CN101023295B

CN101023295B - 具有半抛物线反射器的发光二极管准直仪部件

Info

Publication number: CN101023295B
Application number: CN2005800316465A
Authority: CN
Inventors: J·索马尼
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2004-09-20
Filing date: 2005-09-12
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2025-09-12
Also published as: US20070211487A1; TW200617431A; EP1794490A1; KR20070063014A; US7513642B2; ES2515865T3; WO2006033040A1; JP4921372B2; JP2008513945A; CN101023295A; TWI291568B; KR101228847B1; EP1794490B1

Abstract

本发明涉及LED照明装置，特别用于机动车辆前照灯中，其包括LED部件(3)；准直仪(1)，其通过准直仪开口(5)以准直方式发射由LED部件(3)发射的光线；和具有半抛物线的凹反射面(8)，照射面(9)，在照射面(9)中的焦点(F)和发射平面(10)的反射器(7)，该发射平面以反射器(7)的发射方向发射光线并且与照射面(9)包围一个角度。根据本发明，准直仪(1)被设计和/或布置使得当在发射方向上观察时来自准直仪(1)的准直光，被照射入照射面(9)内，或者在完全在焦点(F)的前方或者完全在其后方。

Description

具有半抛物线反射器的发光二极管准直仪部件

技术领域

本发明涉及发光二极管照明装置，特别用于机动车辆前照灯，其中由LED部件发出的光线几乎完全地由半抛物线反射器所偏转。

背景技术

LED部件的发展意味着，在不久的将来，LED部件将是可利用的，其具有足够的亮度用于例如机动车辆的前照灯。在采用车辆的前照灯的情况下，首先通常产生所谓的远光，并且其次产生近光。远光提供行车空间的最大可能的照明。另一方面，近光提供在给车辆驾驶员的视角尽可能好的照明和对迎面车辆的尽可能少的晃眼之间的折中。为此，已发展出照明图案，其中没有光线照射进入水平线上面的前照灯的发射平面中。因此，前照灯必须形成突然截止，目的在于使在正常情况下的直路上迎面的交通情况不遭受到晃眼的光。然而，由于具有直接在截止(cut-off)下方的区域的前照灯用于照明离车辆最大距离的行车空间，另一方面，前照灯的最大强度必须直接提供在该截止处。

因此，特别用作机动车辆前照灯时，要求照明装置具有两个必需的性能：首先，光源必须能够以高强度照明离该光源大约75m距离的空间，并且其次，其必须在良好照明空间和在此之后的非照明区域之间形成突然截止。良好照明区域中足够强度直接与LED部件的亮度(照明度)和与此配合的光学器件的性能相关。另一方面，突然截止是设计要求。

在到现在使用的卤素和氙气灯中，突然截止通常通过使用的挡屏来实现。与反射器和投射透镜一起，因此能够实现突然截止。尽管由于光线会在挡屏处被吸收或者反射，挡屏的利用会引起光损耗，但至少在氙气灯系统中不是问题，因为它们可产生足够的光电流。

在使用LED的灯系统中，试图去克服强度的问题，包括通过使用多个LED，通过重叠它们的光像，和将由LED发出光线以或多或少并行方式尽可能多地阻截并偏转进入照明装置的发射方向内。这样一种装置是已知的，例如US2004/0042212Al。根据所述文献，LED位于支撑衬底上。支撑衬底和采用它的LED通过抛物面反射器被弯曲，其中该抛物面反射器在一侧接触支撑衬底，在另一侧通过与支撑衬底间隔开形成光发射面。因此在支撑衬底上的LED设置在支撑衬底和抛物面反射器之间的空间中。如此设置使得从此产生的光照射几乎完全在反射器处反射，并且多数借助于光发射面作为平行照射发出。通过布置LED在抛物面反射器的焦点和反射器接触支撑衬底的边缘之间，在此装置中能够实现突然截止。

