CN104048238A - 通过光源位置和间距控制提供均匀照明的信号灯总成 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种信号灯总成，其包括由光亮度各向同性的后表面和侧表面以及具有透镜和漫射器的前表面定义的腔室。该信号灯总成也包括与后表面耦接的、具有大于等于70°的射束角的LED光源。后表面和前表面被深度所隔开，并且每个光源设置为与其它光源的间距小于等于深度除以预定系数。当漫射器的发散角大于等于20°或30°时，预定系数可被分别设置为近似于2.5或2.0。该信号灯总成及其组件可被配置作为车辆的信号灯运行。

Description

通过光源位置和间距控制提供均匀照明的信号灯总成
技术领域
发明大体上涉及通过光源位置和间距控制提供均匀照明的信号灯总成，尤其涉及具有定位并间隔开以提供均匀照明的LED光源的车辆信号灯。
背景技术
目前使用的各种LED信号灯总成具有很好的实际效果。在汽车制造业中，许多车辆利用基于LED的照明总成，利用其比其它光源能源消耗低得多的优势，该其他光源包括基于卤素和白炽灯的***。一个与LED关联的问题是其往往产生高度定向的光。从传统的基于LED的车辆照明总成发出的光往往具有低均匀度和亮点(hot spots)。因此，当传统的基于LED的车辆照明总成用在要求高均匀度的车辆应用中时，即，信号灯中时，其具有明显的缺点。
因此，需要一种在高效运行时表现出较高程度的光均匀度的信号灯总成和基于LED的车辆信号灯总成。
发明内容
本发明的一个方面是提供一种信号灯总成，其包括由光亮度各向同性的后表面和侧表面以及具有透镜和漫射器的前表面定义的腔室。信号灯总成也包括与后表面耦接的、具有大于等于70°的射束角的LED光源。后表面和前表面被深度所隔开，并且每个光源被安置为与其它光源的间距小于等于深度除以预定系数。
本发明的另一个方面是提供一种信号灯总成，其包括由光亮度各向同性的后表面和侧表面以及具有透镜和漫射器的前表面定义的腔室。信号灯总成也包括与后表面耦接的、具有大于等于100°的射束角的LED光源。后表面和前表面被深度所隔开，并且每个光源被安置为与其它光源的间距小于等于深度除以预定系数。
本发明的再一个方面是提供一种信号灯总成，其包括由光亮度各向同性的上表面、下表面和后表面、深度以及具有透镜孔阑(lens aperture)和漫射器的前表面定义的腔室。信号灯总成进一步包括与后表面耦接的双向LED光源，每个双向LED光源具有射束角，该射束角大于等于由光源和孔阑定义的光出射角。每个光源被安置为与其它光源的间距小于等于深度除以预定系数。
本领域的技术人员在阅读下述的说明书、权利要求和附图后将会理解和领会本发明的这些和其它方面、目的及特征。
附图说明
附图中：
图1是根据一个实施例的具有球形透镜孔阑的信号灯总成的剖开视透视图；
图1A是图1中示出的信号灯总成的剖视图；
图2是根据另一个实施例的具有矩形透镜孔阑的信号灯总成的剖开透视图；
图2A是穿过图2中示出的信号灯总成的一个侧面的剖视图；
图2B是穿过图2中示出的信号灯总成的另一侧面的剖视图；
图3是根据进一步的实施例的配置为作为车辆尾灯运行的信号灯总成的剖开透视图；
图3A是图3中示出的信号灯总成的剖视图。
具体实施方式
为了本发明中的说明目的，术语“上”、“下”、“右”、“左”、“后”、“前”、“垂直”、“水平”及其派生词应当如图1和1A中的取向与本发明相关联。但是，本发明可以采取各种可供选择的方向，除非有相反的明确说明。此外，附图所示及以下说明书所说明的具体装置仅是所附权利要求限定的发明构思的示例性实施例。因此，关于此处公开的实施例的具体的尺寸和其它物理特征不应被认为是限制性的，除非权利要求中另有明确声明。
目前使用的各种LED信号灯总成具有很好的实际效果。在汽车制造业中，许多车辆正在利用基于LED的照明总成。大部分与这些照明总成有关的工程工作着重于减少它们的整体尺寸，尤其是深度，这是为了节省空间和燃油效率上的益处(即，“低剖面的”照明总成)。进一步地，这些基于LED的车辆总成凭借多个LED光源，其每个都固有地以小射束角产生高的光强度。因此，多个基于LED的照明总成，包括“低剖面的”总成，产生与每个LED光源相关的离散光的“亮点”。
