具有改進光束色品的汽車頭燈的製作方法

2023-09-19 14:38:55 1

專利名稱：具有改進光束色品的汽車頭燈的製作方法
相關申請的交叉引用本申請涉及2002年5月13日提交的系列號為no.10/063791並且於2003年10月9日作為US 2003/0189838公開的美國專利申請，該申請要求2002年4月5日提交的美國臨時專利申請No.60/370790的權益。這兩個申請都通過引用而結合到本申請中，所述結合是法律所允許的。
背景技術：
本申請涉及可在燈中，尤其是汽車頭燈中使用的透鏡，該透鏡引起光源光束的色品頻移。
汽車頭燈是高度受控的產品，必須滿足SAE性能標準(SAE J1383)才能銷售。為了滿足標準，燈泡(即光源)/透鏡的組合必須發射「白」顏色並以均勻方式提供足量的光輸出(通常通過總光通量「等坎德拉」和「最大坎德拉」點強度測試進行表徵)。如同在SAE J 578標準中所述，已經定義了有關白光束顏色的規格。白光束顏色被定義成CIE 1931色品圖中的顏色空間的一小部分。顏色空間的該允許部分由從CIE1931x和y色坐標引出的藍色、黃色、綠色、紫色和紅色邊界限定。市售頭燈採用不同類型的燈泡，但通常採用「自然」著色的透鏡或者略微有色的透鏡。一般而言，這些透鏡外觀透明，但可能顯示出極其微弱的藍色或黃色色輝。市場上最常見的燈泡是滷素燈泡。在過去一些年裡，出現了高性能的燈泡。這些常常稱作HID(「高強度放電」)的新型燈泡實際是氙燈。本領域技術人員知道，氙燈泡的能譜分布和滷素燈泡的不同。例如，氙燈泡在更低波長，尤其是在和長UV線到紫色/藍綠色相對應的300-500nm範圍，發射更多能量。結果，和滷素燈泡相比，HID發射的光更藍，而滷素燈泡因而顯得更黃。當安裝到頭燈中時，從HID/「自然」透鏡組合發射的光束看起來更白。通常人們認為更白的光束更高效，因為它在夜晚提高了道路能見度。但是，在頭燈中使用HID燈泡有兩個主要不足。第一，和滷素燈泡相比，這些高性能燈泡極其昂貴。所以，基於HID燈泡的頭燈市場佔有率有限，作為車輛的任選件，通常帶來了300-800美元/每單元的額外成本。第二，最近的研究表明這些頭燈往往導致對面駕駛員遭受很不舒服的炫光。
汽車頭燈透鏡通常由自然色或者略微有色的聚碳酸酯作為主材料製成。採用聚碳酸酯的主要原因是其玻璃轉變溫度較高、抗衝擊性好、以及在可見光範圍的極好的透明度/透光率。LexanLS-2聚碳酸酯是目前用於汽車透鏡，包括頭燈透鏡、聚光圈和尾燈透鏡，的主要材料之一。也採用其它玻璃轉變溫度高的材料，包括共聚物，但它們的自然色或者透光率有時導致頭燈發射的光束質量稍差。汽車透鏡著色領域的技術人員都知道，自然或略微有色的聚碳酸酯透鏡是通過加入少量有機著色劑(即，染料或顏料)製備的。例如，將藍色染料加入到黃色製劑中以中和顏色(即，使聚碳酸酯更加無色或者「自然」)。著色的主要缺點在於著色劑吸收導致透光率下降，即使在著色劑以ppm或更低的加載量存在於聚合物基質中也是如此。因而，大多數安裝在頭燈中的透鏡都是「自然的」或者有淡淡色輝的。

發明內容
本發明提供汽車頭燈，包括用於容納光源的外殼、光源、和外部透鏡，所述透鏡固定在外殼上並經設置使得容納在外殼中的光源發射的光從中穿過。頭燈的透鏡包括聚碳酸酯和光致發光材料。本發明的透鏡材料和光源的組合使得光束色品發生頻移以獲得更讓人滿意的照明頭燈光束，其中選擇所述光源和透鏡材料以使從光源發射的光當穿過透鏡時色品發生改變，從而使頭燈的照明光輸出的平均x色坐標為0.345-0.405。所發射光束具有SAE J578(顏色/色品)和SAE J1383(強度分布)標準定義的法定顏色和強度。發光性能也可以以如下方式進行改善減弱炫光、增加亮度或者產生能在夜間提高道路對人眼的能見度的光束。
本發明的另一方面是為透鏡提供成型的主體，該主體具有一般為凹形的外表面、一般為平的或凸形的內表面和邊緣表面。透鏡的成型主體由包含聚碳酸酯和光致發光材料的組合物形成。來自光源的白光透過透鏡，導致光致發光材料進行發射。光致發光材料的發射隨後通過在內表面上形成的凹槽或凸起射出透鏡。