发明内容

本发明的目的在于改进上述用于产生突然截止的LED照明装置的有效性。

为了实现此目的，提出了一种LED照明装置，特别可用于机动车辆前照灯中，其包括LED部件，其光线考虑到反射主要以间接的方式发射。所述LED照明装置还包括准直仪和反射器，其中准直仪通过准直仪内的开口以校准的方式发射由LED部件发出的光线，反射器具有半抛物线凹的反射面，照射面，在照射面中的焦点和发射面，从发射面来的光线以反射器的发射方向发射，并且其与照射面包围一个角度。准直仪进行设计和/或布置使得当在发射方向上观察时，从准直仪来的准直光被照射入发射面中，或者完全在焦点的前方或者完全在其后方。

不同于反射器，准直仪被理解为指这样的反射面，其基本上阻截没有在发射方向上发出的所有的LED部件的光线。因此准直仪设置直接靠近LED芯片。为了考虑在LED芯片的制造期间的公差，准直仪可处于离LED的大约0.5mm的短距离。然而，距离优选甚至小于0.5mm，特别优选低于大约0.25mm。

LED部件的发射方向应理解为指相对于LED部件芯片布置的平面的垂直方向。

反射器的焦点是其聚焦处。在所述焦点处照射入的光线始终通过反射器以相同的方向发出，也就是发射方向，而与光线从该焦点到达反射器的方向无关，也就是说，在照射面中在焦点处照射进入反射器的光线以平行方式从发射面中发出。

焦点位于反射器的照射面中，在此处光照射进入反射器中。照射面的边缘基本上通过反射器的几何结构确定。反射器和照射面在发射方向上的后缘处相遇。

在发射方向中的前缘处，照射面与发射面相遇。其通常与反射器的开口面一致并且通常与照射面和反射器的发射方向成直角延伸。

在下文中，假设LED部件是无机的固态LEDs，因为这些是现有的具有足够亮度的。尽管如此，它们当然还可以为其它的电致发光部件，例如激光二极管，其它的发光的半导体元件或者有机的LED，只要这些具有足够的功率。因此在此文献中术语″LED″或者″LED部件″考虑作为任何类型的合适电致发光部件的同义词。

因此本发明脱离这样一种设计，在该设计中半抛物线的反射器使从LED部件以不定向方式来的照射在所需的方向上偏转得尽可能远。相反地，本发明遵循这样的原理，即首先对由LED部件以不定向方式(朗伯照射)放出的照射进行校准，然后以目标方式引入这样校直的照射进入半抛物线反射器之内，从而在所需方向上完全偏转它。为此，其提供一种准直仪，其校准一个或多个LED部件的光线并且以基本上成束的方式在它的开口面处照射光线进入反射器内。这首先意味着反射器能够更小，由于它能够对于通过准直仪发出的照射以目标方式进行设计，并且不必″捕捉″任何散射的发射。其次，准直仪的装置能够保证LED部件的几乎所有的的光功率被截取。

半抛物线反射器的几何结构用来可靠地产生突然截止。为此，重要的是当从发射方向看过去时，在反射器的焦点的完全前方或者完全后方照射光照射，可以包括焦点。因此焦点标记了一个边界，但是该边界也可包括在光线的照射范围内。因此词″在前方″或者″在焦点的后方″还意图(除非特别规定之外)包括焦点自身位于照射区域内的情况。因此，如果光线没有完全照射在由焦点定义的边界的那侧时，截止将被″稀释″。术语″完全″理解是意味着没有光线被照射入焦点之后或者之中的照射平面内，如果准直仪开口设置在焦点的前方，反之亦然。准直仪开口伸出到照射面之外不是不可能的，即使因此损失光照射。

在上述考虑中，假设作为基础的是三维弯曲的半抛物线的反射器，几乎所有点状的照射从LED准直仪单元照射入反射器中。为了提供直线光照射，到目前为止，多个半抛物线的反射器彼此紧挨着设置。相反，根据本发明的一个有利的实施例，半抛物线的反射器仅仅以二维的方式弯曲并且因此具有焦线。二维弯曲的半抛物线的反射器，在平行于反射器的发射方向的剖视图中，原则上具有与三维弯曲的反射器在发射方向并且通过焦点的截面中相同的几何形状结构。然而，由于二维弯曲的反射器在垂直于剖面的方向上具有相同的未变的结构，焦线可通过彼此并排紧挨着布置每个剖面图的焦点来产生。然而，在剖面中，焦线具有与三维弯曲的反射器的焦点相同的几何学重要性，并且因此以下在焦点和焦线之间不做区别，且仅仅反射器的相应的剖面将被考虑。

