專利名稱：多端口高亮度集中式照明系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能夠在多個(gè)輸出端口產(chǎn)生光輸出的高亮度集中式照明系統(tǒng)。更具體地說，本發(fā)明涉及這樣一種照明系統(tǒng)，它以對(duì)稱方式向多個(gè)輸出端口提供光輸出，從而在所有的這些端口光輸出基本是相同的，并且該光輸出允許改進(jìn)與光導(dǎo)纖維耦合的斂集率特性。
高亮度集中式照明系統(tǒng)已經(jīng)用于各種需要具有中心光源和多個(gè)遠(yuǎn)處位置的照明場合，中心光源經(jīng)過光導(dǎo)纖維或光導(dǎo)管照亮所述多個(gè)遠(yuǎn)處位置。這種集中式照明系統(tǒng)的一個(gè)例子可以在美國專利第4,958,263號(hào)中找到，該專利于1990年9月18日授予Davenport等人，并轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的相同的受讓人。在該專利中，提供的光源具有中心橢圓形弧光燈管，并且在上面形成了多個(gè)延伸的管形延伸部分。每個(gè)延伸的管部分通過光導(dǎo)纖維與車輛周圍的不同位置相連，提供例如向前照明、尾燈和頭燈所需的照明。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)的各個(gè)管形延伸部分的光輸出的一致性差。此外還發(fā)現(xiàn)為了在所要求的位置提供必需的亮度，需要直徑大約為10mm或10mm以上的光導(dǎo)纖維。對(duì)這么大的光導(dǎo)纖維來說，除了價(jià)格比較昂貴以外，為了安放在車體中操縱和轉(zhuǎn)動(dòng)光導(dǎo)纖維也是比較困難的。采用集中式光源和光導(dǎo)纖維以便提供車輛中的向前照明的一個(gè)例子可以在美國專利第5,278,731號(hào)中找到，該專利于1994年1月11日授予Davenport等人，并轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的相同的受讓人。在該專利中，除了V形鏡將從光導(dǎo)纖維的端部輸出的光分散到反光器表面，以便通過透鏡部件傳輸以外，一條單根的光導(dǎo)纖維被引入基本常規(guī)的汽車反光器組件。在這一專利的結(jié)構(gòu)中，假定光導(dǎo)纖維的直徑是10mm，產(chǎn)生的光束具有大約5度的垂直散布。5度的垂直散布超過4度向右、4度向下的SAE測試點(diǎn)，并且進(jìn)一步呈現(xiàn)過度的前景照明。因此需要為汽車應(yīng)用提供集中式光源，它將允許采用較小直徑的光導(dǎo)纖維，并將得到散布特性適當(dāng)?shù)墓馐鴪D案。
提供用于汽車的集中式光源需要進(jìn)一步解決的問題是從車輛的左側(cè)和右側(cè)看起來光輸出應(yīng)是一致的。提供在車輛的左側(cè)和右側(cè)基本一致的可見光輸出的集中式光源的一個(gè)例子可以在美國專利第5,222,793號(hào)中找到，該專利于1993年6月29日授予Davenport等人，并轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的相同的受讓人。在該專利中，為了從單一的光源得到多條光束輸出，采用分光式反光器結(jié)構(gòu)提供兩個(gè)光輸出，以相互并排接觸的方式在一特定長度放置光導(dǎo)纖維，然后將光分開分散到車輛的兩側(cè)。雖然第5,222,793號(hào)專利在從單一光源得到多條光束輸出方面是有效的，但是制造分光式反光器需要精確的機(jī)加工，并且由于光導(dǎo)纖維相互接觸，所以在接觸的光導(dǎo)纖維之間有時(shí)會(huì)遇到漏光問題。
