个盖。部分光通量因此不被用于产生光束，就大功率光源而言这并不会影响光的照度。

尚未公开的法国专利申请№0411785(申请日期2004年11月4日)披露了一种可以具有截止的光束的机动车头灯，在该头灯中，一般位于光源前部的头灯盖省略了，可以由透镜来替代，该透镜被预置以便产生具有截止的光束，取消盖可以使光源的光通量得到充分利用，相应地，改进后的光源功率也可以减少。

在专利申请№0411785中，光源的功率减小使得头灯的热应力减弱，这样头灯的厚度就可以更紧凑，特别是因为在光源和隔离了头灯的透镜之间的距离缩短了。

尽管在专利申请№0411785中描述的头灯，在减小体积方面得到改善，仍然需要找到其他解决方案使灯的结构更紧凑，特别是为了便于集成头灯新的功能，例如所谓的DRL(在英语中代表Day Running Light(日间运行使用的灯))日间灯功能。

发明内容

本发明的目的基本上是提供一种上述类型的头灯，以获得一种具有满意的截止的光束，在结构上更紧凑。

根据本发明的紧凑型机动车头灯，特别是雾灯，可发出具有截止的光束，该灯具有光轴，还包括光源，该光源具有大致在水平方向延伸的轴线，该轴线基本垂直于头灯的光轴。

根据本发明，该头灯不包括反射镜，在光源前面包括一个确定的透镜，该透镜可发出具有截止的光束。

根据另一个特征，透镜被确定以便由光源发射的最外端(extreme)入射光线被折射，基本平行于光轴从透镜上射出来，而由光源发射的其他入射光线沿着相对于光轴向下倾斜的方向被折射。

根据本发明前文简述，提供一些头灯的实施例，这些头灯可能完全满足本领域的标准。因此本发明的头灯给出的实施例均符合当前的欧洲标准R19-2和未来的标准R19-3，以及相应的美国标准。

例如符合R19-2标准的简单的H8型灯。H7型或H11型一般适合于其他标准。

根据一个特定的实施例，透镜包括至少一个顶翼(wing)和/或底翼，参与具有截止的光束的形成，该顶翼和/或底翼基本上水平设置并且垂直于光轴。此外，透镜也有至少一个左侧翼和/右侧翼参与具有截止光束的形成，该左侧翼和/右侧翼基本垂直设置并且垂直于光轴。

优选地，透镜包括一个靠近光源的入射面，透镜的入射面可以是环形的、球形的或者圆柱形的。

根据特定的实施例，光源是一个带有轴向灯丝的灯，大致横向布置。例如，光源是一个H7型、H8型或H11型白炽灯，但并不仅限于此。

根据另一个特定的实施例，光源是发光二极管型的，光源可以由几个发光二极管成组构成，例如形成多片状模块。

根据另一个特定的实施例，光源和透镜一体形成，光源由一个或者多个发光二极管形成，透镜由热阻合成物质形成，该物质被模塑在光源的至少一个发光表面上。

为了使透镜的厚度变薄，在某些实施例中可能采用菲涅耳型透镜，以及在出射面上包含菲涅耳部分。

附图说明

参照附图阅读下述的本发明的非限制性的实施例，本发明的其他特征和优点可以更清楚，附图内容如下：

附图1是本发明头灯的透视图，包括拆下了外壳并带有白炽灯；

附图2是根据本发明模塑形成光学系统的透视图，由光源和屈光透镜组成；

附图3是透镜入射面和垂直平面的简化平面视图，垂直平面穿过光源中央，并与光轴形成不同角度；

附图4是光源投影在斜的入射面上的视图，最外端的入射光线投射到在透镜的入射面上；

附图5和图6是应用于浸在树脂中的平光源的特定构建方法中光线的选择；

附图7是应用于白炽灯的情形下的特定构造方法中光线的选择；

附图8是图1和2白炽灯头灯的等照度曲线；

附图9是顶部带有透镜的顶翼基本结构的半剖视图；

附图10是本发明透镜光学表面的半剖视图，头灯光源由多个发光二极管形成；

附图11是本发明头灯的等照度曲线，头灯用发光二极管作为光源。

具体实施方式

现在描述本发明的第一个实施例，为雾灯1形式的，装有白炽灯。

如图1所示，灯装置1不包括反射镜，并包括白炽灯10、一个透镜L、一个透镜/灯的支架11以及一个外壳12。

在本发明的第一实施例中，灯10带有轴向灯丝，例如为一个H7型、H8型或H11型灯。

根据本发明，透镜L被确定以便灯1产生具有截止的光束。根据本发明，用于规定透镜L的光学表面的构造原理将在说明书后面部分叙述。

在实施例中，支架11为一个整体件并被模塑在透镜L上，支架11包括部件110，在该部件中有一个开口用于安装灯10。

从图1可清楚地看到，灯10横向置于灯装置1中，这样，灯10的灯丝的轴基本是水平的并垂直于灯装置1的光轴Y-Y。优选地，灯10这样安装使得灯10的位置可以相对于透镜L进行光学调整。