根据本发明的一个有利的实施例，准直仪开口布置在焦点和照射平面的边缘之间。这意味着至少一个内部尺寸，例如准直仪开口的直径，小于焦点和照射平面的边缘之间的距离。这种装置确保了当光线耦合入反射器时，在离开准直仪开口时LED部件的光功率没有被损失。

这些目的还可通过准直仪开口的形状来实现。根据本发明的更有利的实施例，准直仪开口是圆形，或者作为可选择的是矩形，特别是正方形。为了最佳利用照射面和阻止损失，因此准直仪开口可适应于照射面的外形。例如，在具有正方形或者矩形照射面的二维弯曲反射器的情况下，准直仪开口同样可为正方形或者矩形。

对于用作机动车辆的前照灯时，例如，LED照明装置除了突然截止和足够的亮度之外还必须具有亮度分布的梯度。特别高的亮度应该直接在截止处产生。本发明的更有利的实施例规定由LED部件和准直仪组成的单元以不对称的方式设计，以产生这些梯度。在由LED部件和准直仪组成单元的不对称性在一方面可由于不对称准直仪形成，或者另一方面可由LED部件相对于对称的准直仪的倾斜布置形成。在两种情况下，一个准直仪内侧比其相对的内侧被照射更大的程度，结果高亮度在准直仪开口的第一边缘处实现，所述亮度在相对的第二边缘的方向上降低。如此，甚至在准直仪开口处可产生亮度梯度。

不对称的LED准直仪部件优选布置使得其照射光线完全在焦点的前方或者后方，包括该焦点。在本发明的一个特别优选的实施例中，LED准直仪部件被布置，使其的第一边缘在焦点的区域中，从而使得其在第一边缘处将高度地成束的光线照射到半抛物线的反射器的焦点上。因此突然截止的形成在结构方面以两种方式得到辅助，也就是，第一方面，如上所述，通过LED准直仪部件的不对称的结构。另一个发面，半抛物线的镜面还用作此目的：通过照射光线或者在半抛物线反射器的焦点前方或者在其后方，确保了光线仅仅在一个区域从半抛物线的反射器发射，该区域通过半抛物线的反射器的发射方向在一侧迅速地划界。因此，本发明使用上述两种效果，以产生突然截止。

通过结合不对称的准直仪与半抛物线反射器，不对称的准直仪的不希望的散射光(其将稀释该突然截止)会进而被除去。这是因为在半抛物线反射器的焦点和第一边缘之间照射入抛物面反射器的事实意味着该光线，不管其是以哪个方向照射入抛物面反射器，无论如何都不能在半抛物线反射器的发射方向另一侧的不希望区域中被发射。通过结合不对称的LED准直仪部件和半抛物线反射器，从而在一方面实现突然截止，另一方面实现沿着突然截止的高的光强度。

因为需要以半抛物线的形状精确制造反射器，其成本是相当大的。因此本发明的更有利的实施例规定具有准直仪的许多LED部件在发射方向的横向方向上彼此紧接着设置，并且共同地照射入反射器中。二维弯曲的反射器特别适合于几乎任何所需数目的LED准直仪部件彼此紧挨着的布置。与彼此紧挨着的多个反射器的常规布置相比，上述布置相对于这种照明装置宽度可能实现更高的光功率。

如上所述，对于每个LED部件的准直仪的制造还需要高精度和相当大的费用。因此这是有利的，即如果一个或者多个准直仪每个分配一组LED部件。因此，每个单独的准直仪的光功率可显著地增加。