從單一的集中式光源提供多個(gè)光輸出所遇到的再一個(gè)問題是在采用的多條光導(dǎo)纖維之間得到最佳的斂集率。換句話說，通過將來自單一光源的光照射到捆扎在一起的多條光導(dǎo)纖維的輸入面，在光導(dǎo)纖維之間會(huì)形成空間，這將導(dǎo)致照射到光導(dǎo)纖維上的光損失。與光導(dǎo)纖維輸入相關(guān)的表面積被照射到光導(dǎo)纖維上的光輸出的面積來除，所得的量定義為斂集率，并且希望這一值盡可能地大。事實(shí)上，還希望光源提供一種光輸出，在到達(dá)光導(dǎo)纖維輸入面之前分成單獨(dú)的光點(diǎn)，并以低成本的方式提供這些單獨(dú)的光點(diǎn)，即不需要采用以嚴(yán)格的容限制造的復(fù)雜的反光設(shè)備。
本發(fā)明提供具有多個(gè)端口輸出的集中式光源系統(tǒng)，其中在每個(gè)端口的每個(gè)光輸出與其它端口的所有其它光輸出基本相同。此外，本發(fā)明提供了這樣一種多個(gè)端口光輸出結(jié)構(gòu)，提供多點(diǎn)光輸出不需要昂貴的反光器結(jié)構(gòu)，本發(fā)明還以這樣一種方式提供了多點(diǎn)光輸出，從而基本避免了與多條光導(dǎo)纖維輸入面的斂集率有關(guān)的問題。
根據(jù)本發(fā)明的原理，提供了一種具有將光線分配給多個(gè)遠(yuǎn)處位置的多個(gè)輸出的集中式照明系統(tǒng)。該照明系統(tǒng)包括高亮度光源，它置于以拋物面形式構(gòu)成的反光部件的光聚焦點(diǎn)上。光源和拋物面反光器結(jié)構(gòu)有效地以基本平行的光束形式向外傳播光線。多個(gè)透鏡部件的每一個(gè)具有接收來自光源和反光部件的光輸出的第一表面，還具有與之相關(guān)的各個(gè)第二曲面。透鏡部件的第二表面有效地將來自光源和反光器部件的光線聚焦成各個(gè)被聚焦的光輸出。多條光導(dǎo)纖維接收被聚焦的光輸出，并有效地將該光輸出傳播給遠(yuǎn)處位置。多個(gè)透鏡部件沿著相對(duì)于反光部件形成的半徑方向，但以與反光部件隔開的方式等距離地放置，透鏡部件以這種方式有效地向光導(dǎo)纖維的輸入面提供多個(gè)光輸出點(diǎn)，就顏色和強(qiáng)度而言，多個(gè)光輸出點(diǎn)相互之間是基本一致的。
在以下詳細(xì)的描述中，將參考附圖，其中

圖1是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的集中式照明系統(tǒng)的正視圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例構(gòu)成的第二集中式照明系統(tǒng)的正視圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例構(gòu)成的第三集中式照明系統(tǒng)的正視圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的第四個(gè)實(shí)施例構(gòu)成的第四集中式照明系統(tǒng)的正視圖。
圖5是根據(jù)將本發(fā)明應(yīng)用到汽車頭燈上構(gòu)成的反光器/透鏡配置的輸出部分的正視圖。
圖6是根據(jù)將本發(fā)明應(yīng)用到彩色光導(dǎo)纖維裝置的第二個(gè)應(yīng)用實(shí)例構(gòu)成的反光器/透鏡配置的輸出部分的正視圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明和將本發(fā)明應(yīng)用到汽車照明上構(gòu)成的集中式照明系統(tǒng)的正視圖。