本发明的另一个实施例中，灯10的灯丝的轴线可以相对于灯装置1的光轴斜向延伸，也就是说，在两个轴线之间具有不是90°的夹角。

外壳12的材质应当选择，使可以吸收从灯10的灯丝后部发出的光线，也就是说，能吸收灯10的不对着透镜L的入射面的灯丝部分发出的光线。

外壳12的吸收特性可以阻止灯丝后部发出的光朝着透镜L反射，影响光源1发射的具有截止的光束的光学分布。

另外，外壳还可以将灯10的光与外部环境隔开，特别是当灯装置1集成在执行其它的发光/发射信号功能的光学组件中时。

优选地，可以调整光学模块的高度角的机构(未示出)也应该被提供和容纳在外壳12中。公知的这种机构可以相对于水平方向调整具有截止的光束。

如图2所示，在第一实施例中，透镜L是凹凸透镜。

图2所示的透镜L光的入射面为E和出射面为S。

灯10的灯丝公知的由柱形件101，柱形件101与灯丝的包络大致形状相同，灯丝一般由螺旋绕线形成。

根据本发明，光的入射面E可能是各种形状的表面，即喇叭口形表面、圆柱形表面、球形表面。

当入射面E选定后，出射表面S也要确定，以便获得需要的具有截止的光束。

在第一实施例中，光学入射表面E是在灯丝侧双面凹陷喇叭口形表面。这样的入射面很有好处，因为照到出射面S上的光线的立体角较大而入射角小。

根据本发明，也可以为光的出射面S选择一个二维(2D)的母曲线G_h，该曲线必须满足下述要求：

1)对于一个位于空间坐标系原点O的点光源以及从光源射出并位于水平面上的光线来说，所有从透镜L的G_h点射出的光线之间彼此除G_h点外无其它交叉点(射出光线为端点在G_h的射线)。这种结构为2D，可以认为入射光线既不是被入射面E也不是被出射面S垂直转向。被出射面S沿着G_h点的入射光线在垂直方向没有偏转是一个开始的假设，必须要凭经验修改。

2)在与光轴的交叉点处与曲线G_h相切的切线垂直于光轴。

本发明中透镜L的这一结构将在下文参照图3-8叙述。

在第一种方法中，透镜L的结构原理的基础在于：灯丝101的投影在一组垂直平面π上，这些平面包含通过灯丝的中心O的垂直轴线Z-Z，同时，还要考虑最外端的入射线的这些平面的定义。

由灯丝101发射的最外端的入射光线必须被包含在一个水平面中并从透镜L(出射面S)中射出来。由灯丝101发射的其他入射光线相对于光轴Y沿向下倾斜的方向被折射。

一个垂直平面π(θ)穿过灯丝101的中心O，与光轴Y-Y形成一个角θ。该角度范围可以为从0至对应于入射面E的任一个垂直边缘的某一值。

平面π(θ)与入射面E的垂直交点设定为C_i(θ)，位于C_i(θ)的高度为z的点设定为M(θ，z)。

对于每一点M(θ，z)，在该点构建一条入射线

该入射线从灯丝101在平面π(θ)的投影点射出。

入射光线

包含在平面π(θ)内，光线

从入射线 处发射，在入射面E处折射，然后形成，光线 从光线 处发出，在透镜L的出射面S处折射，是水平光线。

在平面π(θ)被考虑的最外端的入射光线 和

分别与灯丝101在平面π(θ)上的正交投影的后端轮廓和前端轮廓相切，灯丝101在平面π(θ)上的正交投影的端部在椭圆形的弧线部分，在图4中，灯丝101的正交投影的前端轮廓和后端轮廓相切点分别标记为t_ar和t_av。

依照第二种构造方法，有限的光线在空间上被确定，这种方法基于这样的情形，光发射器浸在一种介质中，该介质的折射率与光传播介质的折射率不同，直至透镜的入射面E。

这是因为，在这种情形下，不可能投射初级透镜形成离开光源的光线的出射屈光度。有些发光二极管的片层模塑在相当厚的树脂层上就是这种类型的。

当光发射器设置在空气中时，例如大致由柱形逼近的灯丝，通过第二种方法获得的表面与通过第一种方法获得的表面是一样的，那么更优先选用。

在第二种方法中，光线

和 被定义为如同从光源的出射屈光面折射而来，分别对应于与发射器相切从后者的任一点发出的光线，从这一点到在透镜上的碰撞点M′，M″的距离在横向的轴x上的投影为最小

或最大

在 没有屈光面的情况下，光线 和 直接与光的发射器相切。

关于上述的第二种方法，图5和图6显示了一种平光源的平面图，例如，一个发光二极管的芯片嵌入树脂中，该光源具有平的出射面，并且垂直于光轴。EL和RE分别定义为光发射器和树脂，在这种特定的情形下，中间变量A代表光线在平的出射面上的出射点，A的数值通过计算一个四次方程的解来分析确定。

