TWI870855B - 交通通用燈具 - Google Patents

Abstract

一種交通通用燈具，係包括：至少一LED光源；一自由曲面投射模組， 裝設於該LED光源前方；以及一外透鏡，位於該自由曲面投射模組前方；其中該自由曲面投射模組具有至少一投射器，且該自由曲面投射模組由矽膠一體成形製成。本發明具有容易縮小體積，具備高耐候性，有利簡化生產工序並降低製造成本的優點。

Description

交通通用燈具

本發明關於照明技術，特別是一種交通工具用的前照燈。

交通工具的前照燈的發展經歷了白熾燈、鹵素燈、氙氣大燈、LED以及雷射燈的發展歷程，其中，LED是目前最常用的交通車燈的光源，LED是近些年出現的新型車燈光源，與白熾燈、鹵素燈、氙氣大燈相比，LED車燈具有照射距離遠、功率耗能低、亮度大的優勢。為了使LED車燈適用於汽車車燈、摩托車燈、電動車燈照明的需要，以及符合相應的法規要求，需要對不同車種的LED車燈進行適應性設計。

本發明主要目的在於如何簡化LED車燈的適應性設計，使其能夠滿足多種交通照明的需要，並且使車燈符合相應的法規要求。

為了達成上述及其他目的，本發明提供一種交通通用燈具，係包括：一LED光源；一自由曲面投射模組，裝設於該LED光源前方；以及一外透鏡，位於該自由曲面投射模組前方；其中，該自由曲面投射模組具有至少一投射器，且該自由曲面投射模組由矽膠一體成形製成。該投射器包括一聚光部、一反射曲面以及一出光表面，該LED光源所發出的一光束經過該自由曲面投射模組折射與全反射後沿著一光學軸線平行射向該外透鏡，利用該外透鏡的曲面設計使該光束形成一預設光形。

本發明的前照燈結構主要由自由曲面投射模組以及外透鏡構成。自由曲面投射模組將光線全部沿著光學軸線平行射向遠方，利用外透鏡的曲面設計符合法規要求的光形，以滿足相應法規的要求，達到既照亮路面，又可防止眩目的作用。

本發明的自由曲面投射模組，全部是採用自由曲面進行設計與優化，該系統分為兩個部分，一個是全反射部分，一個是折射部分。本發明的交通通用燈具可以對光進行分佈調控，以適應不同車輛的法規需求，對光進行光調控，可以將整體的體積做的更小，且聚光效率會更高。

本發明採用自由曲面設計對光線進行整形，與普通透鏡相比，在保持相同整形效果的前提下，減小了透鏡的使用數量和透鏡的厚度。通過採用多個LED二極體作為光源，大幅增加了交通通用燈具的亮度，通過更換不同的LED顆粒和調整其功率，從而滿足不同的車輛照明需求。

按本發明的技術方案，能夠使交通通用燈具具有通用性強，體積更小，實現了不同的車輛照明的通用性問題，具有照明距離遠、照明強度高以及能耗低等特點。

本發明的交通通用燈具可以安裝擋板於自由曲面投射模組前方，擋板並不限於單一的擋板，能夠採用適應不同交通車輛的擋板組合，比如，汽車為45度角或者15角的擋板；用於摩托車時會換為平面擋板不帶角度；進行電動車照明時也會使用平面擋板；自行車照明時也可以使用平面擋板。在更換擋板時，晶片的功率以及對應的LED顆粒數會隨之調整，但是不需要對於自由曲面投射模組進行再次設計。通過更換擋板以及LED光源顆粒，便可以滿足不同的車輛照明需求，比如說電動車，摩托車以及汽車的照明需求。在設計自由曲面投射模組時，已經考慮到了不同的LED光源顆粒數目以及功率會帶來的照明變化，利用這種變化可以滿足不同的車輛照明需求。