如圖1所示，集中式照明系統(tǒng)10包括高亮度光源12， 在該最佳實(shí)施例中，高亮度光源12可以借助于美國專利第5,239,230號(hào)中所描述的氙金屬囟化物燈提供，該專利于1993年8月24日授予Mathews等人，并轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的相同的受讓人。當(dāng)然，可以理解其它光源也能用于本發(fā)明，例如鎢絲囟素白熾燈光源，或者其它金屬囟化物或其它放電光源。
光源12置于以拋物面形式構(gòu)成的反光部件14的光聚焦點(diǎn)。來自光源12、反光部件14配置的光輸出射向多個(gè)透鏡部件16、18的一個(gè)表面。雖然圖中只示出了兩個(gè)透鏡部件16、18，但是在達(dá)到本發(fā)明的結(jié)果方面，任何多個(gè)透鏡部件都是有效的。事實(shí)上，如以后將要更詳細(xì)地描述的圖5和6所示，可以有另外的一對(duì)透鏡部件和后面的光導(dǎo)纖維。透鏡部件16、18最好是非球面透鏡，以便得到高性能。例如，透鏡部件16、18分別具有是平面的第一表面16a、18a，以及是曲面的第二表面16b、18b。如圖1所示，首先在曲面16b、18b上接收來自光源12、反光部件14配置的光輸出，并通過透鏡部件16、18聚焦，以便從各個(gè)第一表面16a、18a作為被聚焦的、空間分開的光點(diǎn)輸出。
然后在各個(gè)復(fù)合拋物面收集器(CPC)的輸入面接收來自透鏡部件16、18的光輸出，通過捕捉通常會(huì)在光導(dǎo)纖維的輸入面區(qū)域外聚焦的光線，或通過使得能夠采用具有高NA率的較小的光導(dǎo)纖維的角/面積轉(zhuǎn)換，復(fù)合拋物面收集器對(duì)于更好地收集光線是有效的。應(yīng)注意的是NA率是指照射在光導(dǎo)纖維的輸入面區(qū)域上的多大的入射角的光線可以通過光導(dǎo)纖維傳輸。NA率越高，越大的入射角的光線可以通過光導(dǎo)纖維傳輸。如圖1所示，相互平行非接觸地放置一對(duì)光導(dǎo)纖維22。光導(dǎo)纖維22接收通過CPC20輸入的光線，并將光線射向所要求的遠(yuǎn)處位置(未示出)。應(yīng)理解通過將來自透鏡部件16、18的光輸出聚焦成空間分開的光點(diǎn)，可以避免通常在將單一集中式光源發(fā)出的光線傳輸?shù)蕉鄠€(gè)光導(dǎo)纖維時(shí)會(huì)遇到的斂集率問題。一般情況下，當(dāng)單一光源與橢圓形反光器結(jié)合使用時(shí)，第二光聚焦點(diǎn)上的光輸出傳輸?shù)皆诘诙饩劢裹c(diǎn)的區(qū)域扎成束的光導(dǎo)纖維，以便接收光線。當(dāng)采用不可壓縮的光導(dǎo)纖維時(shí)，在光導(dǎo)纖維之間將存在空間，打到這些空間上的光就浪費(fèi)了。此外，將光導(dǎo)纖維捆扎在一個(gè)緊湊的區(qū)域中，纖維相互之間接觸，因此可以在它們之間引起漏光問題。通過空間分開的光點(diǎn)，而這些光點(diǎn)的構(gòu)形可以與光導(dǎo)纖維的輸入面基本一致，本發(fā)明能夠避免與捆扎在一起的光導(dǎo)纖維組相關(guān)的光損失。同樣，通過提供空間分開的光點(diǎn)，光導(dǎo)纖維可以相互非接觸地放置，消除了有時(shí)與相互接觸地放置光導(dǎo)纖維相關(guān)的漏光問題。
