CN109937321A - 前灯装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种小型且易模组化的光利用效率高的、低功耗、对环境友好且寿命长的车辆用前灯装置。车辆用前灯装置安装于车辆的一部分，对所述车辆行驶的路面上照射照明光，包括：产生照明光的光源装置；和配置在光源装置的光轴上的透镜，其以使来自所述光源装置的照明光形成所要求的配光分布的方式进行投影，所述光源装置包括：出射光的1个或多个半导体光源元件；包括1个或多个准直元件的准直部，其中1个或多个准直元件被配置在所述半导体光源元件各自的发光轴上，将从固体光源出射的光变换为大致平行光；和偏振变换元件，其设置在所述准直部的出射面一侧，将入射光变换为规定的偏振光，能够使从所述光源装置的所述偏振变换元件出射的照明光经所述透镜向规定的方向照射。

Description

前灯装置
技术领域
本发明涉及使用了固体发光元件的车辆用前灯装置。
背景技术
随着近年来LED等固体发光元件的显著进展，以该固体发光元件为光源的照明装置作为一种小型、轻量而且低功耗、对环境友好的寿命长的光源，在各种照明器具中得到了广泛利用，进而，也开始用作可作为车载电子装置进行各种控制的车辆用前灯装置。
例如，作为现有的车辆用前灯装置，下述专利文献1公开了这样一种车辆用前照灯，其包括近光用LED光源阵列和远光用LED光源阵列、接收来自该LED光源的近光和远光并使它们变得准直的第一光导、使准直后的近光和远光按扩散模式的组合发生扩散的第二光导，该车辆用前照灯在壳体内以机械方式支承这些阵列和光导。
专利文献2公开了一种车辆用前灯，其涉及使用了所谓的MEMS(Micro ElectroMechanical Systems，微机电***)的配光控制前灯，其中利用了作为非可见光的红外光。此处，控制反射镜的角度以在为了不产生眩光而停用了可见光的区域照射红外光。专利文献3提出了一种能够减轻太阳光对发光二极管造成的不良影响的车辆用前灯。
此外，下述专利文献4公开了一种前灯，其涉及不同于LED光源的现有的灯泡，但其中照射的是经偏振变换后的p偏振光，而专利文献5记载了一种技术，利用反射型偏振元件使s偏振光反射并经相位片而成为椭圆偏振光之后，利用其中的p偏振成分。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特表2008-532250号公报
专利文献2：日本特开2015-174551号公报
专利文献3：日本特开2015-133170号公报
专利文献4：日本特开2004-235127号公报
专利文献5：日本特开2014-222567号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
作为固体光源的LED随着其发光效率的提高，能够有效地用作车辆用前照灯装置中的发光光源。不过，上述的现有技术、专利文献1和专利文献2在其光利用效率特性和均匀照明特性方面尚有不足，存在各种改进的余地。
专利文献3通过在透镜表面设置光致变色层来利用太阳光中所含的UV成分在白天降低透射率并使透射率在夜晚恢复。不过，光致变色层是DVD等的色素所使用的技术，若在太阳光环境下置之不理，色素将不再会发生变化，因此难以用作通常暴露在太阳光下的汽车的外饰部件。专利文献4没有记载其在作为固体光源的LED中的应用，而专利文献5中因多重反射而产生的损耗等将成为问题。
为此，本发明的目的在于提供一种车辆用前灯装置，通过使用可容易地作为模组化的面状照明用光源利用的光源装置，能够具体而言提高从LED光源出射的光的利用效率，提高均匀的照明特性，并且实现装置的小型化且能够以低成本制造。
解决问题的技术方案