10:外透鏡

20:殼體

30:擋板

31:擋板承載架

40:自由曲面投射模組

401:投射器

41:聚光部

42:反射曲面

43:出光表面

50:電路板

60:散熱器

70:LED光源

圖1為本發明一實施例立體示意圖。

圖2為本發明圖1之爆炸圖。

圖3為本發明圖2之爆炸圖。

圖4為本發明一實施的二維結構圖。

圖5為本發明圖4中投射器的光路示意圖。

圖6為本發明一實施例自由曲面投射模組立體圖。

請參閱圖1至圖6，圖中所繪示者為本發明所提供一種交通通用燈具的一實施例，包括：散熱器60、複數個LED光源70、自由曲面投射模組40、擋板30以及外透鏡10。LED光源70安裝在電路板50上，電路板50安裝在散熱器60上，散熱器60上安裝有殼體20。其中，外透鏡10、擋板30、自由曲面投射模組40依序位於殼體20內，使外透鏡10在最遠離LED光源70的位置。此外，擋板30安裝在擋板承載架31上，擋板承載架31安裝在散熱器60上。

自由曲面投射模組40是由矽膠材質所製成且具有複數個並排設置的投射器401，各投射器401具有一聚光部41、一反射曲面42以及一出光表面43。該LED光源70對準該聚光部41，該LED光源70使所發出的一光束經過該自由曲面投射模組40的聚光部41進行折射或經反射曲面42的全反射後，該光束沿著一光學軸線平行射向該擋板30直至該外透鏡10，利用該外透鏡10的曲面設計使該光束形成一預設光形。

聚光部41為一圓形凹部且面對LED光源70而作為入光端，且聚光部41在周向上劃分成不同區域，進行分區域單獨設計，以同時滿足不同交通車輛照明需求，或者也可以滿足特種車輛對於自由曲面投射模組40周向不同位置的特殊點燈效果的需要。

自由曲面投射模組40的投射器401為一準直器，使LED光源70能透過準直器聚光後平行射出。

自由曲面投射模組40使用矽膠材質且為一體成形，比起玻璃或PC(聚碳酸酯塑料)做的自由曲面投射模組，使用過程不會黃化質變，而且矽膠的耐候性高，高溫或低溫承受度都高，不容易受環境影響而龜裂。比起玻璃製作的自由曲面投射模組40，其結構特徵需要經過用機具研磨，製作成本較高，而且體積不容易縮小，導致整個車燈的體積增加。因此，本發明為採用矽膠一體成形的自由曲面投射模組40，不只容易縮小自身整體體積，具備高耐候性，更有利於簡化生產的工序，降低製造成本。

在本實施例中，外透鏡10的外表面為非球面，其面型方程式為：

其中c為曲率，k為圓錐係數，C1、C2、C3...C20是非球面係數，x為非球面的旋轉對稱軸，z表示入射光線在非球面上的入射高度。

外透鏡10亦為矽膠材質，且為具有多個焦點之透鏡，矽膠材質耐候性高，高溫或低溫承受度都高，不容易受環境影響而龜裂，也不會黃化質變。

如圖4與圖5，自由曲面投射模組40投射器401的聚光部41面對小角度入射光線的接收面劃分成多個折射區塊，使這些折射區塊至少有兩種焦距規格，這些折射區塊沿光軸方向的正投影為多個同圓心的扇形，且所有扇形的圓心 角之和為360度，相鄰兩個折射區塊在交界處形成臺階結構。前述扇形分區的設計可以使自由曲面投射模組40周向上不同區域具有不同的光線收集效率、光線利用率以及點燈效果，同時結構上又相對簡單，可以快速進行光分佈的調控，從而滿足不同車輛的照明需求。

投射器401的反射曲面42劃分成多個全反射區塊，這些全反射區塊均為以光軸為中心的旋轉曲面片段，但這些全反射區塊至少有兩個不同的曲面設計。所有全反射區塊沿光軸方向的正投影為多個同圓心的扇形，且所有扇形所對應的圓心角之和為360度，相鄰兩個所述全反射區塊在交界處形成臺階結構。

在本實施例中，全反射區塊與折射區塊在徑向上逐一對應，相對應的所述全反射區塊和折射區塊它們各自所對應的圓心角重合。

通過對於自由曲面投射模組40的設計進行光分佈的調控之後，經過外透鏡10進行光分佈的投影。經過對應的計算，可以滿足不同的法規需求以及照度需求。

不同的交通工具，其交通通用燈具的交通照明需求及法規是不一樣的。要實現一個通用型的交通通用燈具設計主要採用的是控制自由曲面投射模組40，以及控制擋板30的變化和LED光源70的顆粒數目去實現。