附图说明

本发明将参见附图中示出的实施例的例子进一步描述，但是，本发明不会被限制。

图1示出在道路上的前照灯的光线轨迹的简化的透视图。

图2示出通过准直仪的截面。

图3示出了通过包括准直仪和反射器的照明装置的截面。

图4示出了根据准直仪的开度角用于构造反射器的图表。

图5示出了与抛物面反射器相结合的LED准直仪的总图和相关的光线轨迹。

图6示出图5的简图中的部分的详图。

图7示出了具有多个准直仪的实施例。

图8示出两个不同的照明装置的光图象。

具体实施方式

图1示意地示出在道路b上的前照灯的光线的照射轨迹。前照灯用LED准直仪部件的发射面c和辅助的光学系统d所表示。发射面c在转角r，s，t和u之间具有四个边界线。道路b通过中心线e被分成两个车道f和g。包括前照灯的车辆(未示出)设置在车道f中。车道g用于迎面而来的车辆。前照灯照明一个行车空间h并且在此产生像，该像具有转角r′，s′，t′和u′。

来自发射面c的光线入射辅助的光学系统d。后者的通常由透镜形成，该透镜投射以前后和上下颠倒式照射在其上的像。由于发射平面c相对于其照射的车道f成角度α，在车道上产生的像发生变形。尽管从r到s和从t到u具有相等的长度尺寸，从t′到u′的尺寸是从r′到s′的尺寸的多倍长度。当照明行车空间h时，该变形还必须考虑。这意味着，如要产生行车空间h的或多或少的均匀照射，在u和t之间的发射平面的边缘处所需的光功率比在r和s之间的相对边缘处的要高的多。因此，理想地，在边缘u和t处的高光功率朝向在边缘r和s处的低的光功率之间形成连续过渡或者光强度梯度。

为了避免对迎面而来的车辆产生耀眼，没有灯光发出在具有转角r′，s′，t′和u′的像之外。这些特别地涉及在t′和u′之间的边缘。因此，光源必须形成突然截止，因为此边缘很可能对迎面而来的交通产生耀眼。因此截止必须沿着从t到u的路线形成在发射平面处，这些要求在以下根据本发明的LED准直仪设计中实现：

因为LED部件以半球形和不定向的方式(朗伯照射)产生光线照射，准直仪用来使该光线成束。这种准直仪1在图2中示出。设置在基座2上的是LED部件3，其通过准直仪开口面5以主发射方向4发射光线。准直仪的基座2具有半径r₁的圆形截面，并且同样地圆形的准直仪开口5具有半径r₂。准直仪具有截头圆锥的形状，其底面形成准直仪开口5并且其顶面形成基座2。准直仪1的侧面6是相对于截头圆锥的旋转轴以一定角度θ倾斜，该旋转轴与主发射方向4一致。以角度θ₁作为LED3相对于主发射方向4的发射角，以角度θ₂作为在准直仪开口5处的光线相对于主发射方向4的发射角，以n₁作为准直仪1中的折射指数并且以n₂作为准直仪开口5前方的准直仪1外部的折射指数，以下公式通常被获得作为直接在LED部件3的第一发射地点和在准直仪1的准直仪开口5处的第二发射地点之间的比率。

(1)n₁＊r₁＊sinθ₁＝n₂＊r₂＊sinθ₂

如果准直仪1中的材料和准直仪1前方的材料相同(例如，空气)，则n₁＝n₂。在这种特例中：

(1 a) \sin θ_{2} = \frac{r_{1}}{r_{2}} * \sin θ_{1}

显然，当忽略由准直仪开口5处的光线的反射所引起的损失时，可获得更有利的发射比率。这是因为从LED3发出的所有光照射能够以高度成束方式使用在准直仪开口5处的更小的发射角处。

如图3所示，本发明通过在准直仪开口5直接照射如此成束的照射入半抛物线反射器7之内来使用它。反射器7包括半抛物线的凹反射面8，照射面9和发射面10。照射面9在第一边缘11邻接反射器7并且包含焦点F。经由照射面9在此点射入反射器之内并且在反射面8上反射的光线再次与发射面10成直角地从反射器中发射，与它在焦点F进入反射器7的角度无关。此光路例如通过箭头12和13示出。发射面10从反射器7的下边缘14延伸到假想的边缘15，在此处其成直角地与照射面9相遇。