作为实现上述目的的一种实施方式，本发明提供一种车辆用前灯装置，其安装于车辆的一部分，能够对所述车辆行驶的路面上照射照明光，其包括：产生所述照明光的光源装置；和配置在所述光源装置的光轴上的透镜，其以使来自所述光源装置的照明光形成所要求的配光分布的方式进行投影，所述光源装置包括：出射光的1个或多个半导体光源元件；包括1个或多个准直元件的准直部，其中1个或多个准直元件配置在所述半导体光源元件各自的发光轴上，将从所述固体光源出射的光变换为大致平行光；和设置在所述准直部的出射面一侧的偏振变换元件，其将入射光变换为规定的偏振光，其中，能够使从所述光源装置的所述偏振变换元件出射的照明光经所述透镜向规定的方向照射。
发明效果
采用本发明能够得到良好的技术效果，即，通过使用可低成本制造并且小型且易模组化的、光利用效率高的光源装置，能够提供一种低功耗、对环境友好且寿命长的车辆用前灯装置。
附图说明
图1是表示将本发明实施例1的车辆用前灯装置应用于汽车前照灯的情况下的整体结构(a)及其局部(b)的立体图。
图2是表示本发明实施例1的车辆用前灯装置的整体结构(a)及其展开结构(b)的展开立体图。
图3是本发明实施例1的车辆用前灯装置的整体结构的侧视截面图。
图4是表示本发明实施例1的车辆用前灯装置中的以准直单元为中心的可见光照明单元的结构的立体图。
图5是表示本发明实施例1的车辆用前灯装置中的准直单元的准直元件的结构及其动作的局部放大截面图。
图6是表示本发明实施例1的车辆用前灯装置中的以准直单元为中心的可见光照明单元的动作的俯视截面图。
图7是表示本发明实施例2的车辆用前灯装置的整体结构的展开立体图。
图8是本发明实施例2的车辆用前灯装置的整体结构的侧视截面图。
图9是本发明实施例2的车辆用前灯装置中的以准直单元为中心的可见光照明单元的立体图(a)和俯视截面图(b)。
图10是对于本发明实施例2的车辆用前灯装置中的不同入射角的s偏振光和p偏振光，表示偏振反射镜的与入射光波长对应的透射率的透射率特性的曲线。
图11是表示本发明实施例2的车辆用前灯装置中的红外光照明单元的整体结构的立体图。
图12是表示本发明实施例3的车辆用前灯装置的整体结构的立体图(a)和侧视截面图(b)。
图13是作为本发明实施例1的结构的变形例(实施例4)表示光源装置即可见光照明单元比LCD面板小的情况下的结构例的展开立体图。
具体实施方式
以下一边参照附图一边对本发明的实施方式(实施例)进行详细说明。本发明不限于下面说明的方式，本领域技术人员能够在本说明书公开的技术思想的范围内实施各种变更和修正。并且，在用于说明本发明的附图中，有时会对具有相同功能的部分标注相同标记，并省略重复的说明。
(实施例1)
首先，图1至图3以立体图和截面图表示了本发明实施例1的使用了光源装置的车辆用前灯装置。图1的(a)表示搭载了本发明的车辆用前灯装置100的车辆1的整体，图1的(b)表示该车辆的前灯装置部分的放大图。图2的(a)表示上述前灯装置100的整体立体图，图2的(b)以展开的状态表示其内部结构。图3表示上述前灯装置100的侧视截面。从这些图中能够明确，前灯装置100基本上包括作为本发明的光源装置的可见光照明单元10，和所谓的投影透镜50，其中投影透镜50是用于使来自该照明单元的出射照明光照射到车辆1的前方空间和车辆1行驶的路面上的光学***。
作为本发明的光源装置的可见光照明单元10在正面设置有LED电路板11，在该电路板的背面安装有用于使LED发出的热扩散到周围空气中的散热器12，其中LED电路板上安装有后述的1个或多个作为固体光源的半导体光源元件LED(Light Emitting Diode，发光二极管)及其控制电路等。在本例中，共计15个LED在LED电路板11上配置成5(横)×3(纵)的格子状。此外，在LED电路板11的发光面一侧安装有下述的准直单元13。
