CN101023296A - 具有非对称准直器的led准直器元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种LED准直器元件，它可特别用于汽车前照灯等。此LED准直器元件包括LED(2；23)，从它发射的光基本上是直接射入LED准直器元件(1；20)的发射角度区域内；还包括准直器(3；22)，它将不沿发射方向发射的光偏转到发射角度区域内。LED准直器元件(1；20)至少相对于准直器截面(4)被设计成不对称的，使得在LED准直器元件(1；20)的发射平面(10；26)内获得限定的不均匀光强度分布，此发射平面垂直于准直器截面(4)和主发射方向。

Description

具有非对称准直器的LED准直器元件

技术领域

本发明涉及LED准直器元件，特别是用作汽车前照灯的准直器元件，用来产生按指定的非均匀形式分布的光照射。

背景技术

LED元件的发展预示着在不久的将来可获得能产生足够的亮度，以用作汽车前照灯等的LED。车辆前照灯通常首先产生所谓的远光，其次产生近光。远光提供尽最大可能的行车地带照明。而另一方面近光提供的照明，在对车辆驾驶员的观点而言是尽可能好的照明与使迎面车辆尽可能不晃眼之间达成折衷。为了使迎面车辆在直路上正常条件下不晃眼，为近光规定了发光图案，其中在前照灯发射平面内水平线以上不发射光，也即前照灯必须形成突然截止。然而另一方面，由于前照灯在紧邻截止下方的区域要照明离该车辆的距离最远的行车地带，所以前照灯必须正好在截止处提供最大的光强度。

因此，尤其是对于用作汽车前照灯，要求发光器件具有两个基本特性：首先，光源必须能以高强度照明离光源75米左右距离的空间，其次，它必须在照明良好的空间与处在它后面的非照明区域之间形成突然截止，也就是说，它产生的光照射必须是以限定且不均匀方式分布。越靠近车辆本身的道路区域，发射的光强度应越低。但考虑到离前照灯的距离较短，那儿所产生的光强度又可能会非常高。在照明良好的区域具有充足的强度，与光源的亮度(照明度)及和光源协同工作的光学系统的性能直接相关。与此相反，产生以限定且不均匀方式分布的光照射，尤其是形成突然截止，则为设计需求。

在当前使用的卤灯和氙灯系统中，一般是用隔屏来实现突然截止。它与反射器和投影透镜一起实现突然截止。虽然由于光在隔屏上被吸收或反射，使用隔屏会引起光的损失，但这不是问题，至少在氙灯系统中是如此，因为这些系统可以产生充足的光强。近来也可以采用形状复杂的反射器，将光源产生的光以适当的方式投射到行车地带内。

在使用LED的灯系统中，正在试图解决其强度方面的问题，包括采用几个LED和将它们的发光像叠加。此类装置可从US2003/019806 A1中找到。根据该文件，将几个LED彼此一个接一个地安置，因为它们所需的空间小，故很容易做到，这样就产生了一些新的汽车前照灯设计。在每个单独的LED上面安置一个反射器，它将LED发射的光基本成直角地反射到发射方向中。连同沿发射方向安置在LED后面的导光棱一起，此反射器产生具有突然截止的发光像，此发光像通过投影透镜与其它发光像叠加并投射到行车地带内。这种结构的一个缺点是，几乎全部由LED发射的照射在通过辅助光学器件之前至少要反射一次。但是，每次反射都意味着损失一定的光功率，因而降低了此发光系统的功率。

发明内容

因此，本发明的目的是进一步研发一种上述类型的发光系统，使得与之相关的不可避免的损失减至最小。

为实现此目的，提出了一种LED准直器元件，此元件包含一个LED，它在工作期间发射的光基本上是直接进入该LED准直器元件的发射角度区域内，同时有一个准直器将未射入发射角度区域内的LED光偏转到此发射角度区域内。这个LED准直器元件被设计成至少相对于准直器截面为非对称的，以在LED准直器元件的一个发射平面内获得限定的非均匀光分布，此平面垂直于准直器的截面和LED准直器元件的主发射方向。

