专利名称：照明系统及产生所需形状光束的方法
技术领域：
本发明涉及一种照明系统，尤其是用于机动车的，及产生所需形状光束的方法。
为了使光源产生所需形状的光束，首先，使用抛物面反射镜是公知的，其将光源直接投射到要照亮的表面上，即机动车的路面上。最后借助发散透镜实现光束的合成，该透镜通常是棱柱和柱面透镜阵的组合，其在前端封闭照明系统。另外，投射系统是公知的，其中一椭圆反射镜在灯前面的几分米处映射光源。一金属板在机动车的大灯中邻近这个面，作为特定形状的机械切割光阑，以便产生近光所需的一明暗边。一投射透镜将这个切割和光源成像于路面上。这种光束形成原理能产生很高对比度的明暗边，但也会出现清晰的彩色镶边效果。
通过使用所谓的复杂形状或成型反射镜，能改进光束特性。考虑到对大灯光束效果，反射镜的几何结构可以小段地计算。这样产生的反射镜的几何结构不同于标准的旋转表面(椭圆或抛物线表面)。在装有卤素白炽灯大灯中使用复杂形状的反射镜，可以在明暗边获得足够高的对比度，而不会产生屏网盖(screen cap)。由于在反射镜中改善了几何结构，会产生一能影响光束的散射前透镜。一清晰的盖盘能应付这种情况。
对于大口径反射镜的已知照明系统，需要从光源收集光，然后建立大灯光束，这对反射镜内的光源定位提出了高的要求。对于使用气体放电灯的光源，这尤为明显，因为与白炽灯线圈相比，光弧没有明显的边界。
对光束质量的要求日益增高，也意味着对反射镜中光源的定位要求的提高。由于光源应被支撑，以便能更换，那么准确的定位就会是问题。一方面，灯应能简单和快速地更换，另一方面，它们必需安全地和精确地紧固，必需以可负担的成本制造所用的紧固装置。这就会导致紧固装置的制造公差，其限制整个系统的效力和光能。
能实现上述目的的照明系统，尤其适用于机动车的照明系统，包括至少一个光源，最好是高能放电灯(HLD灯高强度放电灯)，尤其是一低压氙气灯(MPXL微能氙气灯)，还包括一收集器，其至少部分地围绕光源，以便将光源所产生的光收集并传递到至少一个分离器，还包括至少一个光学波导材料制成的分离器，每一分离器包括至少一个能辐射光的特定形状的出光面，光引导进入分离器后形成所需形状。
本发明的布置有很多优点。它能产生所需的清晰的规定明暗边，例如，机动车中的近光是非吸收的通过一适当结构的收集器，并借助一个或最好是几个分离器成像出该边。至今，通过对比，借助切割光阑产生了这个边，其阻隔了部分产生的光，因此不必要地减少了相关照明系统的效率。但是在本发明的照明系统中，光源产生的所有光都能用于照明，这样达到十分高的效率。
本发明布置的另一主要优点是可以实现十分紧凑的照明系统，其结构尺寸与常规系统相比大大减小了。
在一优选实施例中，光源，收集器和分离器布置成能获得所谓的交织的辐射轨迹。为此，分离器和收集器相对彼此布置成收集器产生的光源的部分图像处于每一分离器的入光孔的范围内。(光源图像的)照明光束轨迹和(成像物体的图像的，即在这种情形中的收集器的)成像光束轨迹的分离以这种方式有益的实现，这样其出光面能产生明显的明暗边。
如果明暗边邻近或在照明光束轨迹孔内，光源的不精确对准不会或基本上不会影响明暗边的对比度。根据本发明，在物体处于发出表面内的明显边情况下，收集器取代了已知聚光器透镜的功能或光学照明系统的功能。
尤其是，在这种布置中光源的尺寸实际上没有特别地影响大灯光束的口径，而只影响分离器的直径。相反，光源直接成像于市场上出现的机动车的大灯内的路面上，即反射镜的每一段在路面上产生白炽灯线圈或光弧的明显图像。
如果分离器的直径大于或至少等于光源虚像的尺寸，那么辐射光束没有被切下，并且照明系统的效率将非常高。
如果收集器高效工作，由于收集器的结构尺寸直接取决于光束口径，就可以采用所需的小口径，这样从白炽灯线圈的尺寸和对准中分离出的辐射光束的形状能保持来自光源的光束口径，而不会带来通常的光度测量问题。可以使用口径小于60°的光源，最好的20°和40°之间，甚至更小的口径光源。
此外，对于使用通常的放电灯，由于现在能利用在所谓的贮盐池中散射的光，所以交织光束轨迹也使效率增加，其中贮盐池是在灯工作过程中形成的。交织光束轨迹意味着光弧不再需要明显地映射成大灯光束，这样较强的散射光也只会对该光束产生较小影响。
如果光源是一带有灯泡的放电灯，特别合适的是采用带有柱面或下垂灯泡形的放电灯。