该准直单元13如图4所示，通过在板状框体的内部，将与搭载在LED电路板11上的单个或多个LED111分别对应地设置的准直元件131(本例中为5(横)×3(纵)＝15个)排列并配置于平面上而构成。
各准直元件131例如由聚碳酸酯树脂或硅树脂等具有透光性和耐热性的树脂形成，各准直元件131如图5所示，具有由大致抛物线的截面旋转得到的圆锥形凸状的外周面132，并且在其顶部具有凹部134，该凹部134的中央部形成有凸部(即凸透镜面)133。此外，在其平面部的中央部具有向外侧凸出的凸透镜面(或者，也可以是向内侧凹陷的凹透镜面)135。另外，形成准直元件131的圆锥形外周面的抛物面(外周面)132被设定在可使从LED111向周边方向出射的光于其内部发生全反射的角度范围内，或者在其表面形成有反射面。该准直元件例如能够采用通常的成形加工来容易且低廉地制造。
LED111被安装在用于搭载该LED111的电路板即LED电路板11的表面上的规定位置处，从图5中能够明确，在该LED电路板11上，各LED111相对于准直元件131以分别位于对应的准直元件131的凹部134的中央部的方式配置并固定。
采用该结构，如图5所示，利用上述的准直元件131，从LED11发出的光之中的尤其是从其中央部分朝向上方(图中右方)发出的光被2个凸透镜面133、135会聚而成为平行光，其中2个凸透镜面由准直元件131的供LED光入射的面和出射的面形成。此外，从其他部分朝向周边方向出射的光也会被形成准直元件131的圆锥形外周面的抛物面(外周面)132反射，同样地会聚而成为平行光。换言之，利用准直元件131——其中央部构成凸透镜且其周边部形成抛物面(外周面)132，能够将LED111产生的大致全部的光提取为平行光。由此，能够充分提高所产生的光的利用效率。
如图6所示，在可见光照明单元10中，在准直单元13的正面一侧安装有偏振变换元件14和自由曲面透镜15。此外，在该例中，出于抑制尤其是在恶劣天气等情况下光源装置发出的照明光在路面上发生反射或被雨滴/雾反射之目的，偏振变换元件14构成为将照明光变换为在与路面垂直的平面内振动的直线偏振光——p偏振光。
从上述图6中能够明确，偏振变换元件14的结构如下：截面为平行四边形的柱状(下称平行四边形柱)的透光性部件141和截面为三角形的柱状(下称三角形柱)的透光性部件142组合在一起，在与来自准直单元13的平行光的光轴正交的面上，平行地、阵列状地排列有多个。此外，在这些阵列状排列的相邻透光性部件间的界面上，交替设置有偏振分束(下文简称“PBS”)膜和反射膜，并且，在入射到偏振变换元件14并透过PBS膜的光所出射的出射面上，设置有1/2λ相位的波片143。
在该偏振变换元件14的出射面一侧配置有上述的自由曲面透镜15。该自由曲面透镜15的出射面或入射面或出射面和入射面这两个面由自由曲面构成。采用该自由曲面透镜15，能够通过透镜的面形状来控制光线的出射方向，获得具有所要求的光度分布的照明光，例如，如图6中箭头所示，为了实现对远方的照明，可使光的分布在中央部增强。
采用详细结构如上所述的前灯装置100，LED111出射的光在准直单元13的作用下变换为大致平行光，之后由偏振变换元件14变换为直线偏振光(p偏振光：偏振垂直于纸面)。进而通过自由曲面透镜15形成所要求的光度分布，在经投影透镜50放大投影后，照射到车辆前方的空间或路面上。即，采用上述实施例1的车辆用前灯装置，能够提供一种因使用LED而实现了低功耗、对环境友好、寿命长、可低成本制造、小型且易于模组化、光利用效率高的车辆用前灯装置。
以上针对本发明的前灯装置及其使用的光源装置之一例详细进行了说明，下面详细说明包括其变形例在内的其他实施例。
(实施例2)