发射角度区域是这样一个角度区域，在里面光从准直器发射，以产生所需的指定照明。相关的发射角度区域基本是辅助光学器件的折射区。LED准直器元件的主发射方向，应理解为发射角度区域内光发射量最大的发射方向。准直器截面位于LED准直器元件的主发射方向上，同时还与LED元件相交。发射平面基本沿着垂直于通过LED准直器元件的准直器截面的方向，且一般是平行于辅助光学器件的光入射平面。它是一个几何空间，通常与准直器的开口面重合。术语“准直器”应理解为反射面，它基本上把全部未直接发射到发射角度区域内的LED元件的光折返。和反射器不同，准直器直接处在LED集成电路块邻近。为了考虑到LED集成电路块制造过程中的公差，准直器可离开LED一个小距离，例如0.5mm左右，或最好甚至更小。换句话说，准直器离开LED的距离，比如邻近LED的准直器边缘离LED的距离，应优选小于或等于0.5mm左右，小于或等于0.25mm左右更好。这样也有利于实现本发明的另一个目的，即使结构尽可能小型化。术语‘非均匀光强度分布’应理解为在发射平面内的一种光强度分布，其中在不同的区域存在不同的亮度。

因而，本发明脱离了前述现有技术所采用的原理，即将大部分由LED准直器元件发射的光偏转到准直器的发射角度区域内的原理，而遵循基本上是直接利用由LED元件发射的光，并将光直接引入辅助光学器件内的原理。这是从下面的认知引伸出来的：通过反射所造成的每一次偏转都要造成光输出的损失。

下面我们假定LED元件是无机固态LED，因为目前这些器件可以有足够的强度。但是，它们当然也可以是其它的电发光元件，例如激光二极管，其它发光半导体元件或有机LED，只要它们有足够的功率。因此，在本文中的术语“LED”或“LED元件”，应看成是任何适当类型的电发光元件的同义语。LED元件的一个成分也可以是粉末或晶体形式的发光物质，它将所产生的某些或全部光转化为不同波长的光。

如上所述，特别是对于汽车前照灯的应用，要求有突然截止，在该截止以下的光强度尽可能高。因此本发明的一个优选实施例提供的非均匀光强度分布具有这样的结构：在准直器第一边缘处存在高强度，而在准直器此边缘背离LED的一侧基本上不存在光强度，以便产生突然截止而不被隔屏或类似的装置屏蔽掉大量的照射。因此，就光输出而言，这种结构工作时实际上没有任何损失。

当离发射平面不同距离的目标要以几乎相同的光强度照明时，更加希望在发光器件的发射平面内具有不均匀的光强度分布。因此，根据本发明另一个优选实施例，在发射平面内的强度随着离准直器第一边缘距离的增加而减小，并因此随着离准直器相对的第二边缘距离的减小而减小。因而从准直器第一边缘开始，强度具有限定的梯度。每当要对相对于发射平面倾斜的目标面尽可能地均匀照明时，就要求沿着准直器第一边缘的强光强度向准直器相对边缘较弱强度连续过渡。不光是对用来照明汽车前方给定行车地带的汽车前照灯是这种情况，而且对于其它应用也是这样，例如当利用固定在位于墙壁面上方的天花板上的该发光元件来对墙壁面进行尽可能均匀的照明时。

根据本发明，因为按照不对称方式设计LED准直器元件，故可以实现不均匀光强度分布。

这一方面可通过将LED安置成相对于对称的准直器截面倾斜而实现。在这个实施例中，非对称性不是由准直器的设计得到的。而是从LED元件的安置而得到的，此元件的主发射方向不与准直器对称轴或截面重合，而是与之成一定的角度。这样，就能以简单方式实现非对称光强度分布，因为准直器的一个面被照射的程度更大，结果在这个面上产生的照射的反射，比在与它相对的面上要大。