另外，本發明的另一方面是提供改變汽車頭燈色品的方法。該方法包括選擇部分頭燈組件的步驟，所述組件包括光源和外殼，而所述光源具有第一色品。接下來，選擇包含聚碳酸酯、螢光染料和可能的非螢光染料的透鏡。最後，將該透鏡固定到該部分頭燈組件上，使得從光源發射的光穿過透鏡形成照明頭燈輸出，其中選擇所述透鏡的組成以改變所述第一色品，使得該照明頭燈輸出具有和所述第一色品不同的第二色品，而且所述第二色品的平均x色坐標為0.345-0.405。


圖1示出了汽車頭燈用的燈透鏡。
圖2示出了汽車頭燈的分解圖。
圖3給出了頭燈的示意圖，其中透鏡的設計特徵，比如溝槽和凸起，將來自光致發光材料的部分發射重新導向反射鏡組件。
圖4給出了頭燈的示意圖，其中反射層將朝著透鏡外部邊緣發射的光反射回透鏡。
具體實施例方式
本發明提供汽車頭燈，包括用於容納光源的外殼、光源、和外部透鏡，所述透鏡固定在外殼上並經設置使得容納在外殼中的光源發射的光從中穿過。頭燈的透鏡包括聚碳酸酯和光致發光材料。本發明的透鏡材料和光源的組合使得光束色品發生頻移，以獲得更讓人滿意的照明頭燈光束，其中選擇所述光源和透鏡材料以使從光源發射的光當穿過透鏡時色品發生改變，從而使頭燈的照明光輸出的平均x色坐標為0.345-0.405。所發射光束具有SAE J578(顏色/色品)和SAE J1383(強度分布)標準定義的法定顏色和強度。發光性能也可以以如下方式進行改善減弱炫光、增加亮度或者產生能在夜間提高道路對人眼的能見度的光束。
所述透鏡包括成型的主體，該主體具有一般為凹形的外表面、一般為平的或凸形的內表面和邊緣表面，其中所述成型主體由包含聚碳酸酯和光致發光材料的組合物形成。包括波長在該光致發光材料的激發譜以內的光的光被部分吸收和部分透射。所吸收的光至少部分(取決於該發光的量子產率)作為波長更長的光(Stokes頻移的結果)發射，並以相當大的程度傳導到透鏡的邊緣表面，從而可以在透鏡邊緣產生著色的視覺效應。在本申請的說明書和權利要求中使用的術語「相當大的程度」，是指能有效產生可觀察到的視覺效應的量。通常，光致發光發射的光的至少10％，優選至少30％，通過透鏡內部傳導到邊緣。這在聚碳酸酯透鏡和聚光圈中得以實現，因為高折射係數產生了顯著量的內反射。
汽車頭燈透鏡必須滿足各種標準。本發明的透鏡從汽車頭燈發射具有SAE J578(顏色/色品)和SAE J1383(強度分布)標準定義的法定顏色和強度的光。發光性能也可以以如下方式進行改善減弱炫光、增加亮度或者產生能在夜間提高道路對人眼的能見度的光束。就發光性能而言，採用本發明生產的頭燈可以例如是昂貴的高強度放電(HID)燈的價格便宜的替換品，同時讓駕駛員更加舒適，而且由於觀察不到HID燈的暫盲炫光效應，所以讓道路對面的車輛駕駛員也更加舒適。除了發光性能以外，頭燈也可以通過在外部透鏡上創建加強性特徵，藉此允許產品存在差異而展示出不同的美學外觀。這些特徵是通過在外部透鏡和燈泡之間產生協同作用而獲得的。本發明的透鏡由聚碳酸酯和一種或多種光致發光材料形成。本申請的說明書和權利要求所用的術語「光致發光材料」，是指任何響應外部光(太陽光、室內光和其它人造光源)提供的激發能而光致發光的物質，包括但不限於在混配操作中溶解於塑性聚合物基質中的有機化合物、有機納米顆粒染料(也稱作「納米著色劑」)和無機光致發光材料，包括納米顆粒。當物質吸收一定波長的輻射並重新發射光子時，發生光致發光，所述重新發射光子通常以不同的、更長的波長發射。當光致發光分子吸收光時，電子被激發到更高的「激發」能態。該分子隨後通過碰撞和內能轉換釋放掉部分多餘能量，回到激發態的最低振動能級。從該能級，分子可以返回到基態的任一振動能級，並以光致發光的形式發射能量。光致發光是一般性術語，包括螢光和磷光。在本發明中，光致發光材料優選是有機螢光染料，這是因為和其它類型的光致發光過程相比，和螢光相關的量子產率更高。優選，選擇螢光量子產率至少為0.7、更優選至少0.8、最優選至少0.9的有機螢光染料。通常，螢光發射是極其短暫的現象，一般持續10-4-10-9秒。