之前没有被理解的是如何配置和设计这种基于LED的照明总成，以提供高度均匀的光来用于车辆的信号灯应用，包括要求“低剖面的”总成的应用。高度均匀的光特别有利于车辆的信号灯应用(例如，刹车灯、尾灯、日行灯(DRL)、转向信号灯、倒车灯等)。进一步地，产生高均匀度的光的车辆信号灯总成对于许多考虑审美因素的车主是合适的。参照图1和1A，描述了根据一个实施例的具有球形的透镜孔阑8的信号灯总成20。信号灯总成20产生从LED光源10发出的高均匀度的光，以用在车辆的信号灯应用中，以及其它的照明领域中。
信号灯总成20包括由光亮度各向同性的后表面和侧表面18以及具有透镜孔阑8和漫射器6的前表面定义的腔室16。如图1和1A的示范性形式中所示出的，腔室16被设置为具有内部的光亮度各向同性的后表面和侧表面18的大体圆柱形(例如，由拜耳材料科学有限公司提供的薄膜，由White OpticsTM有限公司提供的White97TM薄膜等)。进一步地，信号灯总成20也包括LED光源10。
如图所示，LED光源10的每个都与腔16a内的腔室16后表面耦接，并产生具有射束角4的光线(参照图1A)。信号灯总成20使用的LED光源10可产生具有大于等于70°的射束角4的光，更优选地，射束角4大于等于100°。进一步地，腔16a、每个光源10和透镜孔阑8定义透镜的出射角2(参照图1A)。因此，从光源10发出的光以射束角4朝向漫射器6和透镜孔阑8，但是其进一步被透镜的出射角2限制。因此，一些从光源10发出的光照射在光亮度各向同性的表面18上而不是直接通过漫射器6和孔阑8射出。凭借投射到光亮度各向同性的表面18，这些光线被反射和传播到腔16a的内部。最终，这些被反射的光线也通过漫射器6和透镜孔阑8从腔16a射出。
腔16a内部的直接从光源10发出的光线，和已经被光亮度各向同性的表面18反射的光线，穿过漫射器6。漫射器6之后将源自光源10的光线——典型地基于LED的光源——进一步散射和传播。这具有改善从漫射器6和最终从孔阑8射出的光线的均匀度的效果。漫射器6可由公知的漫射器技术制造(例如，由路明德有限公司提供的Light Shaping薄膜)。漫射器6可具有大于等于15°、20°、或者甚至30°的发散角(divergence angle)。
腔室16的后表面和前表面由深度14隔开，如图1和1A中进一步示出的。每个光源10位于离紧邻光源10间距12的位置处。间距12和深度14之间的关系是允许信号灯总成20产生从孔阑8射出的高度均匀的光的一个方面。更具体地，光源10的间距12(d)设置成小于等于总成20的深度14(D)除以预定系数A。因此，信号灯总成20的间距12、深度14和预定系数A的关系可以表示为：D/d≥A。对于具有大于等于20°的发散角的漫射器6和具有大于等于70°的射束角4的光源10，预定系数A可被设置为近似于2.5。当使用的漫射器6具有大于等于30°的发散角时，预定系数A可被设置为近似于2.0。如果射束角4变化至大于等于100°并且漫射器6的发射角大于等于15°，预定系数A可被设置为近似于2.5。
通过控制相对于间距12的深度14，信号灯总成20在产生从透镜孔阑8射出的高度均匀的光的方面特别有效。实质上，信号灯总成20允许从多个LED光源10的每个发出的光在通过漫射器6和孔阑8从腔16a射出之前混合。通过增加相对于间距12的腔室16的深度14，可满足关系式D/d≥A。因为光源10位于腔16a更靠后的位置，来自这些光源10的更大的百分比的入射光可在从腔16a和腔室16射出之前混合。参照图1A，在腔室16中进一步向后移动光源10可增加深度14，从而允许更多的来自每个光源10的入射光投射到光亮度各向同性的表面18上，并与相邻光源10的入射光混合。最终结果是增强了从孔阑8射出的光的均匀度。例如，利用前述的D/d≥A关系式，信号灯总成20可产生从孔阑8射出的具有接近20％的效率的高均匀度的光。
参照图2、2A和2B，描述了根据另一个实施例的具有矩形透镜孔阑28的信号灯总成40。信号灯总成40也产生从LED光源发出的高度均匀的光，以用在车辆的信号灯应用中，以及其它的照明领域中。通常，信号灯总成40与信号灯总成20(参照图1、1A)相似地设置和运行。如图所示，信号灯总成40包括由光亮度各向同性的后表面和侧表面38和具有透镜孔阑28和漫射器26的前表面定义的腔室36。腔室36进一步设置为大致长方体的形状，其包含由内部的光亮度各向同性的后表面和侧表面38定义的腔36a。进一步地，信号灯总成40包括LED光源30。