首先，在基本结构如上所述的车辆用前灯装置100中进一步设置作为影像显示元件的液晶面板(LCD面板)20，通过控制构成该面板的LCD面板(液晶显示元件)20的开/关来细微地控制配光，能够实现在抑制对行驶于相向行车线上的车辆或行驶于同一行车线上的车辆产生眩光的同时，确保了远方的可观察性的照明。此外，还能够利用照明光，将表示包括本车的行驶速度和方向等在内的驾驶状态的信息或其他的关于车辆驾驶的各种信息显示在路上。
图7和图8表示将上述LCD面板20配置在来自光源装置即可见光照明单元10的照明光的光路上，更具体而言，配置在可见光照明单元10的自由曲面透镜15与投影透镜50之间的结构。图中的标记21表示与LCD面板20电连接的FPC(Flexible Printed Circuits：柔性印刷电路板)，LCD面板20由经该FPC21从控制电路(此处未图示)输出的控制信号所控制。
在设置了LCD面板20的情况下，可预料到因从外部入射的太阳光的照射而引起的曝晒或其特性的劣化等。为此，作为其防范措施，本实施例在LCD面板20与投影透镜50之间进一步配置了偏振反射镜30。
此外，在将信息投影到路面上的情况下，LCD面板20的每个像素通过投影透镜50而投影到路面上的像的距离不同，故会发生聚焦性能的降低，因此，为了减小投影在路面上的像中产生的散焦量，LCD面板优选相对于光轴倾斜地配置。因此，在本实施例中，LCD面板20被配置成如图8所示，其出射面相对于光轴向上方倾斜角度θp(例如10～15度)。另外，图7、图8所示的LCD面板20相对于光轴存在倾斜，但在不在路面上显示信息、而是作为通常的前照灯使用的情况下，也可以使LCD面板相对于光轴不倾斜。
此时，LED111的出射光在透过LCD面板20时，其偏振方向旋转90度。为此，上述的偏振变换元件14优选构成为，如图9的(a)所示，将来自可见光照明单元10的光变换为在与路面平行的平面内振动的直线偏振光(s偏振光：偏振平行于纸面)。本实施例中，偏振变换元件14如图9的(b)所示，其结构如下：截面为平行四边形的柱状(下称平行四边形柱)的透光性部件141和截面为三角形的柱状(下称三角形柱)的透光性部件142组合在一起，在与来自准直单元13的平行光的光轴正交的面上，平行地、阵列状地排列有多个。此外，在这些阵列状排列的相邻透光性部件间的界面上，交替设置有PBS膜和反射膜，并且，通过在入射到偏振变换元件14并在PBS膜上反射的光所出射的出射面上设置1/2λ相位的波片143，能够照射s偏振光。
偏振反射镜30(参照图8)被安装成，其出射面相对于光轴向下方倾斜45度以上、优选为60度的角度θo。本实施例中，图8所示的角度θo设定为60度(θo＝60°)。通过使该偏振反射镜30的倾斜角度θo为45度以上，能够在保持偏振反射镜30的较高的p偏振光透射率的同时，提高从外部入射的s偏振光的反射率。并且，通过使偏振反射镜30的出射面相对光轴向下方而不是上方倾斜，如图8所示，能够将偏振反射镜的法线面与从水平(光轴)方向上方入射的太阳光所成的角度θs设定得较大。图10表示作为偏振反射镜30设计的膜的透射率特性。根据图可知，偏振反射镜有选择地降低了s偏振光的透射率，并且入射角越大其效果越明显。因此，太阳光中的s偏振成分的透射率因偏振反射镜30而降低，到达LCD面板20的太阳光的强度减弱，能够防止/抑制LCD面板20受到太阳光曝晒和特性发生劣化。
另外，偏振反射镜30具有对红外光的透射率较低的特性，因此能够降低太阳光中所含的红外光成分，进一步防止受到太阳光曝晒和特性发生劣化。关于倾斜配置的偏振反射镜30的厚度t，由于其是产生彗差、像散的主要原因，因此该厚度t优选1.5mm以下，而考虑到强度的关系，优选0.6mm以上。
除此之外，在如上所述设有LCD面板20的情况下，设置在上述可见光照明单元10内的偏振变换元件14的出射面一侧的自由曲面透镜15的自由曲面被设定成，以使得入射到该LCD面板20上的光的分布在中央部增强的方式进行聚光。由此，能够实现前灯装置所需的照明光对远方的照射。