可用於本發明製品的螢光染料的具體非限制性例子是苝衍生物、蒽衍生物、靛類和硫靛類衍生物、咪唑衍生物、萘甲醯亞胺(naphtalimide)衍生物、呫噸、噻噸、香豆素、若丹明或(2，5-雙[5-叔丁基-2-苯並唑基]噻吩)，以及所有它們的衍生物和其組合。一般而言，採用極低加載量的染料，例如小於1.0％，來產生本發明所述的效應。在某些情況下，需要達到的最終目標是具有本發明的效果卻幾乎看不見顏色(例如，「透明」的水瓶)。在這些情況下，螢光染料加載量可以極其低，有時低至0.0001％。除了為產生藍色/紫色以及可能的某些綠色以外，保持「透明」外觀的螢光染料加載量通常低於0.0005重量％，例如從0.0001重量％-0.0003重量％，該加載量足以在制品邊緣產生極其容易看到的視覺效應。對於藍色/紫色情況，由於它的吸收大部分位於UV範圍，所以螢光染料加載量明顯較高。通常，在這種情況下螢光染料加載量是0.005重量％-0.5重量％，優選0.01重量％-0.2重量％，最優選0.03重量％-0.1重量％。納米著色劑可以通過各種方法製備，通常結合了染料和顏料的優點。和相應的染料分子相比，通常它們的耐光牢度顯著改善。由於其顆粒尺寸一般小於100nm，優選小於50nm，更優選小於10nm，所以它們並不散射光，這和彩色塑料中使用的大多數顏料相反。
納米著色劑可以通過各種方法製備。例如，染料分子可以通過吸附在納米粘土顆粒上(在納米粘土和染料之間形成或者不形成化學鍵)或者通過納米封裝在聚合物基質中(通常是丙烯酸聚合物)，被轉換成納米著色劑。請注意所述封裝方法通常包括乳液聚合，以形成所述染料分散在其中的球形納米顆粒聚合物。如果用來製備納米著色劑的染料分子(或者無機化合物)是發螢光的，那麼納米著色劑可以是發螢光的。可以用來形成本發明製品所用的納米著色劑的螢光染料的具體非限制性例子是苝衍生物、蒽衍生物、靛類和硫靛類衍生物、咪唑衍生物、萘甲醯亞胺衍生物、呫噸、噻噸、香豆素、若丹明或(2，5-雙[5-叔丁基-2-苯並唑基]噻吩)，以及所有它們的衍生物。無機納米顆粒雖然消光係數通常相當低，但是也可以用作納米著色劑。螢光無機納米顆粒的例子包括但不限於鑭系絡合物和螯合物(例如，銪螯合物)。請注意，部分這些無機納米著色劑可以顯示出比有機螢光著色劑大的Strokes頻移，即，發射的光的波長比激發波長大很多。
在本發明透鏡製劑中採用的螢光染料(一種或多種)可以和非螢光染料組合，以在日光照明或者當燈泡打開時(夜晚時間)改變邊緣顏色的色品。非螢光顏料可以選自但不限於下列族偶氮基染料、次甲基染料、吡唑啉酮類、喹啉並酞酮(quinophtalone)、紫環酮(perinone)、蒽醌、酞菁和所有它們的衍生物。染料的選擇應該使所用燈泡和透鏡之間的協同作用最大化。換而言之，燈泡(例如，滷素燈泡)發射的光必須通過透鏡以這樣的方式進行變換，所述變換方式使得以最大強度獲得視覺效果的所需顏色並且同時光束顏色滿足SAE要求(白色光束)。通過在燈泡和透鏡的染料之間產生協同作用，可以控制頭燈的光束強度(用坎德拉規格表示)和總光通量。另外，還可以在SAE限定的、CIE1931色品圖的允許設計空間內，對光束顏色進行定製。例如，藍色透鏡/滷素燈泡組合和「自然」透鏡相比，產生的光束更加乾淨(或者「更白」)。人眼將這個差異理解成發光性能更好。必須注意到，所述「更白」照明是氙燈泡(即，HID燈)的關鍵特徵，但是已知這些燈泡會讓道路另一側迎面而來的駕駛員遭受不舒服的炫光。藍色透鏡/滷素燈泡組合不僅僅產生極其容易看到的藍色視覺效應，而且和「自然」色透鏡/滷素燈泡相比，提供了顏色「更白」的光束，所述「更白」光束是發光性能改進的一部分。請注意，採用滷素燈泡產生的所述更白光束並不產生在使用HID燈泡時觀察到的同樣炫光效應。