仍然关于第二种方法，图7显示了灯丝的情况，在这种情况下，光线

与塑形灯丝灯的圆柱上的一点相切，该点位于灯丝灯末端的圆，或者位于通过平面x＝M′_x的灯丝的截面。

通过出射光线 为水平的条件得到出射面S的偏导数方程，在允许计算的限度内，已知两个边界和组成条件后，偏导数方程可以通过数学方法求解。

已知两个边界就可以求解出射面S的偏导数方程，通过发生器G_h以及加在G_h上的符合第二项条件2)的任意选择。

这是因为，由于第二项条件2)，出射光线

在平面π(θ＝0)内对应于与灯丝101的投影相切的入射光线 该出射光线

平行于光轴Y-Y，这样，可以借助于一个二维的光学计算获得通过垂直平面π(θ＝0)的出射面S的剖面。灯丝101在平面π(θ＝0)上的投影是一个圆，圆的半径是灯丝101的半径。

可以通过数学方法获得微分方程的解。

例如，透镜中央的厚度是公知的结构参数，通过将切线比作弦和从坐标z＝0点开始逐步计算可以获得满意的结果。

由实施例所示，通过有限微分的方法获得出射面S的偏导数方程的解。在这个例子中，通过沿着母点G_h的离散数值移动每一条线的的起点，运用“逐个垂线”的渐进计算进行求解。由实施例所示，上述方法的优点之一是如果邻近的两个点是已知的，就可以分析计算出出射面S的每一点。

下列标记被使用：

P与出射面S垂直线上的任何点

P_O， P表面S上邻近点P的点，假定是已知的。

来自入射光线i的衍射光线射到入射表面E上

在出射表面S上点P处射出的光线

在P点处相对于出射面S的法线

n    透镜L的物质折射率

μ   待求解的中间未知数

可以写出下列方程：

$P=M+\mathrm{\μ}.\stackrel{\→}{r},$

与

共线的

$\stackrel{\→}{N}\≈\stackrel{\→}{\mathrm{PoP}}\mathrm{\Λ}\stackrel{\→}{\mathrm{Po}\stackrel{\‾}{P}}$

从上述方程中，知道

是赋范(normed)的，水平的，μ的二次方程形式为

Aμ²+Bμ+C＝0

其中

A＝V2_z ²-n²k₂ ²-n²k₄ ²

B＝2(V1_zV2_z-n²k₁k₂-n²k₃k₄)

C＝V1_z ²-n²k₁ ²-n²k₃ ²

其中

k₁＝r_xV1_z-r_zV1_x

k₂＝r_xV2_z-r_zV2_x

k₃＝r_yV1_z-r_zV1_y

k₄＝r_yV2_z-r_zV2_y

以及

$\stackrel{\→}{N1}=\≈\stackrel{\→}{\mathrm{PoM}}\mathrm{\Λ}\stackrel{\→}{\mathrm{PM}}$

$\stackrel{\→}{V2}=\left(\stackrel{\→}{r}\mathrm{\Λ}\stackrel{\→}{\stackrel{\‾}{P}\mathrm{Po}}\right)$

未知的μ可以根据每一点P的值计算出来，因此，可以形成出射表面S。

图8示出，一个H11灯获得的等照度曲线图，透镜L前视为48×34平方毫米，透镜/灯系统的厚度大致为42毫米。

根据本发明，只要体积允许，可通过增加透镜L的翼优化头灯的光学性能。

因此，可以为透镜L提供顶翼、底翼、和/或侧翼。

图9框图所示，顶翼AH包括入射表面AE、反射表面AR、出射表面AS。

优选地为了获得小尺寸，选择入射表面AE以便尽可能多地向后部反射光线，平面型的或者圆锥形的表面AE从透镜L的边缘大致水平延伸至灯丝101的顶部，可以认为是对于本发明的某种应用的可接受的折衷。

反射表面AR可以用来全反射、部分反射或者镜面反射。反射表面AR的反射类型的选择，取决于入射表面AE的选择。全反射效率高，操作简单，特别是与镜面反射相比，后者还需要沉积一个反射膜。