采用详细结构如上所述的前灯装置，LED111的出射光由准直单元13变换为大致平行光，并由偏振变换元件14变换为偏振方向与纸面平行的s偏振光。该出射光在自由曲面透镜15的作用下，以其中央部的光强度增强的方式会聚而照射在LCD面板20上，由该LCD面板20调制成各种信息的影像光，透过该LCD面板20出射到偏振反射镜30上。此时，经偏振变换元件14变换的s偏振光被该LCD面板20变换成p偏振光，因此能够高效地透过偏振反射镜30，具体而言有80％以上的光能够透过。透过该偏振反射镜30的光进一步被投影透镜50放大投影而照射在路面上或/和前方。
此处，除了上述的LCD面板20之外，还能够如上述图7和图8所示设置照射红外光的红外光照明单元40。该红外光照明单元40例如照射红外光以供检测夜晚车辆的外部状况的红外光传感器(此处未图示)使用。在图示的例子中，前灯装置通过利用上述偏振反射镜30使来自红外光照明单元40的红外光叠加在来自可见光照明单元10的照明光上，将其作为照明光照射到车辆前方的路面上。
红外光照明单元40如图11所示，与上述可见光照明单元同样地，通过在红外LED准直单元42上安装1个或多个作为固体光源的半导体红外LED(Light Emitting Diode，发光二极管)41而构成。在图示的例子中，作为一例表示了将多个(7个)红外LED41排成一排，分别固定在构成红外LED准直单元42的红外LED准直元件421的凹部(参照上述图5的标记134)的中央部的位置上的例子。另外，此处虽未图示，但红外LED41也与上述LED111同样地，配置在安装有控制电路等的电路板上，并且在该电路板的背面安装有用于使LED发出的热扩散到周围空气中的散热器，这对于本领域技术人员而言是理所当然的。
从上述图7和图8中能够明确，该红外光照明单元40是利用了上述偏振反射镜30而配置的，即，作为一例，配置在出射面相对于光轴倾斜了所要求的角度而安装的偏振反射镜30的光轴的下方。由此，红外LED41出射的红外光能够在偏振反射镜30的表面反射，与来自可见光照明单元10的照明光叠加而照射到车辆前方的路面上。此时，优选使其设置角度为，太阳光中的被偏振反射镜30反射的成分不会入射到红外光照明单元40。
像这样，采用以上详述的实施例2，通过与能够在防止因太阳光造成劣化的同时进行配光控制的LCD面板一起，搭载能够照射红外光的红外光照明单元，能够与上述实施例1同样地，以低成本制造功能性更加优秀的前灯装置，并且能够实现易于小型化和模组化的效果。
(实施例3)
图12表示除上述实施例1的结构之外，在前灯装置的内部设置了遮光罩60的结构的例子。该遮光罩60能够形成对车辆交会时产生的来自汽车灯具的光线彼此交错的光束(即近光)要求的前灯明暗截止线(配光)。如图所示，该遮光罩60构成为由遮光部件形成为规定形状的部件，被配置并固定在投影透镜50的焦点附近。
利用该遮光罩60，能够通过遮挡来自上述可见光照明单元10的照明光的一部分，来形成对会车光束(即近光)要求的明暗截止线等照明光的照射图案。此外，该遮光罩60除了图示的固定式之外，例如也可以通过设置电动机等旋转机构来使其位置可移动，并且也可以与行驶用光束(即远光)共用，不过此处未图示。
如上所述，采用实施例3能够以低成本制造功能性更加优秀的前灯装置，并且能够容易地使前灯装置实现小型化和模组化。
(实施例4)
图13是作为上述实施例1的结构的变形表示相对于LCD面板20，光源装置即可见光照明单元10较小的情况下的结构例。
在与LCD面板20相比可见光照明单元10较小的情况下，需要利用自由曲面透镜15，与LCD面板20的尺寸相应地限缩从偏振变换元件14照射的大致平行光。在图13中，通过使自由曲面透镜15的入射面和出射面分别为凸形状，并增大偏振变换元件与LCD面板20的距离来实现光束限缩。并且，为了利用投影透镜50使来自较小的LCD面板20的光以较宽的配光角出射，缩短了投影透镜50的焦距并缩短了LCD面板20与投影透镜50的距离。