最終的外部透鏡/燈泡組合被設計成提供落在下列邊界以內的光束顏色，所述邊界通過CIE 1931色坐標限定，優選採用ASTM標準E308-66給出的分光光度法測量x＝0.31(藍色邊界)x＝0.50(黃色邊界)y＝0.15+0.64x(綠色邊界)y＝0.05+0.75x(紫色邊界)y＝0.44(綠色邊界)y＝0.38(紅色邊界)對汽車應用而言透鏡組合物所用的染料適當地在300℃以上，優選320℃，更優選350℃的熱穩定性。在其它應用中，可能要求或低或高的溫度，具體取決於採用該透鏡的燈的加熱性質。重要的是採用有機染料而不是顏料，尤其不是無機顏料。原因在於顏料往往散射光，因而在成型透鏡中增加了混濁度。或者在聚碳酸酯組合物中完全溶解的或者以不明顯散射光的顆粒形式分散的顏料處於極低的加載量是可以接受的。
本發明透鏡的聚碳酸酯組分包括具有式(I)的結構單元和至少為4的聚合度的組合物 其中R1是芳族有機基團。適於本發明的聚碳酸酯可以通過各種方法製備，所述方法包括界面工藝、熔融工藝、活化碳酸酯熔融工藝和固態工藝。例如，聚碳酸酯可以通過二羥基化合物的界面反應製備。優選地，R1是芳族有機基團，更優選是式(II)的基團-A1-Y1-A2- (II)其中A1和A2的每一個是單環二價芳基，Y1是具有0個、1個或2個將A1和A2分開的原子的橋連基。在示例性實施方案中，一個原子將A1和A2分開。這種類型基團的示例性的、非限制性例子是-O-、-S-、-S(O)-、-S(O2)-、-C(O)-、亞甲基、環己基-亞甲基、亞乙基(2ethylidene)、異亞丙基、新亞戊基、環亞己基、環亞十五烷基、環亞十二烷基和亞金剛烷基等。在另一實施方案中，0個原子將A1和A2分開，示例性例子是聯苯酚(OH-苯-苯-OH)。橋連基Y1可以是烴基或飽和烴基，比如亞甲基、環亞己基或者異亞丙基。
聚碳酸酯可以通過其中僅僅一個原子將A1和A2分開的二羥基化合物的反應製備。本文所用的術語「二羥基化合物」包括例如具有下列通式(III)的雙酚化合物 其中Ra和Rb每個獨立代表氫、滷素原子或者單價烴基；p和q各自獨立地是0-4的整數；和Xa表示式(IV)的基團之一
其中Rc和Rd各自獨立地代表氫原子或者單價線性或環烴基，Re是二價烴基。
合適二羥基化合物的一些示例性非限制例子包括二羥酚和二羥基取代的芳烴，比如在美國專利No.4217438中通過名字或式子(通式或具體式)公開的那些。可以用式(III)表示的雙酚化合物類型的具體例子的非窮舉性列表包括下列1，1-雙(4-羥基苯基)甲烷、1，1-雙(4-羥基苯基)乙烷、2，2-雙(4-羥基苯基)丙烷(此後稱作「雙酚A」或者「BPA」)、2，2-雙(4-羥基苯基)丁烷、2，2-雙(4-羥基苯基)辛烷、1，1-雙(4-羥基苯基)丙烷、1，1-雙(4-羥基苯基)正丁烷、雙(4-羥基苯基)苯甲烷、2，2-雙(4-羥基-1-甲基苯基)丙烷、1，1-雙(4-羥基-叔丁基苯基)丙烷、雙(羥基芳基)鏈烷烴，比如2，2-雙(4-羥基-3-溴苯基)丙烷、1，1-雙(4-羥基苯基)環戊烷、4，4」-雙酚、和雙(羥基芳基)環烷烴，比如1，1-雙(4-羥基苯基)環己烷，等等，以及含有前述雙酚化合物至少之一的組合。
還可以採用來自下列的聚碳酸酯兩種或多種不同二羥酚的聚合；或者當需要使用的是碳酸酯共聚物而不是均聚物時，二羥酚和二醇或者與羥基封端的聚酯或者酸封端的聚酯或者與二元酸或者與羥酸或者與脂肪二酸的共聚物。一般而言，有用的脂肪二酸具有大約2-大約40個碳。優選的脂肪二酸是十二烷二酸。
聚碳酸酯組分也可以包括各種通常結合到這種類型樹脂組合物中的添加劑。這種添加劑是例如填料或者強化劑、熱穩定劑、抗氧化劑、光穩定劑、增塑劑、抗靜電劑、脫模劑、其它樹脂和起泡劑。可以採用前述添加劑的任意組合。這些添加劑可以在組分混合形成組合物的過程中的適當時間進行混合。