对于反射表面AR和出射表面AS的结构，本领域的技术人员可以优先使用类似于上述实施例所述的透镜L构造的计算原理，与最外端的光线的选择相适应。

图10所示，为本发明透镜L2的有效光学表面的半视图，头灯具有光源6，几个发光二极管成组集成在一个多片模块(下文将称作多发光二极管源)。

值得注意的是适用于白炽灯光源的透镜的结构原理同样也适用于多发光二极管源，或者包括一个发光二极管(LED)的光源。

因此，例如，一个具有扁平的矩形的多发光二级管源的情况，可以认为在这种结构中，最外端的光线是从光源的矩形投影中适当的角落发射出来的，而不是从相切于灯丝101的圆柱形末端的椭圆投影中发射出来的。

在图10中透镜L2与光源6在同一侧，透镜L2在图10中未示出的局部与半剖面的示图是一样的。

在图10中可以看到顶翼AH、底翼AB、左侧翼ALG的光学表面。

在图10中也可以看到顶翼AH的光学表面1h、2h、3h和4h。在图10中也可以看到底翼AB的光学表面1b、2b、3b、5b。左侧翼ALG由光学表面1g和2g表示。

在这个实施例中，侧翼表面1g作用在于全反射，出射表面2g是一个棱镜。

如图10所示，透镜L的复曲面入射面E由另外一个与左侧翼ALG相连的复曲面入射面e1延伸。当然，另一个复曲面入射面e2(图中未示出)与右侧翼ALD(未示出)相连。

复曲面入射面e1和e2有利地使获得一个平滑的入射相位。由于这些入射面e1，e2的构造，本领域的技术人员必须考虑与侧翼相连接的入射表面必须满足最低限度条件，即折射的光线不能与那些由邻近的入射面所折射的光线相交。另外，表面的连续性是至关重要的，以避免产生一组不可控的光线。

图11所示为图6的透镜L2的等照度曲线网络，多个二极管光源提供99流明的光通量。

使用上述类型在一半空间内发光的光源与灯丝光源相比可以提供了更高效率的光通量，灯丝光源则损失了一半光通量。

因此，由发明者所做的实验已经表明获得的光通量大于70％。

当然，本发明并不限于实施例所述的细节，只要不偏离本发明的精神，本领域的普通技术人员可以在此基础上进行任何修改。

因此，例如，应该注意到，根据本发明的实施例和申请文件，为了减少厚度可将透镜及其翼分成几块，类似菲涅耳透镜，也就是说，“菲涅耳化”这些光学元件，以便减小它们的厚度。

总之，在本发明的某些实施例中，光源和透镜可以形成为一体。光源则典型地包括几个发光二极管芯片，透镜由热阻合成材料形成，该材料被模塑在芯片的发光表面。

Claims (12)

1、一种用于机动车的紧凑型头灯，特别是雾灯，可发出具有截止的光束，该头灯具有光轴(Y)并包括光源(10)，该光源具有基本垂直于头灯的光轴延伸的基本水平的轴线，其特征在于：该头灯不具有反射镜，在光源前面包括一个透镜(L)被确定使得提供具有截止的光束。

2、如权利要求1所述的头灯，其特征在于透镜(L)被确定使得由所述光源(10)发射的最外端的入射光线(i′、i″)在所述透镜(L)的出射面大致平行于所述光轴(Y)地被折射，而由所述光源(10)发射的其他的入射光相对于所述光轴(Y)向下倾斜地被折射。

3、如权利要求1或2所述的头灯，其特征在于所述透镜(L)包括至少一个顶翼(AH)和/或一个底翼(AB)参与所述具有截止的光束的形成，所述的顶翼(AH)基本水平并垂直于所述光轴(Y)。

4、如权利要求1-3任一个所述的头灯，其特征在于所述透镜(L)包括至少一个左侧翼(ALG)和/或右侧翼参与具有截止的光束的形成，所述侧翼(ALG)基本是垂直的并垂直于所述的光轴(Y)。

5、如权利要求1-4任一个所述的头灯，其特征在于所述透镜(L)包括一个靠近所述光源(10)的入射面(E)。

6、如权利要求5任一个所述的头灯，其特征在于所述入射面(E)是复曲的、球形的或者圆柱形的。

7、如权利要求1-6任一个所述的头灯，其特征在于所述的光源是一个具有轴向灯丝(10)的灯，该光源基本横向地布置。

8、如权利要求7所述的头灯，其特征在于所述光源是一个H7、H8或H11型的白炽灯(10)。

9、如权利要求1-6任一个所述的头灯，其特征在于所述光源是一个发光二极管型(EL)的。

10、如权利要求9所述的头灯，其特征在于所述光源由多个发光二极管(EL)形成。

11、如权利要求1-4任一个所述的头灯，其特征在于所述光源(EL)和所述透镜(L，RE)形成为一体，所述光源(EL)由一个或多个发光二极管形成，所述透镜由热阻抗合成材料形成，该材料至少模塑在所述光源(EL)的一个发光表面上。

12、如权利要求1-11中的任一个所述的头灯，其特征在于所述透镜(L)是菲涅耳型的透镜，在输出处包括所谓的菲涅耳部件。

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