多端口高亮度集中式照明系统 本发明涉及能够在多个输出端口产生光输出的高亮度集中式照明系统。更具体地说，本发明涉及这样一种照明系统，它以对称方式向多个输出端口提供光输出，从而在所有的这些端口光输出基本是相同的，并且该光输出允许改进与光导纤维耦合的敛集率特性。
高亮度集中式照明系统已经用于各种需要具有中心光源和多个远处位置的照明场合，中心光源经过光导纤维或光导管照亮所述多个远处位置。这种集中式照明系统的一个例子可以在美国专利第4,958,263号中找到，该专利于1990年9月18日授予Davenport等人，并转让给本发明的相同的受让人。在该专利中，提供的光源具有中心椭圆形弧光灯管，并且在上面形成了多个延伸的管形延伸部分。每个延伸的管部分通过光导纤维与车辆周围的不同位置相连，提供例如向前照明、尾灯和头灯所需的照明。已经发现这种结构的各个管形延伸部分的光输出的一致性差。此外还发现为了在所要求的位置提供必需的亮度，需要直径大约为10mm或10mm以上的光导纤维。对这么大的光导纤维来说，除了价格比较昂贵以外，为了安放在车体中操纵和转动光导纤维也是比较困难的。采用集中式光源和光导纤维以便提供车辆中地向前照明的一个例子可以在美国专利第5,278,731号中找到，该专利于1994年1月11日授予Davenport等人，并转让给本发明的相同的受让人。在该专利中，除了V形镜将从光导纤维的端部输出的光分散到反光器表面，以便通过透镜部件传输以外，一条单根的光导纤维被引入基本常规的汽车反光器组件。在这一专利的结构中，假定光导纤维的直径是10mm，产生的光束具有大约5度的垂直散布。5度的垂直散布超过4度向右、4度向下的SAE测试点，并且进一步呈现过度的前景照明。因此需要为汽车应用提供集中式光源，它将允许采用较小直径的光导纤维，并将得到散布特性适当的光束图案。
提供用于汽车的集中式光源需要进一步解决的问题是从车辆的左侧和右侧看起来光输出应是一致的。提供在车辆的左侧和右侧基本一致的可见光输出的集中式光源的一个例子可以在美国专利第5,222,793号中找到，该专利于1993年6月29日授予Davenport等人，并转让给本发明的相同的受让人。在该专利中，为了从单一的光源得到多条光束输出，采用分光式反光器结构提供两个光输出，以相互并排接触的方式在一特定长度放置光导纤维，然后将光分开分散到车辆的两侧。虽然第5,222,793号专利在从单一光源得到多条光束输出方面是有效的，但是制造分光式反光器需要精确的机加工，并且由于光导纤维相互接触，所以在接触的光导纤维之间有时会遇到漏光问题。
从单一的集中式光源提供多个光输出所遇到的再一个问题是在采用的多条光导纤维之间得到最佳的敛集率。换句话说，通过将来自单一光源的光照射到捆扎在一起的多条光导纤维的输入面，在光导纤维之间会形成空间，这将导致照射到光导纤维上的光损失。与光导纤维输入相关的表面积被照射到光导纤维上的光输出的面积来除，所得的量定义为敛集率，并且希望这一值尽可能地大。事实上，还希望光源提供一种光输出，在到达光导纤维输入面之前分成单独的光点，并以低成本的方式提供这些单独的光点，即不需要采用以严格的容限制造的复杂的反光设备。
本发明提供具有多个端口输出的集中式光源系统，其中在每个端口的每个光输出与其它端口的所有其它光输出基本相同。此外，本发明提供了这样一种多个端口光输出结构，提供多点光输出不需要昂贵的反光器结构，本发明还以这样一种方式提供了多点光输出，从而基本避免了与多条光导纤维输入面的敛集率有关的问题。
根据本发明的原理，提供了一种具有将光线分配给多个远处位置的多个输出的集中式照明系统。该照明系统包括高亮度光源，它置于以抛物面形式构成的反光部件的光聚焦点上。光源和抛物面反光器结构有效地以基本平行的光束形式向外传播光线。多个透镜部件的每一个具有接收来自光源和反光部件的光输出的第一表面，还具有与之相关的各个第二曲面。透镜部件的第二表面有效地将来自光源和反光器部件的光线聚焦成各个被聚焦的光输出。多条光导纤维接收被聚焦的光输出，并有效地将该光输出传播给远处位置。多个透镜部件沿着相对于反光部件形成的半径方向，但以与反光部件隔开的方式等距离地放置，透镜部件以这种方式有效地向光导纤维的输入面提供多个光输出点，就颜色和强度而言，多个光输出点相互之间是基本一致的。