如圖2所示，提供了另一個(gè)照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用如圖1所示的相同的光源12、反光部件14配置。然而，圖2的照明系統(tǒng)包括一個(gè)旋轉(zhuǎn)鏡24，它以一個(gè)角度，例如如圖2所示是90度，有效地引導(dǎo)來自光源12、反光部件14配置的光輸出。從旋轉(zhuǎn)鏡24反射的光照射到透鏡部件16、18的第一表面16a、18a。透鏡部件16、18有效地將光線聚焦成類似于結(jié)合圖1所描述的空間分開的光點(diǎn)。這些空間分開的光點(diǎn)從透鏡部件的各個(gè)曲面16b、18b輸出，并照射到光導(dǎo)纖維22的輸入面，光導(dǎo)纖維22沒有圖1所示的CPC。圖2所示的照明系統(tǒng)的進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)是可以將旋轉(zhuǎn)鏡24用于排除IR的目的，這就是說，可以構(gòu)造旋轉(zhuǎn)鏡24，使IR輻射通過，而不是將這種輻射反射到透鏡部件16、18和光導(dǎo)纖維22。此外，由于使用了旋轉(zhuǎn)鏡24，就有可能將圖2所示的照明系統(tǒng)包裝在一個(gè)更緊湊的外殼中。
對(duì)圖1和2所示的照明系統(tǒng)而言，光導(dǎo)纖維平行放置，它們的各個(gè)輸出端朝著相同的方向。希望通過提供在相互不同方向延伸的光輸出得到與圖1和2效果相同的照明系統(tǒng)。圖3和4的照明系統(tǒng)就是這樣的結(jié)構(gòu)。在圖3的照明系統(tǒng)中，V形鏡26放置在透鏡部件16、18和光導(dǎo)纖維22的輸入面之間。以這種方式，來自光導(dǎo)纖維22的各個(gè)輸出端的光輸出可以按截然不同的方向傳播，例如圖3所示的相反的朝向。可以理解通過改變V形鏡26的各個(gè)鏡部件的角度，就能夠改變光導(dǎo)纖維的輸出面相互之間的角度。一個(gè)更簡單的以相反方向傳播光線的途徑示于圖4，其中透鏡部件16、18和V形鏡26被軸偏離的拋物面28所取代。
如圖5所示，圖1和2的照明系統(tǒng)可以包括透鏡部件16、18、30和32陣列，該陣列能夠有效地提供照射到四個(gè)不同的光導(dǎo)纖維22上的四個(gè)空間分開的光點(diǎn)。從該圖中可以看出，透鏡部件16、18、30和32是以相互接觸的方式排列的，即每個(gè)透鏡部件的至少一側(cè)與任何相鄰?fù)哥R部件的至少相應(yīng)的一側(cè)接觸。還應(yīng)進(jìn)一步注意的是，透鏡部件16、18、30和32沿著從反光部件14的中心延伸的半徑方向等距離地放置。當(dāng)然，如圖1和2所示，透鏡部件16、18、30和32實(shí)際上并不位于反光部件14的上面，而是與反光部件14隔開的。通過占據(jù)從反光部件14的中點(diǎn)來看是等距離的各個(gè)空間，可以得到光點(diǎn)顏色和強(qiáng)度的一致性。如果沿著從反光部件14的中心延伸的半徑方向以不同距離地放置透鏡部件，那么照射到透鏡部件的輸入面的光的顏色和強(qiáng)度就會(huì)改變。還應(yīng)注意的是，雖然該圖中只示出了四個(gè)透鏡部件，但是采用任何數(shù)目的透鏡部件都是可以的，只要它們?nèi)缟纤龅染嚯x地放置。
在應(yīng)用圖5的照明系統(tǒng)時(shí)，可以控制任何透鏡部件的輸出。如圖中所示，借助于具有控制臂36的控制單元34，僅透鏡部件30受到控制。啟動(dòng)控制單元34引起控制臂36移動(dòng)，或者進(jìn)入阻擋位置，在該位置阻止光線從透鏡部件30傳播到與其相關(guān)的光導(dǎo)纖維22，或者如圖所示進(jìn)入非阻擋位置。采用這種類型的控制結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子是汽車向前照明，與透鏡部件16、18和32相關(guān)的三個(gè)非受控光輸出等同于低光束頭燈，而來自透鏡部件30的另外的光輸出將形成高光束照明。采用在現(xiàn)有技術(shù)中已知的常規(guī)的接通—關(guān)斷開關(guān)配置，可以啟動(dòng)這種汽車照明系統(tǒng)的控制單元34。
