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TWI554713B - 發光二極體車頭燈 - Google Patents

發光二極體車頭燈 Download PDF

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TWI554713B
TWI554713B TW104118968A TW104118968A TWI554713B TW I554713 B TWI554713 B TW I554713B TW 104118968 A TW104118968 A TW 104118968A TW 104118968 A TW104118968 A TW 104118968A TW I554713 B TWI554713 B TW I554713B
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light
lens
emitting diode
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distance
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TW104118968A
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林士凱
林裕閔
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隆達電子股份有限公司
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Priority to CN201510473540.6A priority patent/CN105841062B/zh
Priority to US14/975,849 priority patent/US10012357B2/en
Priority to EP16152683.5A priority patent/EP3051201A1/en
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    • F21S41/10—Illuminating devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. headlamps characterised by the light source
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Description

發光二極體車頭燈
本發明是有關於一種發光二極體車頭燈。
目前，在機車或汽車的車頭燈中，仍以傳統的鹵素燈泡(Halogen lamp)作為發光源。鹵素燈泡發光時，光型可向四面八方發散。因此，在設計機車或汽車的車頭燈時，必須在車頭燈內部設置橢圓反射杯。橢圓反射杯具有一個前焦點以及一個後焦點。鹵素燈泡可設置在前焦點上，並藉由橢圓反射杯將鹵素燈泡之光線聚集到後焦點。接著，聚集到後焦點之光線可藉由透鏡投射出去，以達到照明的目的。
然而，鹵素燈泡使用壽命短且發光效率低，且鹵素燈泡大部分的能量轉化為熱能，導致車頭燈內部溫度過高。此外，因為車頭燈內部反射杯的存在，使得車頭燈之體積無法小型化。因此，隨著其他發光技術的發展，例如高強度氣體放電(High-Intensity Discharge,HID)燈泡以及發光二極體(Light Emitting Diode,LED)燈泡等，已逐漸取代鹵素燈泡，應用在車頭燈中。又LED燈泡相較於HID燈泡而言，LED燈泡更為省電且驅動電壓低、反應速度快、製造成本低。因此，利用LED取代傳統的鹵素燈泡，已逐漸成為市場發展的趨勢。