如上所述，采用实施例4，能够通过使用更小的LED面板来以低成本制造功能性优秀的前灯装置，并且能够容易地使前灯装置实现小型化和模组化。
采用以上详述的本发明的车辆用前灯装置，能够实现光利用效率高、低功耗、对环境友好并且寿命长的车辆用前灯装置。
以上针对本发明各实施例的车辆用前灯装置进行了说明。但本发明不仅限于上述实施例，包括各种变形例。例如，上述实施例中，为了易于理解地说明本发明而对***整体进行了详细说明，但本发明并不限定于必需包括所说明的全部结构。另外，可将某实施例的结构的一部分置换为其它的实施例的结构，还能够在某实施例的结构上增加其它实施例的结构。而且，对于各实施例的结构的一部分，能够添加、删除、置换成其它结构。
附图标记说明
100…前灯装置，10…可见光照明单元，11…LED电路板，111…LED，12…散热器，13…准直单元，131…准直元件，132…外周面，133…凸部(凸透镜面)，134…凹部，135…凸透镜面，14…偏振变换元件，143…1/2λ相位的波片，15…自由曲面透镜，20…液晶面板(LCD面板)，30…偏振反射镜，40…红外光照明单元，41…红外LED，42…红外LED准直单元，50…投影透镜。

Claims (10)

1.一种安装于车辆的一部分的、能够对所述车辆所行驶的路面上照射照明光的车辆用前灯装置，其特征在于，包括：
产生所述照明光的光源装置；和
配置在所述光源装置的光轴上的透镜，其以使来自所述光源装置的所述照明光形成所要求的配光分布的方式进行投影，
所述光源装置包括：
出射光的1个或多个半导体光源元件；
包括1个或多个准直元件的准直部，其中1个或多个准直元件配置在所述半导体光源元件各自的发光轴上，将从固体光源出射的光变换为大致平行光；和
设置在所述准直部的出射面一侧的偏振变换元件，其将入射光变换为规定的偏振光，
其中，能够使从所述光源装置的所述偏振变换元件出射的所述照明光经所述透镜向规定的方向照射。
2.如权利要求1所述的前灯装置，其特征在于：
从所述透镜出射的照射光是在与所述路面垂直的平面上振动的p偏振光。
3.如权利要求1所述的前灯装置，其特征在于：
还包括配置在连接所述偏振变换元件与所述透镜的光轴上的影像显示元件。
4.如权利要求3所述的前灯装置，其特征在于：
所述影像显示元件是LCD面板。
5.如权利要求4所述的前灯装置，其特征在于：
在所述LCD面板与所述透镜之间还设置有偏振反射镜，所述偏振反射镜的出射面向下方倾斜规定角度。
6.如权利要求1所述的前灯装置，其特征在于：
在构成所述光源装置的所述偏振变换元件的出射面一侧还设置有自由曲面透镜。
7.如权利要求1所述的前灯装置，其特征在于：
还包括用于产生红外光的红外光发光单元。
8.如权利要求7所述的前灯装置，其特征在于：
所述红外光发光单元包括：出射红外光的1个或多个半导体红外元件和包括1个或多个红外准直元件的红外准直部，其中所述1个或多个红外准直元件配置在所述半导体红外元件各自的发光轴上，将从所述半导体红外元件出射的光变换为大致平行光。
9.如权利要求8所述的前灯装置，其特征在于：
包括配置在连接所述偏振变换元件与所述透镜的光轴上的影像显示元件，
在所述影像显示元件与所述透镜之间还设置有偏振反射镜，所述偏振反射镜的出射面向下方倾斜规定角度，所述红外光发光单元使出射的红外光在所述偏振反射镜的出射面上反射，再经所述透镜向规定的方向照射。
10.如权利要求1所述的前灯装置，其特征在于：
构成所述准直部的所述准直元件各自由透光性的树脂形成，具有由大致抛物线的截面旋转得到的圆锥形凸状的外周面，并且具有凹部，所述凹部在中央部形成有透镜面。
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