多端口照明系統(tǒng)的另一個(gè)應(yīng)用實(shí)例如圖6所示，其中與透鏡部件16、18、30和32相關(guān)的四個(gè)輸出端口位于它們的上面，彩色輪裝置38包括四個(gè)單獨(dú)的、不同的濾色片，當(dāng)每個(gè)濾色片位于任何透鏡部件的輸出上時(shí)，將導(dǎo)致照射到相關(guān)的光導(dǎo)纖維上的光線顏色的改變?？梢钥刂撇噬?8的運(yùn)動(dòng)，因此可以改變各個(gè)光導(dǎo)纖維輸出面上的顏色。這種變色光輸出可用于舞臺(tái)和演播室照明，以及商品展示照明。
圖7表示多端口照明系統(tǒng)42在汽車上的應(yīng)用，照明系統(tǒng)42包括光源12、反光部件14、透鏡部件16、18、30和32，可能的話還包括CPC20。四端口光源42的光輸出通過四條光導(dǎo)纖維22傳播到右和左頭燈組件44。光導(dǎo)纖維22的輸出借助于V形鏡48照射到曲面反光器50。光線從曲面反光器50經(jīng)過透鏡蓋46向前照射，以所要求的光束圖案散布在路面上。例如，每條光導(dǎo)纖維22的直徑可以大約為7mm，因此每個(gè)頭燈組件44有兩條光導(dǎo)纖維，輸入面的總輸入面積和光通亮強(qiáng)度將與10mm的光導(dǎo)纖維相同。通過利用兩條直徑較小的纖維，圖7的照明系統(tǒng)可以提供垂直散布減小到3.5度的光束圖案，它在4度向右、4度向下的SAE測試點(diǎn)所要求的界限以內(nèi)。
雖然以上描述了本發(fā)明的最佳實(shí)施例，但是應(yīng)懂得，在不脫離本發(fā)明和所附權(quán)利要求書的范圍的前提下可以作各種修改。例如，可以將圖1中的透鏡部件16、18與CPC部件20結(jié)合成一個(gè)單一部件，由此取消兩個(gè)反光面16a、18a和CPC輸入面。取消這兩個(gè)反光面將使得通過光導(dǎo)纖維22傳播的光線提高8％。適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)材料可以插在組合的透鏡/CPC結(jié)構(gòu)的透鏡和CPC之間。
權(quán)利要求
1.一種具有多個(gè)輸出的集中式照明系統(tǒng)，用于將光輸出分配給多個(gè)遠(yuǎn)處位置，所述照明系統(tǒng)包括高亮度光源；以拋物面的形式構(gòu)成的反光器部件，該反光器部件具有與該拋物面相關(guān)的光聚焦點(diǎn)，所述光源置于所述光聚焦點(diǎn)上，因此光線從所述反光部件以基本平行的方式照射；多個(gè)透鏡部件，每一個(gè)具有接收來自所述光源和所述反光部件的光線的第一表面，所述多個(gè)透鏡部件的每一個(gè)還具有第二曲面，所述多個(gè)透鏡部件有效地將來自所述光源和所述反光器部件的所述光線聚焦成被聚焦的光輸出；多條光導(dǎo)纖維，它們接收被聚焦的光輸出，并有效地將光線傳播給所述遠(yuǎn)處位置；以及其中所述多個(gè)透鏡部件沿著相對(duì)于所述反光部件形成的半徑方向，但以與所述反光部件隔開的方式等距離地放置，所述透鏡部件以這種方式有效地向所述多條光導(dǎo)纖維提供多個(gè)空間分開的光輸出點(diǎn)，就顏色和強(qiáng)度而言，所述多個(gè)空間分開的光輸出點(diǎn)是基本一致的。
2.一種具有多個(gè)輸出的集中式照明系統(tǒng)，用于將光輸出分配給多個(gè)遠(yuǎn)處位置，所述照明系統(tǒng)包括高亮度光源；以拋物面的形式構(gòu)成的反光器部件，該反光器部件具有與該拋物面相關(guān)的光聚焦點(diǎn)，所述光源置于所述光聚焦點(diǎn)上，因此光線從所述反光部件以基本平行的方式照射；與所述反光部件隔開的多個(gè)透鏡部件，接收來自所述反光部件的光線，所述多個(gè)透鏡部件有效地將來自所述光源和所述反光器部件的所述光線聚焦成多個(gè)空間分開的光輸出點(diǎn)；多條光導(dǎo)纖維，每條接收一個(gè)所述空間分開的光輸出點(diǎn)，并有效地將光線傳播給所述遠(yuǎn)處位置；以及其中所述多條光導(dǎo)纖維以相互非接觸的方式放置。