本發明之一技術態樣是在提供一種發光二極體車頭燈。
根據本發明一或多個實施例，發光二極體車頭燈包含透鏡、散熱座、至少一發光二極體模組以及遮光板。透鏡具有焦距以及焦平面，其中焦平面通過透鏡之焦點並垂直於透鏡之光軸。散熱座位於光軸之方向上且散熱座與透鏡間之距離大於焦點與透鏡間之距離。發光二極體模組位於光軸之方向上且設置於散熱座上，且發光二極體模組與透鏡間之距離大於焦點與透鏡間之距離。遮光板位於焦平面上，且遮光板選擇性地遮擋部分之發光二極體模組的光線，其中發光二極體模組具有發光面，發光面上之某兩點間具有一最大距離。此最大距離與透鏡的焦距實質上滿足：0.0351FL≦L≦0.7279FL，其中FL為透鏡之焦距，L為最大距離。
根據本發明一或多個實施例，上述發光二極體模組之發光全角的出射光通過焦平面之交點，與透鏡之物主平面與光軸之交點連成一假想線。此假想線與光軸間具有半交錯角。此半交錯角、透鏡的焦距、最大距離、焦平面與發光二極體模組之間的距離以及發光二極體模組之發光半角實質上滿足：2FLtanθ=L+2dtanθL，其中θ為半交錯角、θL為發光二極體模組之發光半角、d為焦平面與發光二極體模組之間的距離。
根據本發明一或多個實施例，上述焦平面與發光二極體模組之間的距離小於或等於五分之一透鏡之焦距。
根據本發明一或多個實施例，上述焦平面與發光二極體模組之間的距離滿足：(2FLtanθ-L)/2tan65°≦d≦(2FLtanθ-L)/2tan55°。
根據本發明一或多個實施例，上述發光二極體模組之發光半角介於約55度至約65度之間。
根據本發明一或多個實施例，上述半交錯角約為20度。
根據本發明一或多個實施例，上述透鏡之焦距範圍介於約44.5毫米與約57.5毫米之間。
根據本發明一或多個實施例，上述透鏡之數值孔徑(Numerical Aperture,NA)介於約0.5至約0.55之間。
根據本發明一或多個實施例，其中沿著透鏡之光軸的方向，上述發光二極體模組之光線經由透鏡投射出去並照射至一投影面後，透鏡之光軸與投影面之相交處之光強度小於或等於1700燭光。
根據本發明一或多個實施例，其中沿著透鏡之光軸的方向，發光二極體模組之光線經由透鏡投射出去並照射至一投影面後，透鏡之光軸與投影面之相交處之光強度大於或等於5100燭光。
根據本發明一或多個實施例，在上述投影面上，發光二極體模組經由透鏡投射之光線具有截止線。截止線與水平線之間具有傾斜角，此傾斜角為15度。
根據本發明一或多個實施例，發光二極體車頭燈包含透鏡、散熱座、至少一發光二極體模組以及遮光板。透鏡 具有焦距以及焦平面，其中焦平面通過透鏡之焦點並垂直於透鏡之光軸。散熱座位於光軸之方向上且散熱座與透鏡間之距離大於焦點與透鏡之距離。發光二極體模組位於光軸之方向上且設置於散熱座上，且發光二極體模組與透鏡間之距離大於焦點與透鏡間之距離。遮光板位於焦平面上，且遮光板選擇性地遮擋部分之發光二極體模組的光線。發光二極體模組之發光全角的出射光通過焦平面之交點，且與透鏡之物主平面與光軸之交點連成一假想線，此假想線與光軸間具有半交錯角。焦平面與發光二極體模組之間的距離滿足：(2FLtanθ-L)/2tan65°≦d≦(2FLtanθ-L)/2tan55°，其中FL為透鏡之焦距、θ為半交錯角、d為焦平面與發光二極體模組之間的距離，L為發光二極體模組的發光面之某兩點間的最大距離。
綜上所述，本發明一或多個實施例之發光二極體車頭燈採用發光二極體模組作為發光源，能量消耗較低。此外，發光二極體模組之發光面面向透鏡，因此不需要藉由反射杯反射光線，可更進一步縮小發光二極體車頭燈的體積。
100‧‧‧發光二極體車頭燈
110‧‧‧發光二極體模組
112‧‧‧發光面
120‧‧‧散熱座
130‧‧‧透鏡
140‧‧‧遮光板