每个LED光源30都与腔36a内部的腔室36后表面耦接，并产生具有射束角24a和24b的光线(分别参照图2A和2B)。因此，用在信号灯总成40中的LED光源30在这种意义上来说是双向的，即，其具有在至少两个方向中相互不同的射束角，产生非圆形的发射图样。更具体地，光源30可产生具有大于等于70°的射束角24a、24b的椭圆锥形的光，更优选地，射束角24a、24b大于等于100°。进一步地，腔36a、每个光源30、和透镜孔阑28定义透镜的出射角22a和22b(分别参照图2A和2B)。因此，从光源30发出的光以射束角24a和24b朝向漫射器26和透镜孔阑28，但是该光进一步分别被透镜的出射角22a和22b限制。因此，一些从光源30发出的光照射在光亮度各向同性的表面38而不是直接通过漫射器26和孔阑28射出。凭借投射到光亮度各向同性的表面38，这些光被反射和在腔36a的内部传播。最终，这些被反射的光线也通过漫射器26和透镜孔阑28从腔36a射出。
腔36a内部的直接从光源30发出的光线，和已经被光亮度各向同性的表面38反射的光线，穿过漫射器26。漫射器26之后将源自光源30——典型地基于LED的光源——的光线进一步散射和传播。这改善从漫射器26和最终从孔阑28射出的光线的均匀度。漫射器26可由公知的漫射器技术制造(例如，由路明德有限公司提供的Light Shaping薄膜)，并具有大于等于15°、20°、或者甚至30°的发散角。
如图2、2A和2B所示，腔室36的后表面和前表面由深度34隔开。每个光源30位于离紧邻光源30间距32的位置处。间距32和深度34之间的关系是允许信号灯总成40产生从孔阑28射出的高度均匀的光的一个方面。更具体地，光源30的间距32(d)设置成小于等于总成40的深度34(D)除以预定系数A。因此，信号灯总成40的间距32、深度34和预定系数A的关系可以表示为：D/d≥A。信号灯总成40的上述关系式类似于前述关于信号灯总成20强调的关系式。当信号灯总成40中采用具有大于等于20°的发散角的漫射器26以及射束角24a和24b分别大于透镜的出射角22a和22b时，预定系数A可被设置为近似于1.0。然而，当射束角24a和24b相对较窄(例如，大于等于70°)时，尽管其大于透镜的出射角22a和22b，也需要增加预定系数A(例如，实现较好的均匀度水平)。
通过控制相对于间距32的深度34，信号灯总成40在产生从相对较窄的透镜孔阑28射出的高度均匀的光的方面特别有效。实质上，信号灯总成40允许从多个LED光源30的每个发出的光在通过漫射器26和孔阑28从腔36a射出之前混合。通过增加相对于间距32的腔室36的深度34，可满足关系式D/d≥A。因为光源30位于腔36a更靠后的位置，来自光源30的更大的百分比的入射光可在从腔36a和腔室36射出之前混合。参照图2A和2B，在腔36中进一步向后移动光源30可增加深度34，从而允许更多的来自每个光源30的入射光投射到光亮度各向同性的表面38上，并与相邻光源30的入射光混合。最终结果是增强了均匀度的光从孔阑28射出。例如，信号灯总成40可产生从孔阑28射出的具有接近20％的效率的高均匀度的光。
应该理解的是，信号灯总成20和40的间距12、32、深度14、34和预定系数的A上述关系式是示范性的。更大的D/d的比值(即，深度14、34相对于间距12、32较大的增加)需要更少的通过漫射器6、26的散射和/或更小的LED射束角4、24a、24b，以实现期望的光均匀度。这转化为使用具有较小的发散角——例如大于等于20°——的漫射器6、26，和/或具有较小的射束角4、24a、24b——例如大于等于70°——的LED光源10、30。另一方面，当D/d的比值减小时，需要有通过漫射器6、26的更多的光散射和/或需要更高的LED射束角4、24a、24b，以实现期望的光均匀度。因此，当D/d的比值减小时(例如，“低剖面的”信号灯总成20和40的设计)，具有较大的发散角——例如大于等于30°——的漫射器6、26，和/或具有较大的射束角4、24a、24b——例如大于等于100°——的基于LED的光源10、30可接受地集成在信号灯总成20和40的配置中。