LED准直器元件的另一种非对称结构形式是由于准直器的相对两面的设计各不相同。这一方面可理解为准直器的反射面的形状不相同，而另一方面也可理解为准直器的反射面的结构不相同，即相对的准直器面具有不完全一样的反射特性等。在极端情况下，可将准直器的一个面设计成高反射的，而另一个面(不过照在此面上的由LED发射的光量仍较少)具有吸收特性。由于准直器的这个吸收面无助于LED准直器元件的光的传输，故可将此面完全或部分地省略，且LED在这个方向发射的光可由相邻的元件来吸收。

尤其希望这种LED准直器元件非对称结构是由于，形成第一边缘的准直器面相对于主发射方向的倾斜比第二面小，以使准直器产生如上所述的突然截止。在一种简单的场合中，准直器的第一和第二边缘处于准直器相对的两面上，因而由LED元件发射的光在第一边缘上比在第二边缘上更为集中。

在本发明的一个特优实施例中，第一面相对于主发射方向不倾斜或仅有几度的小倾斜。这意味着没有无任何反射地沿直线离开准直器的光，在一次或几次反射后，是在准直器第一边缘处或其附近发射的，因而在那儿形成很高的光强度。

在上述几种设计方案的一种组合变型中，相对于准直器截面按倾斜方式安置的LED被安置在非对称的准直器内。

因此，所有这些设计都力图使发射角度区域的边界与形成第一边缘的反射器面重合。

按本发明另一个优选实施例，辅助光学器件被沿主发射方向安置在准直器开口后面，此辅助光学器件将所发射的光投射到将要被照明的空间。辅助光学器件通常可由投射透镜组成，它将LED准直器元件产生的发光像投射到将要被照明的目标上。

辅助光学器件还可包括半抛物线反射器，由LED准直器元件来的光照射到反射器内。当反射器为三维曲面的情况下，此半抛物线反射器的焦点在光入射平面内。照射到焦点上的各种不同方向的光束平行于反射器发射方向均匀发射，与它们引入反射器的方向无关。被引入到焦点之外的光照射相对于此发射方向成一个角度发射。沿发射方向照在焦点后的照射面的那些照射，是沿相对于该发射方向成一个角度的第一方向发射的。另一方面，沿该发射方向耦合到焦点前的照射平面(即处于反射器焦点和第一边缘之间)的光照射，将以与第一方向相反的相对于发射方向的倾角离开反射器。

优选地采用只在一个方向弯曲(即二维形式)的半抛物线反射器。此二维弯曲的半抛物线反射器，在平行于反射器发射方向的截面视图内，基本上与三维弯曲的反射器具有同样的几何结构。但是，由于它在垂直于此截面的方向具有不变的相同结构，故将每个截面的许多焦点一个接一个地彼此排成一列，就得到一条焦线。不过在一个截面内来看，该焦线与三维弯曲反射器的焦点具有同样的几何意义，因此，在下文中不再区分焦点和焦线。

优选地这样来安置LED准直器元件，使它让光线或者完全在焦点之前照射，或者完全在焦点之后照射，也包括在焦点处照射。在本发明的一个特优实施例中，将LED准直器元件安置得使它的第一边缘处于焦点区，以使在第一边缘处高度集中的光线照射到半抛物线反射器的焦点上。因此，突然截止的形成从两方面对设计有所帮助，即一方面如上所述，通过LED准直器元件的不对称结构。另一方面，半抛物线镜也服务于此目的：通过使光在半抛物线反射器焦点和第一边缘之间照射，可保证光只在一个区域内从半抛物线反射器发射，此区域被半抛物线反射器发射方向严格限定在一侧。因此，本发明利用上述两种效应来产生突然截止。

把不对称准直器和半抛物线反射器组合起来，可以进一步消除不对称准直器不希望的散射光，这种光将会冲淡突然截止。这是因为下面的事实：照射到半抛物线反射器的焦点和第一边缘之间的抛物线反射器内的光，不管是按什么方向引入抛物线反射器内，在任何情况下都不可能在半抛物线反射器发射方向另一侧的不希望区域内发射。通过不对称LED准直器元件和半抛物线反射器的组合，一方面能实现突然截止，另一方面沿突然截止可得到高的光强度。