3.如權(quán)利要求1或2中所述的集中式照明系統(tǒng)，其中相對(duì)放置所述多個(gè)透鏡部件，因此每個(gè)透鏡部件的至少一部分與至少另一透鏡部件的至少另一部分接觸。
4.如權(quán)利要求3中所述的集中式照明系統(tǒng)，其中相互接觸的所述透鏡部件的所述部分是錐形的，以便確保相鄰部分相互配合，從而基本消除它們之間形成的空間。
5.如權(quán)利要求1中所述的集中式照明系統(tǒng)，還包括放置在所述反光部件和所述多個(gè)透鏡部件之間的旋轉(zhuǎn)鏡，所述旋轉(zhuǎn)鏡有效地使照射在它上面的光線改變方向。
6.如權(quán)利要求1中所述的集中式照明系統(tǒng)，其中所述多條光導(dǎo)纖維以相互非接觸方式放置，并且所述空間分開的光輸出點(diǎn)與所述多條光導(dǎo)纖維一一對(duì)應(yīng)地耦合，從而避免了所述光導(dǎo)纖維的斂集率損失。
7.如權(quán)利要求1或2中所述的集中式照明系統(tǒng)，還包括至少一個(gè)復(fù)合拋物面收集器，與所述多條光導(dǎo)纖維中的至少一條的輸出面相鄰放置，所述復(fù)合拋物面收集器有效地捕捉通常在所述至少一條光導(dǎo)纖維的所述輸入面外聚焦的光線。
8.如權(quán)利要求1或2中所述的集中式照明系統(tǒng)，還包括放置在所述多個(gè)透鏡部件的至少一個(gè)的輸出端上的控制裝置，所述控制裝置有效地將所述透鏡部件的輸出控制到多種輸出狀態(tài)中的至少一種狀態(tài)。
9.如權(quán)利要求8中所述的集中式照明系統(tǒng)，其中所述控制裝置包括能夠移動(dòng)到所述透鏡部件輸出端上的一個(gè)位置的控制臂，以便阻擋從中輸出光。
10.如權(quán)利要求8中所述的集中式照明系統(tǒng)，其中所述控制裝置包括濾色片部件，它能有效地將所述透鏡部件輸出改變?yōu)椴煌伾?br> 11.如權(quán)利要求1或2中所述的集中式照明系統(tǒng)，還包括至少一個(gè)頭燈反光器組件，所述多條光導(dǎo)纖維中的至少兩條在該組件終止，以便向其傳播光輸出。
12.如權(quán)利要求11中所述的集中式照明系統(tǒng)，其中所述頭燈反光器組件包括接收來自所述至少兩條光導(dǎo)纖維的所述輸出端的光輸出的V形鏡部件，所述V形鏡部件有效地將該光輸出引導(dǎo)到曲面反光器部件，該曲面反光器部件將該光輸出分散成所要求的光束圖案，以便通過透鏡部件傳播。
全文摘要
一種具有多個(gè)輸出端口的集中式照明系統(tǒng)包括置于拋物面反光器的光聚焦點(diǎn)的高亮度光源。光源和反光器配置將光輸出以基本平行的方式傳輸?shù)蕉鄠€(gè)透鏡部件，該透鏡部件有效地將光輸出聚焦成多個(gè)空間分開的光點(diǎn)?？臻g分開的光點(diǎn)輸入至光導(dǎo)纖維，無斂集率損失。多個(gè)透鏡部件沿著相對(duì)于反光部件形成的半徑方向，但以與反光部件隔開的方式等距離地放置。透鏡部件以這種方式提供空間分開的光點(diǎn)，就顏色和強(qiáng)度而言，多個(gè)光輸出點(diǎn)相互之間是基本一致的。
文檔編號(hào)F21V5/04GK1159535SQ9512007
公開日1997年9月17日 申請(qǐng)日期1995年11月14日 優(yōu)先權(quán)日1994年11月14日
發(fā)明者W·J·卡沙利, J·M·代文波特, R·L·漢斯勒 申請(qǐng)人:通用電氣公司