反射器7具有长度l和高度h，其中l相应于进入面9的尺寸并且h相应于发射面10的尺寸。从第一边缘11到焦点F的距离标记为f，并且因此焦点F和边缘15之间的距离为1-f。

准直仪1被设置，使得其准直仪开口5设置在焦点F和第一边缘11之间。在极端的情况下，准直仪开口5的内部尺寸能够采用距离f的长度。对于给定的准直仪，然后下面的公式用于反射器的设计：

(2)f≥2＊r₂

根据此公式，反射器7能够设计尺寸，使得一方面从准直仪开口5发射的所有光线被捕捉并且偏转，另一方面反射器7没有制成不必要的大。依靠准直仪1的发射角θ，因此以下关系被获得：反射器7的长度l通过在准直仪开口5的最外边缘处和焦点F处进入反射器7的光线所确定。长度l不需要更大，因为反射器7不捕捉更多的光线。另一方面，它不能更小，因为这将导致发射光线的损失。利用焦点F和第一边缘11之间的长度l和距离f，反射器7的高度变为：

(3), h = 2 \times \sqrt{1 \times f}

根据三角的规则，因此对角度θ可获得以下公式：

(4), \tan θ = \frac{1 - f}{2 \times \sqrt{1 \times f}}

这引起以下：

(5), 1 = 2 \times f \times (1 + 2 \times \tan θ^{2}) + 2 \times f \times \tan θ \times \sqrt{1 + {\tan θ}^{2}}

此公式被用于确定作为角度θ的函数的反射器7的几何结构。

图4示出一个图表，其中用于r₂，l，f和h的值作为角度θ的函数给出。假定的基础是0.5mm的r1的固定值。r1的值被选择，从而使得准直仪1能够放置在具有1mm直径的LED部件3上，忽略任何公差。图形示出存在一个角度θ，对于此角度反射器7的高度h表现出一个最小值。如果尺寸h和l不受任何其它的限定的影响，对于在反射器7具有最小可能尺寸的角度θ获得最佳值。

而且图3示出在发射面10处突然截止的形成。仅仅那些在焦点F处精确地进入照射平面9内的照射，诸如光线12，在水平的发射方向上离开反射器7，诸如光线13。在焦点F处照射入的任何照射在反射器7中偏转到该发射方向上。相比之下，在焦点F和第一边缘11之间进入反射器7中的照射具有一个方向，当其离开反射器7时，其相对于箭头13的方向向下倾斜一个角度。没有光线在箭头13的水平发射方向之上发射，因为没有光线被引入到焦点F的前部。因此光线13标记反射器7的截止位置。而且，由于在截止处实现诸如车辆前照灯的最大的光强度，应该可确保尽可能多的光线被引入在焦点F处或者接近焦点F。这可有利地实现，因为不是如图1和2所示的使用由准直仪1和LED部件3组成的对称的单元，而是使用一个不对称的单元，该单元的光强度梯度在焦点F具有最大值(参照图5和6)。

图3示出穿过根据本发明的LED照明装置的截面，该LED照明装置包括仅仅一个LED3，准直仪1和反射器7。当然，多个这样的单元可彼此紧挨着布置，也就是垂直于图3中的附图的平面。有利地存在多个由准直仪和LED部件组成的单元的布置，它们共同照射入一个反射器7中。

如此的布置是特别适用于布置在二维曲面半抛物线反射器7上，如图5和6所示。为便于图示出半抛物线反射器7与不对称的LED准直仪部件17的协作，为了清楚的目的，仅仅一个在反射器7上的LED准直仪部件17在此被示出。除不对称的LED准直仪部件17的选择之外，图5的透视图相应于图2的剖面图。因此相同的部件用相同的附图标记表示。