此外，投射透镜可以在半抛物线反射器发射方向上布置在半抛物线反射器下游，此投射透镜将反射器发射的光射入行车地带。

在本发明另一个优选实施例中，多个LED被安置在准直器内，优选是平行于准直器的截面，LED准直器元件相对于该平面设计成不对称方式。在这种情况下，每单个LED元件的发光像可以与其它元件的发光像叠加，或者按镶嵌方式与它们组合，以便产生较高的光强度或较大的照明空间。

按本发明的LED准直器元件的生产成本较低，这可通过将普通LED安装在准直器内而实现，这些准直器是按上述特征设计成非对称方式并/或具有LED底座，以按照相对于准直器主发射方向倾斜的方式容纳LED。

优选能将一些具有不同特性的LED元件，例如不同光输出或不同颜色的LED元件，组合在一个准直器内。在同时工作的过程中，准直器内光的混合将产生一个平均的结果。生产LED时，上面提到的参数一般会围绕所希望的值有一些分散。将许多LED元件组合到具有过高和过低色温的准直器中可以产生所需颜色的光，并因此允许较经济地利用全部制造范围。组合具有不同颜色特性的LED，还可以通过对相应元件的非均匀控制，以限定的方式改变由准直器产生的光的颜色。

附图说明

下面参照附图所示的实施例对本发明作进一步说明，不过本发明并不只限于这些实施例。

图1表示前照灯在道路上的光束轨迹的简化透视图。

图2是根据本发明第一个实施例的通过本发明的LED准直器元件的截面。

图3是在LED准直器元件的发射平面内的发光像。

图4是如图2所示LED准直器元件的透视图。

图5是根据本发明第二个实施例的本发明的LED准直器元件。

图6是与抛物线反射器结合的LED准直器元件全貌和相关的光束轨迹。

图7是图6一部分的详图。

具体实施方式

图1表示前照灯a在道路b上的光照射轨迹示意图。此前照灯a由LED准直器元件发射面c和辅助光学器件d象征性地表示。发射面c有四条处于角落r、s、t、和u之间的边界线。道路b被中心线e分成两条车道f和g。带前照灯a的汽车(未示出)处于车道f内。车道g用于迎面交通。前照灯a照明行车地带h并在那儿产生一个像，该像具有四角r’、s’、t’和u’。

从发射面c来的光照到辅助光学器件d处。辅助光学器件一般由透镜形成，透镜将发射面从后方投影到前方，而且是倒置的。因为发射平面c相对被照明的车道f成一个角α，故它在车道上所产生的像有失真。虽然从r至s和从t至u的尺寸长度相同，但从t’至u’的尺寸是从r，至s，尺寸长度的几倍。在照明行车地带h时也必须考虑这种失真。这就意味着，若要使行车地带h大致受到均匀照明，则在u至t之间的发射平面边缘处所需的光功率，要比在r至s之间的相对边缘处大得多。因此，理想而言，在边缘u和t的高光功率朝着边缘r和s的低光功率之间形成连续的过渡或光强度梯度。

为避免让迎面车辆晃眼，在具有角落r’、s’、t’和u’的像以外不发射光。这特别关系到t’和u’之间的边缘。在那儿光源必须形成突然截止，因为在此边缘以上的光会使迎面车辆晃眼。因而必须在发射平面内沿着从t至u的线形成截止。

在按本发明的LED准直器元件设计中，这些要求是这样实现的：

如图2所示的LED准直器元件1包括LED元件2和准直器3。LED元件2在主发射方向发射光，此方向平行于第一准直器截面4。此处把LED元件2主发射方向定义为垂直于此LED元件2的集成电路块延伸的平面。

