ФАРА ДАЛЬНЕГО СВЕТА
HEADLAMP

Настоящая заявка относится к фаре дальнего света, такой как фара дальнего света, устанавливаемая в автомобиль.
Фара дальнего света для автомобилей генерирует сильно сфокусированное поле в дальней зоне с полушириной углового распределения силы света, приблизительно составляющей 5°. Для предотвращения ослепления встречных автомобилей или автомобилей, едущих впереди, дальний свет должен быть выключен, и может быть использован только ближний свет. При сегментировании дальнего света на отдельно переключаемые вертикальные полосы, имеющие горизонтальную ширину меньше 2°, посредством выключения только соответствующих ослепляющих сегментов можно обеспечить неослепляющее функционирование дальнего света, улучшающее освещение дороги.
Светодиодная (LED) матрица, установленная на печатную плату, служит в качестве источника света. Неизлучающие области между отдельными светодиодами маскируются специальной световодной или отражательной заполняющей оптикой. В то же время, эта оптика позволяет обеспечить небольшое уменьшение расходимости излучения светодиодной матрицы. Выходное излучение заполняющей оптики отображается на дорогу в бесконечность посредством проекционной оптики, имеющей большое фокусное расстояние при сравнительно большой установочной длине. Вследствие высокой температуры и высокой плотности оптической мощности в непосредственной близости от светодиодной матрицы, реализация заполняющей оптики предъявляет высокие требования к материалам и производственным процессам. Дополнительно, ахроматически скорректированная проекционная оптика необходима для подавления цветной окантовки световых сегментов. Общая длина оптики является следствием суммы фокусного расстояния проекционной оптики и длины заполняющей оптики и приводит к большим размерам системы.
Следовательно, существует потребность в дальнем свете или фаре дальнего света, обеспечивающей высокую эффективность освещения при короткой установочной длине, и технологичной в изготовлении.
Таким образом, целью настоящего изобретения является обеспечение дальнего света или фары дальнего света, соответствующих этим условиям. Эта цель достигается объектом изобретения из независимого пункта формулы изобретения.
Главной идеей настоящей заявки является обнаружение того, что можно обеспечить дальний свет или фару дальнего света, которая может быть изготовлена с малой установочной длиной при высокой эффективности, а также позволяет обеспечить технологичность и эффективность в изготовлении с низкими затратами, посредством объединения матрицы источников света, имеющей множество источников света, с сотовым конденсором. Коллиматор, присоединенный между сотовым конденсором и матрицей источников света, освещает сотовый конденсор коллимированным светом множества источников света матрицы источников света. Расположение компонентов таково, что коллимированный свет из первого источника света приводит к свободному от перекрестных искажений облучению сотового конденсора и освещению первого дальнепольного сегмента. Для каждого из по меньшей мере одного второго источника света матрицы источников света, коллимированный свет соответствующего второго источника света приводит к облучению сотового конденсора канальными перекрестными искажениями и освещению второго дальнепольного сегмента, ориентированного наклонно к первому дальнепольному сегменту. Другими словами, один или несколько вторых источников света расположены таким образом, что их коллимированный свет при прохождении через входные сотовые линзы или элементарные линзы сотового конденсора коллимируется не в соответствующие связанные выходные сотовые линзы или элементарные линзы сотового конденсора, с которыми они образуют соответствующий канал, а в выходные сотовые линзы или элементарные линзы другого канала, например, соседнего канала, что может соответствовать первому порядку перекрестных искажений, или канала, расположенного через один канал, что может соответствовать второму порядку перекрестных искажений, и т.д. Если углы приема выходных элементарных линз сохраняются, то конфигурация сотового конденсора автоматически обеспечивает органичное соединение дальнепольных сегментов, связанных с источниками света матрицы источников света, поскольку они освещаются ими. Таким образом, можно получить сегментированный дальний свет, когда источниками света матрицы источников света можно управлять отдельно или в группах, или дальний свет, в котором требуемые сегменты включаются или выключаются, или освещаются в большей или меньшей степени, когда источниками света можно управлять соответствующим образом.
Предпочтительные варианты осуществления настоящей заявки будут объяснены более подробно ниже со ссылкой на чертежи. Они показывают:
Фиг. 1 - схематичный вид сверху дальнего света или фары дальнего света согласно одному варианту осуществления, а именно, вид вдоль горизонтали;
Фиг. 2 - схематичный вид сбоку дальнего света или фары дальнего света фиг. 1, а именно, вид вдоль вертикали; и
Фиг. 3 - схематичное пространственное изображение сотового конденсора фиг. 1 и 2.