还应理解的是，上述关系式在这种意义上来说可以是“局部的”，即，在整个信号灯总成20和40中，孔阑8、28、深度14、34和间距12、32不必是常数。例如，孔阑8、28可呈现各种形状，包括圆形、椭圆形、矩形和正方形，每个都具有不同程度的曲率。因此，孔阑8、28不必具有均匀的形状。类似地，配置在腔16a、36a中腔室16、36后部的光源10、30，不必如图1和2示出的示范性形式那样排成一排。鉴于腔室16、36的后表面的内部形状和表面积以及孔阑8、28的形状，也可能有光源10、30的其它形式的配置。因此，间距12、32可在这种意义上被定义，即，每个光源10、30从紧邻光源10、30隔开间距12、32，而不依赖于光源10、30是否以线性的方式或另一个方式设置。更进一步地，深度14、34可变化，特别是在这种意义上来说，即，孔阑8、28和腔室16、36的后部可变化以及具有非均匀的形状和曲率。最后，根据腔16a、36a内的给定位置的局部深度14、34和局部间距12、32，信号灯总成20和40的深度14、34和间距12、32之间的上述关系式应该被局部地满足。
信号灯总成20和40可被灵活地用在各种照明技术和应用中，包括车辆的信号灯应用。因此，包括孔阑8、28和漫射器6、26的信号灯总成20、40的腔室16、36，可被成型和调整尺寸以用在日行灯、转向信号灯、制动信号灯、尾灯信号灯、倒车信号灯和其它的车辆的信号灯应用中。应该理解的是，透镜孔阑8、28和/或漫射器6、26可包括各种与适当的车辆的信号灯应用关联的滤色器。例如，孔阑8、28可包括针对信号灯总成20、40的变体的红色滤光器，其用在刹车灯和尾灯的信号灯应用中。进一步地，根据应用的类型、适用的规则和其它的工程约束，来对用在信号灯总成20、40中的光源10、30供电和调整尺寸。
如图3和3A所示，示出了根据进一步的实施例的尾灯总成60。尾灯总成60产生从LED光源50发出的高均匀度的光，以用在车辆的尾灯功能中。在所有的其它方面，其是根据上述与信号灯总成20、40关联的相同的原则进行配置。进一步地，尾灯总成60包括与信号灯总成20、40所使用的组件相似和相同或完全相同地运行的组件。
具有腔室56、腔56a和透镜孔阑48的尾灯总成60设置在尾灯结构中，其均调整尺寸以符合车辆的后部。腔室56由光亮度各向同性的后表面和侧表面58以及具有透镜孔阑48和漫射器46的前表面定义。
如图3和3A所示，尾灯总成60使用的每个LED光源50都与腔56a中的腔室56的后表面耦接。尾灯总成60使用的LED光源50可根据各种大于等于70°的射束角(未示出)产生光，更优选地，根据大于等于100°的射束角产生光。进一步地，腔56a、每个光源50和透镜孔阑48定义透镜的出射角(未示出)。因此，从光源50发出的光以特定的射束角朝向漫射器46和透镜孔阑48，但是其进一步被透镜的出射角限制。因此，一些从光源50发出的光照射在光亮度各向同性的表面58而不是直接通过漫射器46和孔阑48射出。凭借投射到光亮度各向同性的表面58，这些光线被反射和在腔56a的内部传播。最终，这些被反射的光线也通过漫射器46和孔阑48从腔56a射出。
腔56a内部的直接从光源50发出的光线，和已经被光亮度各向同性的表面58反射的光线，穿过漫射器46。漫射器46之后将源自光源50——典型地基于LED的光源——的光线进一步散射、传播和混合。这具有改善从漫射器46和最终从孔阑48射出的光线的均匀度的效果。漫射器46可具有大于等于15°、20°、或者甚至30°的发散角。
腔室56的后表面和前表面由深度54隔开，如图3和3A中进一步示出的。每个光源50位于离紧邻光源50间距52的位置处。间距52和深度54之间的关系是允许尾灯总成60产生从孔阑48射出的高度均匀的光的一个方面。更具体地，光源50的间距52(d)设置成小于等于总成60的深度54(D)除以预定系数A。因此，照明总成60的间距52、深度54和预定系数A的关系可以表示为：D/d≥A。对于具有大于等于20°的发散角的漫射器46，预定系数A可被设置为近似于2.5。