准直器3包括第一反射器面5，它与第一准直器截面4平行。相对于第一准直器截面4而在第一反射器面5的对面，是第二反射器面，包括下段6和上段7。为防止损失，两个反射器面离LED元件的距离很小，而且比该元件的尺寸小得多。两个段6，7在主发射方向上向离开准直器截面4的方向倾斜。相对准直器截面4而言，下段6的倾斜比上段7小得多。第一反射器面5和上段7在准直器第一边缘8和准直器第二边缘9(它与第一边缘相对)处通向发射面10。我们把发射面10仅仅看成是一个几何位置，它与图1中的准直器开口重合。LED元件2的主发射方向和准直器截面4二者都垂直于发射面10。

图2表示非对称准直器3协同LED元件2的工作模式。图2显示了从LED元件2发射的一束光的例子。但是，实际上LED元件2是从它的整个宽度以不定向方式发射光(朗勃照射)。LED元件2的照射用实线箭头11和虚线箭头12象征性地表示。实线箭头11代表直接或至多在第一反射器面5上反射一次的照射。因为第一反射器面5是在离开LED集成块2的方向上平行于准直器截面4，它将较大量的发射光反射到在此情况下与准直器截面4相对的空间中，即沿着第二边缘9的方向。

下段6从离开准直器截面4的方向倾斜而延伸离开LED元件2的边缘。因此它反射相对主发射方向或准直器截面4以大角度发射的大量光线。但是，考虑到它的倾斜，下段6相对准直器截面4以比反射器面5平得多的角度反射。这意味着被它反射的光只有一些照到对面的反射器面5上，并在反射器5上再次反射，因此，被下段6反射的其余光线通向发射面10而未进一步反射。考虑到下段6的几何形状，这些光线将入射到靠近第一边缘8的发射面10区域。由于上段7比下段6更为倾斜，没有照射从LED元件2直接照到上段7。它对已经在反射器5上反射过一次的反射光束也不起作用。因此，它不需要具有高反射度的表面，而且在原则上甚至可以省掉。

因而在上述结构中，LED元件2发射的大量照射入射到靠近第一边缘8的发射面10上，所以照射的光强度分布梯度将从第一边缘8向第二边缘9减小。在边缘8背离LED的一侧，只有少量散射的照射入射到发射面10的后面，且通过适当选择和/或连接辅助光学器件，可以保证此散射照射不会投影到截止线以上的行车地带。

因此获得了如图3所示的图像。沿着任何平行于截面线I-I的截面，从上边缘8朝下边缘9的光强度是下降的。由于在第一边缘8以上没有光发射，故沿第一边缘8产生突然截止。因而获得了发光系统特别是汽车前照灯的上面提到的两个必备特性，即一方面正好在最高光强度区域有突然截止，另一方面，从截止处的高强度至与截止相对区域处的低强度的光强度分布具有限定的梯度。

图4表示如图2所示的本发明的LED准直器元件透视图。此图特别显示反射器面5、6、7和13及14彼此之间及相对于LED元件2的关系。平行于图2的图面，LED准直器元件1由横向反射面13和14限定。从发射方向看它们是向外倾斜，但也可以是与LED元件2成直角，因而平行于图2所示的准直器截面4。

LED元件2具有长方形底面，其长侧沿反射器面5的方向横向于发射方向伸展，因而是平行于图2的准直器截面4。也可以不用具有长方形底面的LED元件2，而用例如几个正方形LED元件彼此连着安置，以覆盖相同的区域。

图5是按本发明另一个实施例的LED准直器元件20的例子。LED元件23被定位在支座21上，后者倾斜地安装在准直器22上，该LED元件将光发射到准直器22内。此准直器22包括长侧24和短侧25，且有与LED元件23相对的发射开口26。考虑到支座21和LED元件23相对于发射开口26的倾斜定位，LED元件主要把光发射到准直器22的长侧24上。LED元件23的倾斜度选择成让光线即使有反射也主要只反射一次。这样，在发射开口26处产生的光分布是，大量的光是在长侧24处发射，只有少量的光是在短侧25处发射。因此，这种LED准直器元件20在其发射开口26处的光分布也是具有上述所需的梯度，这个梯度是在汽车前照灯等应用中所希望的。