如图5所示，不对称的LED准直仪部件17和反射器相对彼此的布置具有以下效果，来自LED准直仪部件17的和通过反射器7偏转的所有光线低于截止平面18发射，截止平面18平行于反射器7的发射方向延伸。由于光线仅仅在焦线F和反射器7的后缘11之间引入，所有没有光线在截止平面18上面发射。因此突然截止形成在所需像面19上，该像面19被选择为例如在所述像面和截止平面18的相交处与发射方向成直角。而且，存在于LED准直仪部件17的发射面10处的上述照射梯度同样地传送入像面19中，从而使得在箭头a的方向上存在降低的光强度。

图6示出图5的更详细的部分。不对称的LED准直仪部件17被设置，使得其发射面10在半抛物线反射器7的照射面9中，从而使得发射面10在朝向半抛物线反射器7的后缘11的方向上从焦线F延伸出。而且对LED准直仪部件17进行定向，从而使得其前缘20(在此存在最大的光照射)与焦线F重合。

图7示出包括多个准直仪的装置的实施例的例子。因此，由LED部件3和准直仪1组成的彼此紧挨着布置的五个单元共同地照射入二维曲面半抛物线反射器7中。为了最佳的使用反射器7的照射面，在所有情况下准直仪1具有正方形的准直仪开口5，使得它们能够以节约空间的方式彼此紧挨着布置。然而，原则上，其它的准直仪，例如圆形准直仪，也可以用这种方式紧挨着布置。

图8a和8b示出了在圆形准直仪开口和正方形准直仪开口之间的差别。它们示出光像，它们是在每种情况下通过使用两种准直仪开口外形的LED准直仪部件产生的。圆形准直仪开口用于图8a中的图中，而正方形准直仪开口用于图8b的光像中。当使用正方形准直仪开口时，清晰的截止被形成，即使在仅仅一个LED准直仪部件的情况下，如图8b所示。在图8a中，另一方面，仅仅能够看见截止的开始。

最后，应该再次指出的是在附图和说明书中的系统和方法仅仅是实施例的例子，它们能够通过本领域技术人员在不脱离本发明的范围的情况下进行广泛的修改。

而且，为了描述清楚，应该指出的是不定冠词″一″或者″一个″的使用并不是指存在的相关特征只有一个。

Claims

1.一种LED照明装置，

包括LED部件(3)，

包括准直仪(1，17)，其通过准直仪开口(5)以准直的方式发射由LED部件(3)发出的光线，

包括反射器(7)，其具有半抛物线的凹反射面(8)、照射面(9)、在照射面(9)中的焦点(F)和发射面(10)，在运行期间光线在反射器(7)的发射方向上从发射面(10)进行发射，并且该发射面(10)与照射面(9)包围一个角度，其中准直仪(1，17)被设计和/或布置使得当从所述发射方向观察时，来自准直仪(1，17)的准直后的光线或者完全在焦点(F)前方或完全在其后方照射入照射面(9)中，其中，包含LED部件(3)和准直仪(1，17)的单元以不对称的方式设计，以产生亮度分布的梯度，其中该不对称是由于不对称准直仪(17)形成，或者是由LED部件(3)相对于对称的准直仪(1)的倾斜布置而形成。

2.如权利要求1所述的LED照明装置，其特征在于反射器(7)是以二维的方式弯曲并且在照射面(9)中具有焦线(F)，并且该准直后的光线被照射入照射面(9)中或者完全在焦线(F)的前方或者完全在其后方。

3.如权利要求1或2所述的LED照明装置，其特征在于准直仪开口(5)在焦点(F)或者焦线和照射面(9)的边缘(11)之间被设置在照射面(9)中。

4.如权利要求1或2所述的LED照明装置，其特征在于准直仪开口(5)是圆形。

5.如权利要求1或2所述的LED照明装置，其特征在于准直仪开口(5)是矩形。

6.如权利要求5所述的LED照明装置，其特征在于准直仪开口(5)是正方形。

7.如权利要求1或2所述的LED照明装置，其特征在于多个LED部件彼此紧挨着布置并且共同地照射入反射器(7)中。

8.如权利要求7所述的LED照明装置，其特征在于包括多个准直仪，每个分配有一个LED部件或者一组LED部件。

9.一种用于机动车辆的前照灯系统，包括如前面权利要求任一项所述的照明装置。