Основное расположение показано в виде вида сверху на фиг. 1 и в виде вида сбоку на фиг. 2. Источник света является линейным кластером 1 светодиодов с общей коллимирующей оптикой 2. Формирующая луч оптика состоит из вертикально нерегулярного, горизонтально регулярного сотового конденсора [1] с прямоугольными элементарными линзами. Сотовый конденсор сконструирован в виде тандемной матрицы, состоящей из нерегулярной входной матрицы 3 и регулярной выходной матрицы 4. Нерегулярность входной матрицы существует только по вертикали.
Если включается только центральный светодиод 1а, то все входные элементарные линзы отображают этот светодиод только на соответствующую связанную выходную элементарную линзу и, таким образом, реализуют оптический путь освещения освещением по Келеру в каждом канале матрицы. На фиг. 1 для ясности показан только оптический путь в центральной входной элементарной линзе. Выходные элементарные линзы, в свою очередь, отображают апертуры связанных входных элементарных линз в бесконечность, создавая центральный дальнепольный сегмент 5а дальнего света. Вследствие вертикальной нерегулярности входной матрицы, приблизительно симметричное колоколообразное угловое распределение силы света сегмента получается по вертикали, и прямоугольное П-образное угловое распределение получается по горизонтали.
Если активируются светодиоды, смежные с центральным светодиодом справа (1b) или слева (1с) в направлении распространения света, то входные элементарные линзы отображают их на выходную элементарную линзу в соответствующем смежном канале слева или справа. На фиг. 1, снова для ясности, показан только оптический путь для лучей, падающих на центральную входную элементарную линзу. Эти канальные перекрестные искажения приводят к образованию сегментов, смежных с центральным дальнепольным сегментом слева (5b) и справа (5с) в направлении распространения. Светодиоды, расположенные дальше от центрального светодиода, которые не показаны для ясности, вызывают канальные перекрестные искажения в канале, расположенном через один канал или в канале, расположенном еще дальше, обеспечивая, таким образом, освещение дальнепольных сегментов, расположенных еще дальше от оптической оси системы.
Конфигурация входной матрицы линз в виде нерегулярной матрицы с высоким коэффициентом заполнения гарантирует непрерывное соединение сегментов и делает ненужным использование специальной заполняющей оптики. Светодиоды матрицы расположены таким образом, что с учетом искажений коллиматора, только необходимые канальные перекрестные искажения генерируются в каждом случае, и не генерируются никакие световые компоненты в других каналах. Поскольку обратные относительные отверстия (f-числа) элементарных линз являются сравнительно большими, обычно f/#>10, возникают только минимальные аберрации, и не требуется ахроматизация проекции. Посредством отдельного управления светодиодами, дополнительно к неослепляющему освещению, может быть также настроен горизонтальный профиль силы света дальнего света, который допускает, например, энергосберегающее функционирование.
Другими словами, вышеупомянутые фигуры показывают дальний свет или фару 100 дальнего света, содержащую матрицу 1 источников света с множеством источников 1a-1c света, хотя, как упомянуто выше, их число не ограничено тремя, а может быть равным двум или более. Дополнительно, дальний свет 100 содержит сотовый конденсор 10 и коллиматор 2, присоединенный между сотовым конденсором 10 и матрицей 1 источников света для освещения сотового конденсора 10 коллимированным светом множества источников 1a-1c света. Последними, как отмечено выше, можно управлять отдельно или в группах для обеспечения сегментированного дальнего света, описанного выше. Эта управляемость реализуется схемой 102 управления, необязательно, связанной с фарой 100, и может ограничиваться управлением включением/выключением, но может также включать в себя управление силой света. Источники 1a-1c света расположены в фокальной плоскости коллиматора 2.