1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、4L、4R、5L、5R、6L、6R、14L、14R、15L、15R、B50L、BR、75R、75L、50L、50R、50V、25L、25R‧‧‧測試點
DPR、DHL、DLL、d’、d‧‧‧距離
f‧‧‧焦點
FL‧‧‧焦距
FP‧‧‧焦平面
PP‧‧‧主平面
RP‧‧‧投影面
OA‧‧‧光軸
L‧‧‧最大距離
CL‧‧‧截止線
HL‧‧‧水平線
VL‧‧‧垂直線
θ‧‧‧半交錯角
θL‧‧‧發光半角
θi‧‧‧傾斜角
S1、S2‧‧‧光型
A1、A2‧‧‧交點
B‧‧‧假想線
第1圖為本發明一實施例之發光二極體車頭燈的立體圖。
第2圖為第1圖之側視概略圖。
第3圖為本發明一實施例之發光二極體車頭燈之零件位置關係圖。
第4圖為本發明一實施例之發光二極體車頭燈的光型圖。
第5圖為本發明另一實施例之發光二極體車頭燈的光型圖。
以下將以圖式揭露本發明之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。
關於本文中所使用的用詞『實質上(substantially)』、『大約(around)』、『約(about)』或『近乎(approximately)』應大體上意味在給定值或範圍的百分之二十以內，較佳係在百分之十以內，而更佳地則是百分五之以內。文中若無明確說明，其所提及的數值皆視作為近似值，即如『實質上』、『大約』、『約』或『近乎』所表示的誤差或範圍。
下述實施例係揭露一種發光二極體車頭燈，由於發光二極體模組發出之光線可直接朝向發光二極體車頭燈的透鏡發射，因此下述實施例中的發光二極體車頭燈可以省去反射杯的結構，使得整個發光二極體車頭燈之體積縮小。
第1圖為本發明一實施例之發光二極體車頭燈100的立體圖，第2圖為第1圖之側視概略圖，其中第2圖係簡單繪示第1圖之各個構件的外形，並未按照實際比例或形狀繪示。如圖所示，發光二極體車頭燈100包含至少一發光二極體 模組110、散熱座120、透鏡130以及遮光板140。透鏡130具有光軸OA、焦距FL、焦點f、焦平面FP以及物主平面PP，其中焦距FL為透鏡130之物主平面PP與透鏡130之焦點f之間的距離，而焦平面FP係通過透鏡130之焦點f且垂直於透鏡130之光軸OA。散熱座120設置於光軸OA之方向上，並且散熱座120與透鏡130之間的距離DHL大於焦點f與透鏡130之間的距離d’。發光二極體模組110設置於光軸OA之方向上，且發光二極體模組110設置於散熱座120上。發光二極體模組110與透鏡130之間的距離DLL大於焦點f與透鏡130之間的距離d’，且在本實施例中，若由垂直散熱座120之方向觀之，發光二極體模組110具有發光面112。遮光板140位於焦平面FP上，且遮光板140可選擇性地遮擋住部分之發光二極體模組110的光線。當遮光板140遮擋住發光二極體模組110的光線時，發光二極體車頭燈100發出之光線照射至一投影面(如地面)後可具有截止線。截止線為發光二極體車頭燈100之光線照射出去後明處與暗處的交界，可避免發光二極體車頭燈100發出之光線對用路人造成眩光之危害。
如此一來，由第1圖與第2圖之可知，發光二極體模組110由發光面112發出之光線因為具有較為集中之特性，所以發光二極體模組110之發光面112可直接面對透鏡130，而不需要在發光二極體車頭燈100內加裝反射或聚集光線之零件(如反射杯)。因此，本實施例之發光二極體車頭燈100的體積可相應的減少，以符合未來市場之趨勢。
第3圖為本發明一實施例之發光二極體車頭燈100之零件位置關係圖，其中第3圖係省略繪示第1圖與第2圖中的遮光板140。請一併參考第1圖至第3圖，發光二極體模組110之發光面112上某兩點間可具有最大距離L。在本實施例中，最大距離L可為發光二極體模組110之發光面112上相對兩端點之間的距離，並且最大距離L與透鏡130的焦距FL實質上滿足：0.0351FL≦L≦0.7279FL。如此一來，發光二極體車頭燈100發出的光線亮度才可符合法規的要求，例如歐盟的歐洲經濟委員會(Economic Commission for Europe,ECE)之法規規範。