如图3和3A进一步所示，深度54(D)、间距52(d)和预定系数A之间的关系式在总成60的尺寸上是相对恒定的。即使腔室56和孔阑48具有非均匀的形状，尾灯总成60的相对横截面是相对恒定的。因此，D和d之间的上述关系式(根据选择的光源和漫射器的类型)可以通过在尾灯总成60所使用的整个室56中相对恒定的LED光源的间距52和深度54来满足。
这里包含的某些叙述涉及组件以特定方式“配置”或“适用于”功能。在此方面，这种组件被“配置”或“适用于”体现特定的属性，或以特定方式运行，其中，这种叙述相对于用途的叙述来说是结构性的叙述。更具体地，这里提及的组件被“配置”或“适用于”的方式，表示组件当前的物理状态，并且因此被视为组件的结构特性的明确的叙述。
在不背离本发明的构思的范围内可以对上述结构做出变化和改动。进一步地，这些构思旨在由权利要求所覆盖，除非这些权利要求通过其文字明确地另有叙述。

Claims (20)

1.一种信号灯总成，其特征在于，包含：
由光亮度各向同性的后表面和侧表面以及具有透镜和漫射器的前表面定义的腔室；和
与后表面耦接的、具有大于等于70°的射束角的LED光源，
其中，后表面和前表面被深度所隔开，并且每个光源安置为与其它光源的间距小于等于深度除以预定系数。
2.根据权利要求1所述的信号灯总成，其特征在于，漫射器具有大于等于20°的发散角，且预定系数约为2.5。
3.根据权利要求1所述的信号灯总成，其特征在于，漫射器具有大于等于30°的发散角，且预定系数约为2.0。
4.根据权利要求2所述的信号灯总成，其特征在于，腔室和LED光源被配置为一起作为车辆的信号灯运行。
5.根据权利要求3所述的信号灯总成，其特征在于，腔室和LED光源被配置为一起作为车辆的信号灯运行。
6.根据权利要求4所述的信号灯总成，其特征在于，从包含有日间行车灯、转向信号灯、尾灯、倒车灯和刹车灯的群组中选择车辆的信号灯。
7.根据权利要求5所述的信号灯总成，其特征在于，从包含有日间行车灯、转向信号灯、尾灯、倒车灯和刹车灯的群组中选择车辆的信号灯。
8.根据权利要求2所述的信号灯总成，其特征在于，透镜具有来自于包含有圆形、椭圆形、矩形和正方形的群组中的形状。
9.根据权利要求3所述的信号灯总成，其特征在于，透镜具有来自于包含有圆形、椭圆形、矩形和正方形的群组中的形状。
10.根据权利要求2所述的信号灯总成，其特征在于，进一步包含，由LED光源产生的光以20％或更高的效率从透镜射出。
11.根据权利要求3所述的信号灯总成，其特征在于，进一步包含，由LED光源产生的光以20％或更高的效率从透镜射出。
12.一种信号灯总成，其特征在于，包含：
由光亮度各向同性的后表面和侧表面以及具有透镜和漫射器的前表面定义的腔室；和
与后表面耦接的、具有大于等于100°的射束角的LED光源，
其中，后表面和前表面被深度所隔开，并且每个光源安置为与其它光源的间距小于等于深度除以预定系数。
13.根据权利要求12所述的信号灯总成，其特征在于，漫射器具有大于等于15°的发散角，且预定系数约为2.5。
14.根据权利要求13所述的信号灯总成，其特征在于，腔室和LED光源被配置为一起作为车辆的信号灯运行。
15.根据权利要求14所述的信号灯总成，其特征在于，从包含有日间行车灯、刹车灯、尾灯、倒车灯和转向信号灯的群组中选择车辆的信号灯。
16.根据权利要求13所述的信号灯总成，其特征在于，透镜具有来自于包含有圆形、椭圆形、矩形和正方形的群组中的形状。
17.根据权利要求13所述的信号灯总成，其特征在于，进一步包含，由LED光源产生的光以20％或更高的效率从透镜射出。
18.一种信号灯总成，其特征在于，包含：
由光亮度各向同性的后表面和侧表面、深度以及具有透镜孔阑和漫射器的前表面定义的腔室；和
与后表面耦接的双向LED光源，其每个具有大于等于由光源和孔阑定义的光出射角的射束角，
其中，每个光源安置为与其它光源的间距小于等于深度除以预定系数。
19.根据权利要求18所述的信号灯总成，其特征在于，漫射器具有大于等于20°的发散角，且预定系数约为1.0。
20.根据权利要求19所述的信号灯总成，其特征在于，进一步包含，由LED光源产生的光以20％或更高的效率从透镜孔阑射出。
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