外部透鏡通常通過混配形式的聚碳酸酯樹脂組合物的注射成型製備。聚碳酸酯製劑通常在擠出機中混配，以便適當混合該組合物。儘管可以考慮使用單螺杆擠出機，但是通常優選雙螺杆擠出機，以優化混合併降低在最終產品中形成散射粒子的可能性或者僅僅避免潛在的條紋問題，其中條紋可能源自未溶解的高熔點著色劑，比如某些苝衍生物(熔點約300℃)。雖然聚碳酸酯組合物一般而言是光穩定的而且透鏡塗覆有UV吸收塗層，但是重要的是採用將改進的耐光牢度和熱穩定性集於一身的染料。具有改進耐光牢度和高熱穩定性的螢光染料的好例子是苝衍生物，比如BASF提供的Lumogen Orange F-240、LumogenRed F-300和Lumogen Yellow F-083。
為了更好地控制在該製劑中引入極低量的染料並因而更好地控制透鏡顏色，高度推薦採用計體積給料器或者計重給料器。給料器可以或者給料聚碳酸酯樹脂粉末(優選球磨過的粉末)的濃縮物的稀釋物或者給料丸粒形式的已經混配的(擠出的)色母粒。著色劑在色母粒稀釋物或濃縮物中的加載量取決於進料器功率，尤其是進料速率。一般而言，粉末稀釋物的著色劑(即，染料)和粉末的比值在10∶1-10000∶1之間變化。染料混合物也可以以稀釋物形式使用並通過單一進料器給料，雖然這不是最優選方法。顏色控制差可能導致透鏡不適於頭燈應用，即，光束顏色或光輸出不滿足SAE標準。
人們可以製備具體和光源反應以產生彩色視覺效應同時弱化讓人不舒服的炫光的透鏡。這可以例如通過採用以以下方式包含螢光染料的透鏡而製備該方式使得產生讓人不舒服的炫光的部分藍光被頻移到人眼光譜靈敏度較低的更長波長處。例如，類似BASF LumogenYellow F-083的黃色螢光染料或者類似Lumogen Red F-300的紅色螢光染料的光譜特徵，導致將光束顏色分別朝著黃色或紅色頻移，從而使光束看起來「藍色」減弱，所以迎面而來的駕駛員看起來更舒服。視覺效應透鏡和比滷素更少見的燈泡的其它組合，可以在車輛上不僅定製美學效應而且定製發光性能。例如採用含螢光染料的透鏡和富含UV光源(例如HID燈)的組合，所述螢光染料吸收可見光範圍以外的波長(例如，低於380nm)並以可見光重新發射。這可以理解成和自然透鏡發射相比增加了光束的可見光強度，而且潛在允許減少必須的電壓，從而節省了一些電能。另外，可以將非光致發光染料加到聚碳酸酯組合物中，以進一步使光源的色品發生頻移，獲得照明頭燈光束的所需色品。
採用本發明，光源的光束色品可以發生頻移。在為了獲得SAE要求限定的法定顏色或者非法定顏色的燈照明光束輸出而確定採用那種光源時，可以選擇染料組合物(即，光致發光和非光致發光)。應該注意到，大多數歐洲國家，以及比如日本和中國等的國家，並不要求頭燈滿足SAE要求。因此，本發明並不僅僅限於SAE標準。本發明的又一實施方案是所用的光源是高強度滷光源，即滷素遠紅外反射燈泡。本實施方案的目標是照明頭燈輸出提供的x色品落在SAE要求建議的允許界限以內。
圖1給出了用於本發明頭燈的透鏡的實施方案。透鏡具有一般為凹形彎曲的外表面10，和可以是平的或者凸形的相對後表面11。透鏡在邊緣12處的總體厚度是0.5-10mm，例如3.0mm。透鏡中心部分可以比所述邊緣厚度厚或者薄，只要能保持結構完整性即可(所需厚度在某種程度上取決於透鏡的其它尺寸)，而且由於形成了切入表面的肋線13而因此可以變化。透鏡外表面的設計特徵可以是凸起或者凹坑。就凹坑而言，通常優選為V型。凸起優選具有方形頂，但是也可以是圓形頂。透鏡的整體形狀可以如所示是圓化的矩形，或者可以是圓形或者卵形或者用於特殊燈的任何其它合適形狀。例如，對於一些汽車頭燈應用而言，透鏡可以圍繞著車輛前角，即跨越車輛前表面和側表面的部件延伸。
本發明的透鏡可以或者直接固定到或者間接固定到頭燈外殼上。本發明還可以移植到頭燈透鏡以外的其它應用中，比如其中光源和可視效應外部透鏡的協同組合提供了發光性能具有可比性或者得到改進的新美學解決方案的發光裝置。