收集器最好由固体元件构成，并由一透明、耐热材料制成，最好是玻璃。根据使用的光源，收集器可以选择地由具有光学波导特性的合成树脂制成，其与玻璃相比，在重量上有优势。但是使用通常的气体放电灯，能产生大量的热量，这样只有少数的合成树脂适合于用作收集器材料。
收集器最好具有一环形的出光面，这样可以通过使用不同的分离器来获得一个或同一个“标准的”收集器形状的应用。
根据所需光束的形状和用途，在收集器后布置一个分离器就足够了。但是发现将来自收集器的光分配给几个，最好是六到十个分离器，然后叠加分离器辐射出的光束，形成所需形状的光束，这是特别合适的，尤其是适合生成机动车所需近光的光束。
如果需要分离器发出的光线是散射的，那么分离器的出光面可以具有类似于散射透镜的结构。这带来优点是可以省略一单独的散射透镜，并可省略一附加的光线的物质-空气-物质转换，而转换总是伴随着光的损失。
收集器14和分离器16是固体元件，这意味着与通常的系统相比，光的导向和光束的形成是在透明材料内发生的，并且光线从光源一直到从照明系统移出基本上没有在空气中移动，而是在一固定媒介中移动。
图2和图3图示了收集器14的两个正视图。本发明的一个主要特性能被清晰地观测到，这有助于本发明的照明系统的高效率收集器“拥抱”放电灯12，或更准确地“拥抱”放电灯电极定位的区域和灯工作中形成光弧的区域。因此收集器收集了基本上所有产生的光。为此，构造收集器的一进光面24，该进光面围绕放电灯12，并且其轴向边界处于放电灯12的灯泡所占据的区域的外部。
在图示实施例中，放电灯12相对收集器14定位，灯的电极基本上位于与所需光束辐射方向平行延伸的一直线上。因此这表示一“轴向灯头位置”，与所谓的“横向灯头位置”相反，其中灯头产生的部分光直接沿所需光束的方向辐射。
在横向灯头位置，部分光必需经反射面引导，使之被导向所需方向。但是通过混合直接辐射和反射的光形成光束是很难实现的，并且需要灯头相对反射镜或收集器准确但费力的对准。因此，一般这儿所示的轴向灯头位置最可取的。
在轴向灯头位置，沿该照明系统产生的所需光束方向没有辐射出去的光线，所有的光线都被收集器的影响以便导入光柱方向。这使获得所需的收集器的输出光线分布更容易。
这个实施例中的收集器14的径向口径在大约15°和25°之间，并包括一朝向光源的圆锥形的入光面24和一环形出光面26。收集器14的旋转对称结构是比较好的，它使利用一个或同一个收集器产生不同光束成为可能，例如，当用在机动车大灯时，产生用于右手和左手交通的光束。这样可以特别经济的制造基于同一收集器的各种大灯型式。只需要更换分离器。
可以根据收集器的形状，至少部分地在收集器14的外部28装反射镜，以确保灯12辐射的光经入光面进入收集器14后能基本上完全地引导到出光面26。收集器14的装反射镜的外部28具有旋转椭圆体的形状。
实质上，收集器可以选择地成形，这样在外部经全部反射也能实现所需的反射，但是至少部分装反射镜的外部使收集器的结构特别紧凑，并且因此整个系统结构尺寸较短。
收集器的出光面26定形为在照明系统正常工作的过程中，使从出光面26发出的光束具有明显的明暗过渡。然后借助分离器成像，这样经叠加获得所需形状的光束。
收集器的内部30定形为当收集器相对光源正确安装时，能进行全部的反射。图4和5图示了辐射轨迹。
图4和5示例地图示了照明系统正常工作时的光射线a、b、c、d和e。全部反射在位置32和34进行，即一次在收集器14的一边界面，一次在分离器16的一边界面。
分离器16理想地利用实施例中所示的收集器14的口径分布。分离器的入光面36和出光面38的曲率都处于子午线的焦平面内。这个方向上的收集器的口径大约为15°。与其垂直的口径只是几度，这样沿这个方向就不需要分离器的成像作用。以这种方式能利用在分离器纵向平面上的全部反射，而不会与高对比度边的成像发生干涉。
因为一般使用的高能光源不仅产生可见的范围内的光，而且也产生UV范围内的光，所以出于辐射保护的原因，对在辐射轨迹内提供UV吸收方法是有用的，并且尤其是对延长分离器的使用寿命是有用的，这特别有利于材料是合成树脂，例如有机玻璃，其一般在UV辐射下会降解。
这样的方法可以广泛地适用于不同的应用。例如，可以在光源12和收集器14间，或在收集器14和分离器16间布置一个或几个UV过滤器。可以选择用UV吸收材料如玻璃来制造该收集器。光源12，收集器的入光和/或出光面，和/或分离器的入光面可以配置一UV吸收层。由于工作中的高温，光源上的涂层趋向于剥落，因此通常最好将涂层设置于收集器的出光面上或分离器的入光面上。