图6和7表示不对称准直器1和二维半抛物线反射器15的协同关系。

图7是图6的详图。不对称准直器1布置为其发射面10在半抛物线反射器15的照射平面16内，使它沿半抛物线反射器15后边缘17的方向从焦线F伸出。另外LED准直器元件1的方位取成使它的前边缘8(在它上面光照射最大)与焦线F重合。

将LED准直器元件1相对于半抛物线反射器15如此对齐的效果是，所有从LED准直器元件1来的及被半抛物线反射器15偏转的光，都是在半抛物线反射器15的发射方向18下面发射的。由于光是特意引到半抛物线反射器15的焦点F和第一边缘1 7之间，故在沿垂直于图7纸面及在发射方向18上伸展的平面以上没有照射发射。因此，在像面19(它示例地选择成与发射方向18成直角)上，在该像面和发射方向18之间的相交处形成突然截止。另外，存在于LED准直器元件1的发射面10处的上述发光梯度也传递到像面19内，因此沿箭头a的方向上发光强度是减小的。

最后，还应再次指出，附图和说明中所示的系统和方法只是许多实施例的一些例子，本专业技术人员可以对它们进行广泛的修改，这不偏离本发明的范畴。为明确起见还应指出，使用不定冠词“一”或“一个”并不排除相关的特性可以出现一次以上。

Claims (14)

1.一种LED准直器元件，特别用于汽车前照灯，

包括LED(2；23)，其在工作期间发射的光基本上直接发射到LED准直器元件(1；20)的发射角度区域内，

包括准直器(3；22)，其将未发射到LED准直器元件(1；20)发射角度区域内的LED(2；23)的光偏转到此发射角度区域内，

其中LED准直器元件(1；20)被设计成至少相对于准直器截面(4)不对称，使得在LED准直器元件(1；20)的发射平面(10；26)内获得限定的不均匀光强度分布，此发射平面垂直于准直器截面(4)和LED准直器元件(1；20)的主发射方向。

2.如权利要求1所述的LED准直器元件，其特征在于，非均匀光强度分布构造为：高强度正好出现在准直器(3)的第一边缘(8)处，且在准直器(3)的此边缘(8)背离LED(2)的一侧基本没有光强度。

3.如权利要求2所述的LED准直器元件，其特征在于，发射平面(10)内的光强度随着离第一边缘(8)距离的增加而减小。

4.如上述任一项权利要求所述的LED准直器元件，其特征在于，因为LED相对于对称准直器的截面按倾斜方式安置，故获得非均匀的光分布。

5.如上述1至4中任一项权利要求所述的LED准直器元件，其特征在于，因为准直器(3)的相对面(5；6；7)不同地设计，故获得非均匀的光分布。

6.如上述任一项权利要求所述的LED准直器元件，其特征在于，形成第一边缘(8)的准直器第一面(5)相对于主发射方向的倾斜比第二面(6；7)小。

7.如上述任一项权利要求所述的LED准直器元件，其特征在于，第一面(5)相对于主发射方向不倾斜或只有几度的小倾斜。

8.如上述任一项权利要求所述的LED准直器元件，其特征在于，准直器离LED的距离小于或等于0.5mm左右，优选小于或等于0.25mm左右。

9.如上述任一项权利要求所述的LED准直器元件，其特征在于，辅助光学器件(15)沿主发射方向被安置在准直器开口的后面。

10.如上述任一项权利要求所述的LED准直器元件，其特征在于，辅助光学器件包括半抛物线反射器(15)。

11.如上述任一项权利要求所述的LED准直器元件，其特征在于，包括优选平行于准直器截面(4)安置的多个LED。

12.如权利要求11所述的LED准直器元件，其特征在于，包括被安置在准直器内具有不同特性的多个LED元件。

13.一种包括上述任一项权利要求所述的LED准直器元件的前照灯系统。

14.一种用于如上述任一项权利要求所述的LED准直器元件的准直器，其特征在于，该准直器以不对称方式被设计，且/或有用于LED(23)的底座，以按照相对于准直器(22)的主发射方向倾斜的方式容纳LED(23)。

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