本發明的透鏡可以採用表面塗層進行處理以提高在具體應用中的實用性。例如，對於用於汽車頭燈的透鏡而言，常規方式是提供UV吸收劑表面塗層，以延長在其它情況下為UV敏感的聚碳酸酯的壽命。這種UV保護性塗層可以由含有UV穩定劑的丙烯酸基或者矽酮基聚合物製備，而且通常通過氣相沉積或者化學沉積施加。塗層通常施加到外部表面和邊緣上，但需要時可以施加到透鏡的整個外部上。本發明的透鏡還可以用於其它環境，用於例如在水池照明的環境下提供裝飾性效果。在這種情況下，要採用抗化學性塗層保護聚碳酸酯免受水池化學物質的破壞。可替換地，可以採用抗化學性聚碳酸酯製劑。圖2示出了頭燈的分解圖。頭燈具有容納反射鏡組件25的外殼22、光源26和用於和車輛電力系統相連的電連接器21。聚光圈27和透鏡23設置在外殼的外部，以使離開外殼的光穿過聚光圈和透鏡。聚光圈27和透鏡23的之一或全部可以由包括本發明光致發光材料的聚碳酸酯製備。當聚光圈和透鏡23包括有機螢光染料時，該染料可以相同，或者不同以提供二色效應。可以理解，圖2示出了一種具體的頭燈設計，實際形狀和結構可以有多種選擇。例如，聚光圈可以省略，外殼和反射鏡可以是單一部件。
儘管可以僅僅通過使光穿過透鏡來顯著改善光束色品，然而，通過主動將光致發光材料發射的部分或全部光重新導向到光源光束圖案方向，可以進一步改善光束色品。因此，本發明的另一實施方案是提供有這種功能的透鏡。例如，可以結合凹槽或者凸起以及透鏡的其它設計特徵，比如透鏡邊緣反射器，其結合方式使得光致發光發射的光被重新導向反射器組件而不是導向透鏡內部。圖3示出了根據本發明優選實施方案的頭燈的光路圖和示意圖。該頭燈包括設置在透鏡23後表面上的設計特徵，比如凹槽30和凸起32，它們使得光致發光材料發射的光從透鏡中逃逸出來射向反射鏡組件25。反射鏡組件隨後對光致發光材料發射的並且允許從透鏡逃逸的光進行反射，就好像所述光是光源26產生的那樣。光致發光材料產生的光的平均色品通常和光源26產生的光不同。因此，這種效應進一步使照明頭燈色品發生頻移。
圖3和4示出了光源26、反射鏡組件25和透鏡23以及其它。光源26產生的光在透鏡和反射鏡組件25之間用空端箭頭繪製。光源26產生的部分光入射到透鏡23裡，入射角度使其穿過透鏡指向頭燈外部。這在照明光束31中用空端箭頭表示。光在穿過透鏡23時可以和透鏡23中包含的光致發光材料相互作用。光致發光材料隨後發光，所述光或者逃逸或者在透鏡23內部傳導，具體取決於相對於透鏡表面的方向。所述光的一部分可以穿過透鏡23到達透鏡23的外面部分，並產生如圖3所示的裝飾性邊緣效應33。可替換地，光致發光材料發射的部分光經由凸起32和凹槽30從透鏡中逃逸出來射向反射鏡組件25。允許經由凹槽30和凸起32從透鏡中逃逸的光，在圖3和4中用指向下面的黑端箭頭表示。設計特徵，即凹槽30和凸起32，位於透鏡23的內部表面上。它們為光致發光材料發射的光創建了出射點，因此可以減少透鏡23中傳導的光的量。在透鏡23中由光致發光材料產生的光可以從透鏡23中逃逸出來，隨後通過反射體25和光源26的輸出光束組合在一起。在圖3和4中用向上的黑端箭頭組合空端箭頭來表示。由於光致發光材料發射的光通常具有和光源26的輸出不同的平均色品，所以這具有進一步使光源26輸出光束色品發生頻移的效應。隨後，這些反射的光致發光光的一部分穿過透鏡23，並和頭燈照明光束31相結合。
圖4示出了本發明的另一實施方案。除了圖3的透鏡設計特徵，即凸起32和凹槽30以外，圖4包括邊緣反射體34。由光致發光材料發射的光引入的邊緣效應可以通過在透鏡上採用邊緣反射體34而進一步被重新導向回透鏡23。因此，除了圖3以外，圖4的頭燈包括透鏡23中的其它設計特徵，即邊緣反射體34，它們反射至少部分通過透鏡23傳導的、到達邊緣的光。圖4示出了頭燈的簡化示意圖，其中指向外部邊緣的光被邊緣反射體34反射回透鏡中。邊緣反射體34是反射層，該反射層通常是基於白色無機顏料比如BaSO4、TiO2、ZnO或雲母的塗層。也可以採用金屬塗層(比如基於鋁、銀或其它高反射性金屬或合金的那些)。邊緣反射體24也可以由含有反射性顏料，比如TiO2、BaSO4、ZnO、雲母或者金屬顏料(包括鋁、銀或其它具有足以形成反射層的反射性的金屬和合金)，的熱塑性材料製成。反射層需要具有至少30％反射率，優選50％，更優選70％。