分离器16具有弯曲的入光面36和弯曲的出光面38。每一分离器16是一固体元件，最好由具有良好光学波导特性的合成树脂制成，例如有机玻璃。与玻璃相比，合成树脂具有低的耐热性，但本发明的这种布置的主要优点是光源和分离器能热分离，这样分离器只被暴露到适中的发热中。
本发明的照明系统工作如下，与图4和5比较，光源12产生光。光由收集器14收集，并在一交织辐射轨迹形成期间瞄准分离器16。收集器不但执行导光的功能，而且使光源辐射的光的口径减小，并在其出光面产生特定光分布。光束在出光面的边上发出而没有被吸收，通过具有所需的明显的明暗过渡，如用于产生机动车的近光。
然后光束由全部反射导入分离器16，并朝各个的特定形状的出光面发出，在该面光束离开分离器，并叠加，形成所需形状的光束。
大量改进和进一步发展可以在本发明基本思想的范围内产生，如涉及形状，分离器的数目。还可以将收集器和至少一个分离器作成一个整体。将光源做为收集器的组合部件，即灯玻璃成形为构成收集器可以进一步提高效率。这使收集光的元件能完全围绕灯头，这样能从光弧收集到更多的光。构造成一收集器的灯的确比通常的灯更昂贵，但由于气体放电灯的进一步向相当大地延长工作寿命的方向发展，这使灯很少更换，因此这种更复杂结构的灯的使用也是有商业吸引力的。
权利要求
1.一种照明系统，尤其是用于机动车的，包括至少一个光源(12)，最好是高能放电灯(HLD灯高强度放电灯)的形式，尤其是一低压氙气灯(MPXL微能氙气灯)，还包括一收集器(14)，其至少部分地围绕光源(12)，将光源(12)所产生的光收集并传递到至少一个分离器(16)，还包括至少一个光学波导材料的分离器(16)，而每一分离器(16)包括至少一个用于辐射光的特定形状的出光面(26)，光引导进入分离器(16)后成为规定形状光束。
2.根据权利要求1的照明系统，其特征在于，光源(12)，收集器(14)和分离器(16)布置成能获得一交织的辐射轨迹。
3.根据权利要求2的照明系统，其特征在于，收集器(14)和分离器(16)布置成收集器(14)产生的光源(12)的至少部分图像处于分离器(16)的入光孔的范围内。
4.根据权利要求1至3的任一照明系统，其特征在于，光源(12)的口径为小于60°，最好在20°和40°间。
5.根据权利要求1至4任一照明系统，其特征在于，收集器(14)的出光面形状为在照明系统正常工作中，从收集器(14)出光面发出的光束具有明显明暗过渡的边。
6.根据权利要求1至5任一照明系统，其特征在于，收集器(14)的形状为由此收集的光在收集器(14)的内壁(28，30)上经反射后，被引导到至少一个分离器(16)的至少一个入光面(36)上。
7.根据权利要求1至6任一照明系统，其特征在于，光源(12)构成收集器(14)的一部分。
8.根据权利要求1至7任一照明系统，其特征在于，设置了几个分离器(6)，最好是六个到十个分离器(16)，并且其被构造成在照明系统正常工作中，通过叠加分离器(16)辐射出的光束获得所需形状的光束。
9.根据权利要求1至8任一照明系统，其特征在于，至少一个分离器(16)被构造成在工作安装位置中，至少部分经收集器(14)导入分离器(16)的光借助全部反射(32，34)指向一出光面(38)。
10.根据权利要求1至9任一照明系统，其特征在于，在工作安装位置，沿分离器(16)辐射的光的主辐射方向测量该分离器(16)或所有分离器(16)的长度和收集器(14)的长度，它们处于80mm和200mm间，在用于汽车的照明系统中最好是处于80mm和120mm间。
11.根据权利要求1至10任一照明系统，其特征在于，在工作安装位置，沿分离器(16)辐射光的主辐射方向的横向测量该分离器(16)或所有分离器(16)的直径，它处于60mm和200mm间，在用于汽车的照明系统中最好是处于60mm和100mm间。
全文摘要
在用于机动车的一照明系统中,来自一HID或MPXL灯的光由一收集器收集,再被引导到一光学波导材料的分离器,其中收集器至少部分地围绕该光源,分离器经一特定形状的出光面而形成一所需的光束,进而获得尽可能高的光输出。
文档编号F21V5/00GK1354340SQ01143690
公开日2002年6月19日 申请日期2001年10月23日 优先权日2000年10月26日
发明者H·蒂斯勒－韦迪 申请人:皇家菲利浦电子有限公司