舉例而言，第4圖為本發明一實施例之發光二極體車頭燈100的光型圖。如圖所示，在本實施例中，發光二極體模組110之發光面112發出的光線經由透鏡130投射出去，並經過距離DPR而照射至投影面RP後，在投影面RP的光型S1可如第4圖所示，近似為一半圓形。在具體應用時，若發光二極體模組110具有一圓形發光面，以33伏特、450毫安培點亮，並且距離DPR為25公尺，則投影面RP上不同的測試點的光強度以及歐盟ECE對於機車之近光燈的光強度規範可如「表格一」所示，其中測試點7大略為透鏡130之光軸OA與投影面RP相交處之位置。
由「表格一」可知，本實施例之發光二極體車頭燈100發出之光線照射至25公尺遠的投影面RP後，可符合歐盟ECE對於機車之近光燈的光強度規範。
第5圖為本發明另一實施例之發光二極體車頭燈100的光型圖。如圖所示，本實施例與第4圖之實施例不同的地方在於，發光二極體模組110經由透鏡130投射在投影面RP上的光型S2具有截止線CL。截止線CL為發光二極體車頭燈100之光線照射出去後明處與暗處的交界，其可由遮光板140(參考第1圖與第2圖)所形成。在第5圖的實施例中，投影面RP上以水平線HL與垂直線VL劃分為四個象限，截止線CL位於第一象限中，且截止線CL與水平線HL之間可具有傾斜角θi，可避免發光二極體車頭燈100發出之光線對用路人造成眩光等危害。在具體應用時，截止線CL與水平線HL之間的傾斜角θi可約為15度，但本發明不以此為限。
接著，請一併參考「表格二」以及第5圖。「表格二」為歐盟ECE在投影面RP上不同的測試點中，對於汽車之近光燈的光強度規範，以及本案之發光二極體車頭燈100在各個測試點之光強度的測試結果。在「表格二」中，本實施例之發光二極體車頭燈100以35伏特、1安培點亮，並且投影面RP與透鏡130之間的距離DPR為25公尺，其中測試點50V大略為透鏡之光軸與投影面之相交處的位置。
由「表格二」可知，本實施例之發光二極體車頭燈100發出之光線照射至25公尺遠的投影面RP後，可符合歐盟ECE對於汽車之近光燈的光強度規範。
接著，請回到第3圖。在一實施例中，發光二極體模組110之發光全角2θL的出射光與焦平面FP相交於交點A1，透鏡130之物主平面PP與光軸OA相交於交點A2，交點A1與A2可連成假想線B。如第3圖所示，此假想線B與光軸OA之間的交錯角為2θ(即假想線B與光軸OA之間所夾的角度)。因此，假想線B與光軸OA之間的半交錯角為θ。此外，若焦平面FP與發光二極體模組110之間的距離為d，發光二極體模組110之發光半角(即發光二極體模組110之半峰全寬的1/2角度)為θL。則透鏡130的焦距FL，發光二極體模組110之發光面112上某兩點的最大距離L，發光二極體模組110之發光半角θL以及半交錯角θ實質上滿足：2FLtanθ=L+2dtanθL (1)。上述關係式(1)可藉由第3圖中焦平面FP兩側的三角形之共邊而得到。如第3圖所示，FLtanθ=L/2+dtanθL，藉由等號兩邊同乘兩倍可得到2FLtanθ=L+2dtanθL。如此一來，藉由關係式(1)之關係，可設計出符合法規要求的發光二極體車頭燈100。
請繼續參考第3圖。在一實施例中，焦平面FP與發光二極體模組110之間的距離d實質上滿足：0≦d≦FL/5 (2)。 若將關係式(2)的上限與下限代入關係式(1)中，即可分別得到L=2FLtanθ以及L=2FLtanθ-(2FL/5)tanθL。此時，發光二極體模組110之發光面112上某兩點之間的最大距離L實質上滿足：2FLtanθ-(2FL/5)tanθL≦L≦2FLtanθ (3)。