應該注意到，本發明的實施方案不要求在透鏡23的所有邊或整條邊上都有邊緣反射體34。邊緣反射體34可以僅僅覆蓋透鏡一條邊或多條邊的一部分。另外，邊緣反射體34可以覆蓋透鏡23的所有邊或整條邊。因此，甚至在結合使用了邊緣反射體34時，仍然可以獲得裝飾性的邊緣效應33。另外，圖3和4給出的進一步改善光束色品的方法可以針對不同情況進行應用，具體取決於所用光源的類型、所需的照明光束色品和所需的邊緣效應量。例如，汽車頭燈的設計特徵可以以使得整體光束光度學仍舊滿足SAE J1383和SAE J578標準的方式應用。
光源(或燈泡)可以分成幾類標準滷素光源、高強滷素光源(例如，滷素遠紅外反射)、高強氣體放電光源和固態源光源是分類的幾種。下節詳細描述了這些光源和它們的技術。
標準滷素燈泡滷素燈泡包括完全密封的透光燈罩，和燈罩內的鎢燈絲。在燈罩內設置有混合物。混合物包括惰性氣體、含滷化合物、和能夠吸收氧氣的化合物。當施加能量時，通過燈罩內的輻射鎢燈絲產生可見光波長範圍的光。
滷燈具有用高溫鋁矽酸鹽玻璃、石英或者其它透明材料形成的管狀透光燈罩。在燈罩內，由鉬形成的引線支撐著鎢燈絲或線圈，所述引線延伸穿過常規夾緊密封。引線可以從燈罩的相對端部延伸出來，如在雙端燈中那樣，或者從燈罩的同一端延伸出來，如同在單端燈中那樣。如果需要，鉬引線可以通過焊接、銅焊或者其它合適的方法連接到直徑相同或更大的較便宜金屬上，以提供和燈絲的電連接以及對燈的支撐。引線通過燈基座和電源電連接，以為燈施加能量。
對於頭燈或者其它需要改變燈的光輸出的應用而言，燈罩可以在其內部表面和外部表面的至少之一上塗覆濾光材料塗層。塗層從離開燈罩的光中濾出部分來自燈絲的輻射。對於「藍色」燈的情況，比如對頭燈而言，濾光器濾出部分紅光和黃光，產生更藍的外觀。遠紅外濾光器和或UV濾光器也可以採用。燈罩還可以用濾光材料摻雜。
高強滷素燈源和滷素遠紅外反射(HIR)燈源高強滷素燈源通常是雙端鎢滷素IR燈。也可以採用其它鎢滷素IR燈，包括單端燈。該燈具有用高溫鋁矽酸鹽玻璃、石英或者其它透明材料形成的管狀透光燈罩。在燈罩內，由鉬形成的引線支撐著鎢燈絲或線圈，所述引線延伸穿過常規密封。引線可以從燈罩的相對端部延伸出來，如在雙端燈中那樣，或者從燈罩的同一端延伸出來，如同在單端燈中那樣。如果需要，鉬引線可以通過焊接、銅焊或者其它合適的方法連接到直徑相同或更大的較便宜金屬上，以提供和燈絲的電連接以及對燈的支撐。引線通過燈基座和電源(未示出)電連接，以為燈施加能量。
滷素遠紅外反射(HIR)燈泡是在燈泡封殼上施加有特殊耐久遠紅外反射塗層的鎢燈絲滷素燈泡。塗層使燈泡更高效地發光以及使否則將損失的熱能聚集回到燈絲上面。這種塗層可以通過多層薄膜技術製備，它將IR波長反射回燈絲。這種反射效應允許燈絲在更高溫下操作，同時採用更少的電能。
高強度氣體放電(HID)高強度氣體放電燈包括完全密封的透光燈罩、和位於燈罩內的鎢電極。在燈罩內部設有混合物。混合物包括惰性氣體、稀有氣體、金屬鹽、尤其是稀土鹽，還可以包括汞和含滷化合物。當施加能量時，通過燈罩內的輻射氣體主體產生可見光波長範圍的光。也可以採用其它氣體放電燈。
高強度氣體放電燈具有用高溫鋁矽酸鹽玻璃、石英、陶瓷或者其它透明材料形成的管狀透光燈罩。在燈罩內，由鉬形成的引線支撐著鎢電極，所述引線延伸穿過常規密封。如果需要，鉬引線可以通過焊接、銅焊或者其它合適的方法連接到直徑相同或更大的較便宜金屬上，以提供和燈絲的電連接以及對燈的支撐。引線通過燈基座和電源電連接，以為燈施加能量。在電弧管周圍，可以安裝由高溫鋁矽酸鹽玻璃、或者其它UV阻擋性透明材料製成的UV阻擋罩。
對於頭燈或者其它需要改變燈的光輸出的應用而言，燈罩可以在其內部表面和外部表面的至少之一上塗覆濾光材料塗層。塗層從離開燈罩的光中濾出部分來自燈絲的輻射。燈罩和/或罩還可以用濾光材料摻雜。