為了克服傳統交通通用燈具存在難以實現高功效的缺陷，本發明的實施例將面光源離散成幾個LED點光源並對應不同的投射器401，每個投射器401的聚光部41可以具有不同的輪廓，分別對聚光部41不同的輪廓乘以權重係數，將這些加權之後的輪廓進行疊加，然後對這個疊加輪廓進行優化，優化的變數為這些權重係數，使用粒子群優化演算法尋找到最佳權重比，實現將系統的效率提高，模擬驗證顯示，效率可提高20%到30%。優化的聚光部41的工作原理就是全反射。在透射光的過程中，部分光是利用全反射原理由光傳輸的。

投射器401的出光表面是自由曲面，用於進行光形的分配。根據大客運所需求的一個路面照度以及25m的測試點強度值進行自由曲面的資料設計，出光表面是根據測試點所需求的一個強度，然後去設計自由曲面的面形，去控制面形的一個變化，從而達到滿足不同的需求點的強度值。根據自由曲面的任意變化，從而滿足不同的強度需求，可以實現強度值上升，下降以及寬度需求設計，從而滿足在實際照明過程中做到小型化，高效化，同時滿足法規的驗證。

在設計時，需要考慮到不同法規之間的共同點以及相似點，然後通過對於光分佈調控去滿足不同的需求，比如說要滿足汽車道路照明需求時，要考慮到各個法規點的強度值。如果要滿足摩托車照明需求時，需要更換對應的擋板30和LED光源的顆粒數目，便可以滿足摩托車的照明需求。在設計自由曲面投射模組40時，已經考慮到了不同LED光源的顆粒數目以及功率會帶來的照明變化，利用這種變化可以滿足不同的照明需求。

以上內容僅為本發明的較佳實施方式，對於本領域的普通技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用範圍上均會有改變之處，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。

10:外透鏡

20:殼體

30:擋板

31:擋板承載架

40:自由曲面投射模組

50:電路板

60:散熱器

Claims (8)

1. 一種交通通用燈具，係包括：至少一LED光源；一自由曲面投射模組，裝設於該LED光源前方；以及一外透鏡，位於該自由曲面投射模組前方；其中，該自由曲面投射模組具有至少一投射器，該投射器的出光表面是自由曲面，且該自由曲面投射模組由矽膠一體成形製成；該外透鏡為矽膠材質一體成形製成；其中，該自由曲面投射模組將光線全部沿著光學軸線平行射向遠方，利用該外透鏡的曲面設計符合法規要求的光形；其中，至少一LED光源安裝在一電路板上，該電路板安裝在一散熱器上，該散熱器上安裝有一殼體，該外透鏡以及該自由曲面投射模組位於該殼體內；其中，一擋板裝設於該自由曲面投射模組前方，該擋板安裝在一擋板承載架上，該擋板承載架安裝在該散熱器上；其中，該外透鏡的一外表面為非球面，其面型方程式為：

   

   其中c為曲率，k為圓錐係數，C1、C2、C3…C20是非球面係數，其中x為非球面的旋轉對稱軸，z表示入射光線在非球面上的入射高度；其中，各該投射器具有一聚光部，一反射曲面及一出光表面，該LED光源對準該聚光部；其中，該投射器的該聚光部面對小角度入射光線的接收面劃分成多個折射區塊；其中，該等折射區塊具有至少兩種焦距規格； 其中，該等折射區塊沿光軸方向的正投影為多個同圓心的扇形，且所有扇形的圓心角之和為360度，以通過設計光軸的平面為交界面，相鄰兩個折射區塊在交界處形成臺階結構。
2. 如請求項1所述之交通通用燈具，其中該聚光部為一圓形凹部。
3. 如請求項1所述之交通通用燈具，其中該反射曲面劃分成多個全反射區塊，相鄰兩個全反射區塊在交界處形成臺階結構。
4. 如請求項3所述之交通通用燈具，其中該等全反射區塊至少有兩個不同的曲面設計。
5. 如請求項1所述之交通通用燈具，其中該聚光部為一圓形凹部，該聚光部在周向上劃分成多個折射區塊，該反射曲面劃分成多個全反射區塊，該等全反射區塊與該等折射區塊在以一光軸為中心的徑向上逐一對應。
6. 如請求項1所述之交通通用燈具，其中該投射器的數量為複數個，且該等投射器為併排設置。
7. 如請求項1所述之交通通用燈具，其中該至少一投射器為一準直器。
8. 如請求項1所述之交通通用燈具，其中該外透鏡為具有多個焦點之一多焦透鏡。