在以下详细的描述中，将参考附图，其中：
图1是根据本发明构成的集中式照明系统的正视图。
图2是根据本发明的另一个实施例构成的第二集中式照明系统的正视图。
图3是根据本发明的再一个实施例构成的第三集中式照明系统的正视图。
图4是根据本发明的第四个实施例构成的第四集中式照明系统的正视图。
图5是根据将本发明应用到汽车头灯上构成的反光器/透镜配置的输出部分的正视图。
图6是根据将本发明应用到彩色光导纤维装置的第二个应用实例构成的反光器/透镜配置的输出部分的正视图。
图7是根据本发明和将本发明应用到汽车照明上构成的集中式照明系统的正视图。
如图1所示，集中式照明系统10包括高亮度光源12， 在该最佳实施例中，高亮度光源12可以借助于美国专利第5,239,230号中所描述的氙金属囟化物灯提供，该专利于1993年8月24日授予Mathews等人，并转让给本发明的相同的受让人。当然，可以理解其它光源也能用于本发明，例如钨丝囟素白炽灯光源，或者其它金属囟化物或其它放电光源。
光源12置于以抛物面形式构成的反光部件14的光聚焦点。来自光源12、反光部件14配置的光输出射向多个透镜部件16、18的一个表面。虽然图中只示出了两个透镜部件16、18，但是在达到本发明的结果方面，任何多个透镜部件都是有效的。事实上，如以后将要更详细地描述的图5和6所示，可以有另外的一对透镜部件和后面的光导纤维。透镜部件16、18最好是非球面透镜，以便得到高性能。例如，透镜部件16、18分别具有是平面的第一表面16a、18a，以及是曲面的第二表面16b、18b。如图1所示，首先在曲面16b、18b上接收来自光源12、反光部件14配置的光输出，并通过透镜部件16、18聚焦，以便从各个第一表面16a、18a作为被聚焦的、空间分开的光点输出。
然后在各个复合抛物面收集器(CPC)的输入面接收来自透镜部件16、18的光输出，通过捕捉通常会在光导纤维的输入面区域外聚焦的光线，或通过使得能够采用具有高NA率的较小的光导纤维的角/面积转换，复合抛物面收集器对于更好地收集光线是有效的。应注意的是NA率是指照射在光导纤维的输入面区域上的多大的入射角的光线可以通过光导纤维传输。NA率越高，越大的入射角的光线可以通过光导纤维传输。如图1所示，相互平行非接触地放置一对光导纤维22。光导纤维22接收通过CPC20输入的光线，并将光线射向所要求的远处位置(未示出)。应理解通过将来自透镜部件16、18的光输出聚焦成空间分开的光点，可以避免通常在将单一集中式光源发出的光线传输到多个光导纤维时会遇到的敛集率问题。一般情况下，当单一光源与椭圆形反光器结合使用时，第二光聚焦点上的光输出传输到在第二光聚焦点的区域扎成束的光导纤维，以便接收光线。当采用不可压缩的光导纤维时，在光导纤维之间将存在空间，打到这些空间上的光就浪费了。此外，将光导纤维捆扎在一个紧凑的区域中，纤维相互之间接触，因此可以在它们之间引起漏光问题。通过空间分开的光点，而这些光点的构形可以与光导纤维的输入面基本一致，本发明能够避免与捆扎在一起的光导纤维组相关的光损失。同样，通过提供空间分开的光点，光导纤维可以相互非接触地放置，消除了有时与相互接触地放置光导纤维相关的漏光问题。
如图2所示，提供了另一个照明系统，该系统利用如图1所示的相同的光源12、反光部件14配置。然而，图2的照明系统包括一个旋转镜24，它以一个角度，例如如图2所示是90度，有效地引导来自光源12、反光部件14配置的光输出。从旋转镜24反射的光照射到透镜部件16、18的第一表面16a、18a。透镜部件16、18有效地将光线聚焦成类似于结合图1所描述的空间分开的光点。这些空间分开的光点从透镜部件的各个曲面16b、18b输出，并照射到光导纤维22的输入面，光导纤维22没有图1所示的CPC。图2所示的照明系统的进一步的优点是可以将旋转镜24用于排除IR的目的，这就是说，可以构造旋转镜24，使IR辐射通过，而不是将这种辐射反射到透镜部件16、18和光导纤维22。此外，由于使用了旋转镜24，就有可能将图2所示的照明系统包装在一个更紧凑的外壳中。