如此一來，藉由關係式(3)，發光二極體模組110之發光面112上某兩點之間的最大距離L只需藉由透鏡130之焦距FL以及半交錯角θ、發光半角θL決定，藉以簡化發光二極體車頭燈100的設計過程，同時又能製造出符合法規要求的發光二極體車頭燈100。此外，發光二極體模組110與焦平面FP之間的距離d≦FL/5，因此可縮小整個發光二極體車頭燈100的體積。
更具體而言，在一實施例中，發光二極體模組110符合藍氏反射體(Lambertian reflectance)的特性，其發光半角θL介於約55度至約65度之間。更詳細而言，發光二極體模組110之發光半角θL可約為60度，因此可以得到tanθL約等於1.732。此外，為了符合歐盟ECE之法規要求，半交錯角θ可約為20度，因此可得到tanθ約等於0.364。此時，若將tanθL等於1.732以及tanθ等於0.364代入關係式(3)，即可得到0.0351FL≦L≦0.7279FL。
在上述實施方式中，限定發光二極體模組110與焦平面FP之間的距離d≦FL/5。然而，如果發光二極體光源模組110位於透鏡130之焦平面FP上時(即d=0)，容易導致發光二極體光源模組110中微小的發光二極體晶片被清楚的成像，造 成光型品味不佳。因此，在本發明之又一實施方式中，焦平面FP與發光二極體模組110之間的距離d可滿足以下關係式：(2FLtanθ-L)/2tan65°≦d≦(2FLtanθ-L)/2tan55° (4)。
更詳細而言，在上述之關係式(1)中可以得到tanθL=(2FLtanθ-L)/2d。因此，發光二極體模組110之發光半角θL可滿足以下關係式：θL=tan-1[(2FLtanθ-L)/2d] (5)。若發光二極體模組110符合藍氏反射體(Lambertian reflectance)的特性，則發光二極體模組110之發光半角θL介於約55度至約65度之間，因此若將發光半角θL為55度(55°)以及65度(65°)分別代入關係式(5)，可以得到55°≦tan-1[(2FLtanθ-L)/2d]≦65°。即tan55°≦(2FLtanθ-L)/2d≦tan65°，因此可得到關係式(4)。由關係式(4)中的限制，可以避免發光二極體模組110太過接近或位於透鏡130之焦平面FP上，而產生光型品位不佳的問題。
更具體而言，請參考第3圖，在關係式(4)中，半交錯角θ與發光二極體模組110之發光半角θL相關。因此，由關係式(4)可知，藉由透鏡焦距FL、發光二極體模組110之發光面112尺寸(即發光面112上某兩點的最大距離L)以及發光二極體模組110之藍氏反射體(Lambertian reflectance)的特性，就可以定義出一個發光二極體模組110之離焦範圍(即焦平面FP與發光二極體模組110之間的距離d)，使得本實施方式可以在透鏡130不做表面處理的情況下，發出較為寬廣柔和的光型。
在產品實際應用時，透鏡130之焦距FL範圍可介於44.5毫米與約57.5毫米之間，透鏡130之數值孔徑(Numerical Aperture,NA)介於約0.5至約0.55之間。如此一來，上述一或多個實施例所揭露的發光二極體車頭燈100，因為採用發光二極體模組110作為發光源，因此能量消耗較低。此外，上述一或多個實施例所揭露的發光二極體車頭燈100不需加上傳統的反射杯即可達到車輛(機車或汽車)照明規範的要求，體機較小而有利於空間利用，符合未來市場發展的趨勢。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧發光二極體車頭燈
110‧‧‧發光二極體模組
120‧‧‧散熱座
130‧‧‧透鏡
140‧‧‧遮光板

Claims (13)