В частности, среди источников света имеется источник 1а света, который не обязательно является центральным источником света в фокальной плоскости коллиматора 2 среди источников света матрицы 1 источников света. Этот источник 1а света дает в результате с помощью коллиматора 2 коллимированный свет, который приводит к свободному от перекрестных искажений облучению сотового конденсора 10. Для любого другого источника света, здесь 1b и 1c, соответствующий коллимированный свет приводит к облучению сотового конденсора 10 канальными перекрестными искажениями. Другими словами, сотовый конденсор 10 снабжен матрицей 3 сотовых линз на входной стороне и матрицей 4 сотовых линз на выходной стороне. Каждая входная сотовая линза или входная элементарная линза 30 входной матрицы 3 связана с соответствующей выходной элементарной линзой или выходной сотовой линзой 40 выходной матрицы 4 для образования совместного канала, в котором первая коллимирует коллимированный свет из источника 1а света в эту связанную выходную сотовую линзу 40. Для этой цели, выходные элементарные линзы 40 расположены на расстоянии от входных элементарных линз 30 в пределах фокусного расстояния последних, и наоборот, входные элементарные линзы 30 расположены на расстоянии от выходных элементарных линз 40 в пределах фокусного расстояния последних, и, дополнительно, входные элементарные линзы и выходные элементарные линзы регулярно расположены с постоянным повторяющимся расстоянием Δх друг от друга. На фиг. 1-3 показан иллюстративный случай, в котором коллимированный свет из источника 1а света падает перпендикулярно на сотовый конденсор 10, и в этом случае апертуры линз и вершины линз связанной пары из входной элементарной линзы 30 и выходной элементарной линзы 40 точно выровнены друг с другом вдоль горизонтального направления х, но также возможен и альтернативный вариант осуществления. На фиг. 3, которая только в качестве иллюстрации показывает, что сотовый конденсор 10 может содержать 40 каналов, показан в качестве иллюстрации световой луч 11 коллимированного света источника 1а света, который падает на некоторую входную элементарную линзу 30 и снова выходит из связанной выходной элементарной линзы 40. Луч 11 проходит по существу в канале сотового конденсора 10. Пунктирная линия 11’ на фиг. 3 показывает коллимированный свет одного из других источников света, когда он падает на ту же самую входную элементарную линзу 30, но выходит затем через другую выходную элементарную линзу 40. Выходная элементарная линза, через которую световой луч выходит, является выходной элементарной линзой, смежной с выходной элементарной линзой, через которую прошел световой луч 11 из источника 1а света. Это было названо выше первым порядком перекрестных искажений. Со ссылочной позицией 11” фиг. 3 показывает штрихпунктирной линией световой луч, исходящий из еще одного другого источника света, который проходит через ту же самую входную элементарную линзу 30, что и другие лучи 11 и 11’, но выходит через еще одну другую выходную элементарную линзу 40, которая в этом случае отделена от выходной элементарной линзы, через которую проходит световой луч 11, т.е. световой луч источника 1а света, одной выходной элементарной линзой, т.е. представляет собой расположенную через одну выходную элементарную линзу 40 в выходной матрице 4. Это далее называется вторым порядком перекрестных искажений. Дополнительно, возможны другие и более высокие порядки перекрестных искажений.
В описанных выше вариантах осуществления, источники 1a-1c света были расположены вдоль одномерной линии, в этом случае вдоль горизонтали х. Однако также возможны отклоняющиеся варианты осуществления, в которых источники света расположены по-другому, например, также двумерно. В результате одномерного расположения источников 1 света, коллимированный свет из «других» источников 1b и 1c света, т.е. тех источников света, которые приводят к перекрестным искажениям, приводит к канальным перекрестным искажениям в отношении столбцов. Таким образом, сотовый конденсор 10 и его входная и выходная матрицы 3 и 4 содержат столбцы 13 элементарных линз 30 и 40, соответственно, которые все образованы идентично и расположены смежно на некотором повторяющемся расстоянии вдоль направления х или конформно сливаются друг с другом при переносе их на кратные повторяющегося расстояния. Таким образом, каждая пара из входной и выходной элементарных линз 30 и 40, образующих канал в одном столбце, соответствует паре в любом другом столбце, а именно, паре в той же строке матрицы 3 и 4, соответственно, и канальные перекрестные искажения означают, что свет одной входной элементарной линзы 30 коллимируется не в ее связанную выходную элементарную линзу 40 в том же столбце 13, а в выходную элементарную линзу 40 соответствующей пары из входной и выходной элементарных линз 30 и 40 в другом столбце 13, например, соседнем столбце в случае первого порядка перекрестных искажений, и т.д.
Выходные элементарные линзы 40 также образуют регулярную матрицу в направлении y в каждом столбце 13. Другими словами, в вышеупомянутых вариантах осуществления, матрица выходных элементарных линз 40 образована в виде регулярной матрицы с постоянным повторяющимся расстоянием Δх в направлении х и постоянным повторяющимся расстоянием Δy в направлении y. Апертуры выходных элементарных линз 40 являются прямоугольными и соединены непрерывно. Однако, в каждом столбце 13, входные элементарные линзы 30 имеют апертуры разных размеров. Изменение апертур линз относится к продолжению апертур линз в направлении y, как показано на фиг. 2. Тем не менее каждая входная элементарная линза 30 коллимирует коллимированный свет из источника 1а света, падающий на нее, в центр своей связанной выходной элементарной линзы 40. В каждом столбце 13, одна или несколько из входных и/или выходных элементарных линз 30 и 40 могут иметь вершины, децентрированные относительно их апертуры вдоль направления y. Децентрирование и изменение апертур линз служат для обеспечения требуемого углового распределения силы света в направлении y, которым освещаются сегменты 5а-5с. Здесь, угловое распределение стало шире с максимумом при заданном угле или перпендикулярно вперед, причем некоторые входные элементарные линзы 30 имеют больший размер апертуры в направлении y относительно своей связанной выходной элементарной линзы 40, причем вершины линз взаимно ориентированы в направлении y, и каждая из них центрирована относительно апертуры своей линзы. Также возможны другие реализации.