对图1和2所示的照明系统而言，光导纤维平行放置，它们的各个输出端朝着相同的方向。希望通过提供在相互不同方向延伸的光输出得到与图1和2效果相同的照明系统。图3和4的照明系统就是这样的结构。在图3的照明系统中，V形镜26放置在透镜部件16、18和光导纤维22的输入面之间。以这种方式，来自光导纤维22的各个输出端的光输出可以按截然不同的方向传播，例如图3所示的相反的朝向。可以理解通过改变V形镜26的各个镜部件的角度，就能够改变光导纤维的输出面相互之间的角度。一个更简单的以相反方向传播光线的途径示于图4，其中透镜部件16、18和V形镜26被轴偏离的抛物面28所取代。
如图5所示，图1和2的照明系统可以包括透镜部件16、18、30和32阵列，该阵列能够有效地提供照射到四个不同的光导纤维22上的四个空间分开的光点。从该图中可以看出，透镜部件16、18、30和32是以相互接触的方式排列的，即每个透镜部件的至少一侧与任何相邻透镜部件的至少相应的一侧接触。还应进一步注意的是，透镜部件16、18、30和32沿着从反光部件14的中心延伸的半径方向等距离地放置。当然，如图1和2所示，透镜部件16、18、30和32实际上并不位于反光部件14的上面，而是与反光部件14隔开的。通过占据从反光部件14的中点来看是等距离的各个空间，可以得到光点颜色和强度的一致性。如果沿着从反光部件14的中心延伸的半径方向以不同距离地放置透镜部件，那么照射到透镜部件的输入面的光的颜色和强度就会改变。还应注意的是，虽然该图中只示出了四个透镜部件，但是采用任何数目的透镜部件都是可以的，只要它们如上所述等距离地放置。
在应用图5的照明系统时，可以控制任何透镜部件的输出。如图中所示，借助于具有控制臂36的控制单元34，仅透镜部件30受到控制。启动控制单元34引起控制臂36移动，或者进入阻挡位置，在该位置阻止光线从透镜部件30传播到与其相关的光导纤维22，或者如图所示进入非阻挡位置。采用这种类型的控制结构的一个例子是汽车向前照明，与透镜部件16、18和32相关的三个非受控光输出等同于低光束头灯，而来自透镜部件30的另外的光输出将形成高光束照明。采用在现有技术中已知的常规的接通—关断开关配置，可以启动这种汽车照明系统的控制单元34。
多端口照明系统的另一个应用实例如图6所示，其中与透镜部件16、18、30和32相关的四个输出端口位于它们的上面，彩色轮装置38包括四个单独的、不同的滤色片，当每个滤色片位于任何透镜部件的输出上时，将导致照射到相关的光导纤维上的光线颜色的改变。可以控制彩色轮38的运动，因此可以改变各个光导纤维输出面上的颜色。这种变色光输出可用于舞台和演播室照明，以及商品展示照明。
图7表示多端口照明系统42在汽车上的应用，照明系统42包括光源12、反光部件14、透镜部件16、18、30和32，可能的话还包括CPC20。四端口光源42的光输出通过四条光导纤维22传播到右和左头灯组件44。光导纤维22的输出借助于V形镜48照射到曲面反光器50。光线从曲面反光器50经过透镜盖46向前照射，以所要求的光束图案散布在路面上。例如，每条光导纤维22的直径可以大约为7mm，因此每个头灯组件44有两条光导纤维，输入面的总输入面积和光通亮强度将与10mm的光导纤维相同。通过利用两条直径较小的纤维，图7的照明系统可以提供垂直散布减小到3.5度的光束图案，它在4度向右、4度向下的SAE测试点所要求的界限以内。
虽然以上描述了本发明的最佳实施例，但是应懂得，在不脱离本发明和所附权利要求书的范围的前提下可以作各种修改。例如，可以将图1中的透镜部件16、18与CPC部件20结合成一个单一部件，由此取消两个反光面16a、18a和CPC输入面。取消这两个反光面将使得通过光导纤维22传播的光线提高8％。适当的介质材料可以插在组合的透镜/CPC结构的透镜和CPC之间。