  1. 一種發光二極體車頭燈，包含：一透鏡，具有一焦距以及一焦平面，其中該焦平面通過該透鏡之一焦點並垂直於該透鏡之一光軸；一散熱座，位於該光軸之方向上且與該散熱座與該透鏡之距離大於該焦點與該透鏡之距離；至少一發光二極體模組，位於該光軸之方向上且設置於該散熱座上，該發光二極體模組與該透鏡之距離大於該焦點與該透鏡之距離，該發光二極體模組之發光全角的出射光通過該焦平面之交點，與該透鏡之一物主平面與該光軸之交點連成一假想線，該假想線與該光軸間具有一半交錯角；以及一遮光板，位於該焦平面上，選擇性地遮擋部分之該發光二極體模組之光線；其中，該發光二極體模組具有一發光面，該發光面之某兩點間具有一最大距離，該最大距離、該透鏡的焦距、該半交錯角以及該發光二極體模組之發光半角實質上滿足：2FLtanθ-(2FL/5)tanθL≦L≦2FLtanθ；其中FL為該透鏡之該焦距，L為該最大距離，θ為該半交錯角，θL為該發光二極體模組之發光半角。
  2. 如請求項1所述之發光二極體車頭燈，其中該半交錯角、該透鏡的該焦距、該最大距離、該焦平面與該發光二極體模組之間的距離以及該發光二極體模組之發光半角實質上滿足：2FLtanθ=L+2dtanθL； 其中θ為該半交錯角、θL為該發光二極體模組之發光半角、d為該焦平面與該發光二極體模組之間的距離。
  3. 如請求項2所述之發光二極體車頭燈，其中該焦平面與該發光二極體模組之間的距離小於或等於五分之一該透鏡之該焦距。
  4. 如請求項2所述之發光二極體車頭燈，其中該焦平面與該發光二極體模組之間的距離滿足：(2FLtanθ-L)/2tan65°≦d≦(2FLtanθ-L)/2tan55°。
  5. 如請求項2所述之發光二極體車頭燈，其中該發光二極體模組之發光半角介於55度至65度之間。
  6. 如請求項2所述之發光二極體車頭燈，其中該半交錯角為20度。
  7. 如請求項1所述之發光二極體車頭燈，其中該透鏡之焦距範圍介於44.5毫米與57.5毫米之間。
  8. 如請求項1所述之發光二極體車頭燈，其中該透鏡之數值孔徑(Numerical Aperture,NA)介於0.5至0.55之間。
  9. 如請求項1所述之發光二極體車頭燈，其中沿著該透鏡之該光軸的方向，該發光二極體模組之光線經由該透鏡投射出去並照射至一投影面後，該透鏡之該光軸與該投影面之相交處之光強度小於或等於1700燭光。
  10. 如請求項1所述之發光二極體車頭燈，其中沿著該透鏡之該光軸的方向，該發光二極體模組之光線經由該透鏡投射出去並照射至一投影面後，該透鏡之該光軸與該投影面之相交處之光強度大於或等於5100燭光。
  11. 如請求項10所述之發光二極體車頭燈，其中在該投影面上，該發光二極體模組經由該透鏡投射之光線具有一截止線，該截止線與一水平線之間具有一傾斜角，該傾斜角為15度。
  12. 如請求項1所述之發光二極體車頭燈，其中該發光二極體模組之發光半角為60度，該半交錯角為20度，該最大距離以及該透鏡的焦距實質上滿足：0.0351FL≦L≦0.7279FL其中FL為該透鏡之該焦距，L為該最大距離。
  13. 一種發光二極體車頭燈，包含：一透鏡，具有一焦距以及一焦平面，其中該焦平面通過該透鏡之一焦點並垂直於該透鏡之一光軸； 一散熱座，位於該光軸之方向上且該散熱座與該透鏡之距離大於該焦點與該透鏡之距離；至少一發光二極體模組，位於該光軸之方向上且設置於該散熱座上，該發光二極體模組與該透鏡之距離大於該焦點與該透鏡之距離；以及一遮光板，位於該焦平面上，選擇性地遮擋部分之該發光二極體模組之光線；其中該發光二極體模組之發光全角的出射光通過該焦平面之交點，與該透鏡之一物主平面與該光軸之交點連成一假想線，該假想線與該光軸間具有一半交錯角；其中，該焦平面與該發光二極體模組之間的距離滿足：(2FLtanθ-L)/2tan65°≦d≦(2FLtanθ-L)/2tan55°，其中FL為該透鏡之該焦距、θ為該半交錯角、d為該焦平面與該發光二極體模組之間的距離，L為該發光二極體模組的一發光面之某兩點間的一最大距離。
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