Таким образом, фара 100 дальнего света позволяет обеспечить отдельное освещение сегментов 5a, 5b и 5c дальнего света. Согласно одномерному последовательному расположению источников 1a-1c света, дальнепольные сегменты расходятся веером вдоль пространственного направления х. Однако они органично смежны друг с другом. Как упомянуто выше, входные элементарные линзы 30 могут быть немного предварительно расфокусированы для обеспечения лучшей фокусировки в среднем во всех возникающих порядках перекрестных искажений (причем нулевому порядку соответствует отсутствие канальных перекрестных искажений). Таким образом, входные сотовые линзы входной матрицы 3 сотовых линз сотового конденсора 10 могут быть расположены, относительно плоскости, в которой расположены выходные сотовые линзы 40 выходной матрицы 4 сотовых линз сотового конденсора 10, более расфокусированно для коллимированного света первого источника 1а света, чем для коллимированного света, имеющего направление коллимации между направлением коллимации коллимированного света этого источника 1а света и направлением коллимации коллимированного света другого такого источника света, имеющего максимальный порядок перекрестных искажений среди источников света, т.е. источника 1b или 1с света в случае фиг. 1. По существу, таким образом, на фиг. 1, например, выходные элементарные линзы 40 могут находиться немного ближе к входным элементарным линзам, чем в случае их оптимального расположения для свободного от перекрестных искажений облучения, а также дальше от их оптимального расположения для облучения канальными перекрестными искажениями одним из источников 1b и 1a света.
Микрооптическая реализация в виде многоапертурной системы для формирования лучей позволяет уменьшить установочную длину по сравнению с общепринятыми системами. Микрооптическое формирование лучей устраняет потребность в отдельной заполняющей оптике и ахроматической коррекции проекционной оптики. По сравнению с проекционными системами с прозрачными матрицами или апертурами, обеспечивается увеличенный коэффициент пропускания системы.
Вышеупомянутые варианты осуществления могут быть использованы в качестве фары дальнего света для автомобилей, а также, в общем, в качестве переключаемых прожекторов. Может быть реализовано двумерное переменное освещение больших областей прямоугольными пикселами.
Соответственно, другими словами, вышеупомянутые варианты осуществления описывают, среди прочего, сегментированную фару дальнего света с многоапертурной оптикой. В этом контексте было описано, что сегментированная фара дальнего света содержит коллимированную матрицу источников света и последующий сотовый конденсор для формирования лучей, причем центральный элемент матрицы источников света, например, или центральный источник света, обеспечивает перпендикулярное облучение сотового конденсора, а все другие элементы обеспечивают наклонное облучение и, таким образом, определенные канальные перекрестные искажения. Конфигурация матрицы источников света в виде одномерной линейной матрицы множественных излучателей была показано в качестве примера. Коллимирование матрицы источников света может быть реализовано показанной асферической линзой. Альтернативно, возможно также коллимирование матрицы источников света посредством двухлинзовой системы, состоящей из коллективной линзы и коллимирующей асферической оптики. Как показано, сотовый конденсор может быть образован в виде нерегулярного сотового конденсора в вертикальном направлении y и регулярного сотового конденсора в горизонтальном направлении прямоугольными элементарными линзами. На фиг. 2, сотовый конденсор образован входной матрицей прямоугольных элементарных линз, нерегулярной в вертикальном направлении, и регулярной выходной матрицей прямоугольных элементарных линз. Также сотовый конденсор может содержать выходную матрицу линз, которая также включает в себя элементарные линзы, которые децентрированы в вертикальном направлении, но с постоянным вертикальным продолжением апертур линз. Сотовый конденсор может быть выполнен в виде монолитной тандемной матрицы. Посредством отдельного управления светодиодами может быть обеспечено неослепляющее распределение силы света.
Источники информации
[1] C. Li, P. Schreiber, D. Michaelis, Ch. Wächter, St. Fischer, U. D. Zeitner: "Etendue conserving light shaping using microlens arrays with irregular lenslets", SPIE 10693 (2018) 1069304.