固態光源發光二極體(LED)是不可分的離散光源單元，含有一個或多個半導體n-p結，其中在施加電壓導致電流流動時，產生可見光。也可以採用其它固態光源。
下面將參考下列非限制性實施例進一步描述本發明。
實施例1設計了下表1所示的聚碳酸酯製劑(B)-(E)(單位重量份)，以舉例說明本發明產生寬範圍透光性質的能力。採用雙螺杆擠出機在標準LexanLS-2聚碳酸酯擠出條件下執行混配步驟。在汽車照明、尤其是汽車頭燈中採用的標準聚碳酸酯產品(LEXANLS2-111)被選擇用來作為對比。根據材料技術數據表定義的標準加工條件，對每種製劑成型了具有高光澤整飾的片(尺寸10.16cm×7.62cm×3.0mm)。

表1
所用的低流動性PC樹脂是平均分子量(Mw)為29900的聚(雙酚-A碳酸酯)(在本申請中PC的所有分子量通過GPC，即凝膠滲透色譜法確定，對比純的聚碳酸酯標準物。)所用的高流動性PC樹脂是平均分子量(Mw)為21900的聚(雙酚-A碳酸酯)。熱穩定劑是三(2，4-二叔丁基苯基)亞磷酸酯。脫模劑是季戊四醇四硬脂酸酯。UV穩定劑是2-(2H-苯並三唑-2-基)-4-(1，1，3，3-四甲基丁基)苯酚。顏料藍60得自BASF(BASF Heliogen Blue K6330)。溶劑紫36得自Bayer(Bayer Macrolex Violet 3R)。OB-184(即2，5-雙(5』-叔丁基-2-苯並唑基)噻吩)得自Ciba(Ciba Uvitex OB)。
採用Gretag MacBeth 7000A分光光度計以透射模式在這些片上測量色坐標，其中選用C光源和2°觀察者。根據製造商說明書採用白色校正板對儀器進行校正。採用大視野面積和大孔隙進行測量。其它設置包括Specular Component Included(SCI)和UV部分包括(用UV板對UVD65進行校正)。MacBeth Optiview 5.2軟體記錄下數據並計算針對光源C和2°觀察者的CIE 1931(Yxy)色坐標。CIE 1931(Yxy)色坐標總結在表2中。

表2由於Y對應3.0mm厚的板的透光率，所以結果證實材料B-E的透光率覆蓋了本發明優選範圍內的很寬範圍。另外，必須注意的是從A到E，x色品值漸增性減少。該明顯的頻移說明從透明(A)到最藍色的配方(E)發生逐漸頻移。應該提到的是採用較低的著色劑加載量就獲得了最強的藍色頻移小於約0.004％的非螢光著色劑和約0.05％的有機光致發光染料。
實施例2為了測試著色透鏡在機動車輛道路使用中的可行性，測試了本發明汽車頭燈的光束顏色和光度學。如前面在說明書中解釋的那樣，汽車生產商安裝的所有汽車頭燈需要產生可接受的光束圖案並滿足頭燈顏色規定。
選擇遵循HB4(ANSI 9006)設計的、具有較低光束的四頭燈系統的頭燈，因為還可以將該光學系統應用到高流明HIR2(ANSI 9012)光源上。HB4和HIR2具有相同的光中心長度和重疊線圈盒，從燈絲成像方面看，這使得這些光源在光學上可以互換。由於較高的流明輸出，這樣的預期並不是先驗性的具有HIR2光源的頭燈通過光束圖案規定，但所得到的光束圖案預計是一級近似匹配。
頭燈是反射器光學類型，已經組裝在一起，但不是標準的透明透鏡。採用了對照透鏡和具有不同樹脂製劑的兩種透鏡製品，即透鏡A-C(見表2)。這三個透鏡用於兩種燈的光度學和顏色測量。
測量裝置由配有18.29m長的內嵌光度計頭的LMT GO-H 1200測角光度計構成。可以在從離燈泡中心3.05m距離處，將連接到CH-60精密色度計頭的輔助LMT C 1200三刺激值色度計安裝成和光度計頭成一直線。
採用兩種光源和3種透鏡的每一種，測量在針對頭燈低光束的USheadlamp regulations(49CFR571.108)中規定的每個點處的光束強度和光束顏色，除了在顏色測量時沒有包括10U-90U區域。
對於給定透鏡規定的典型操作由兩部分組成。首先，當燈位於對準光度計頭的位置時，開始讀取光束光度學。燈泡以12.8V通電。在完成了光束光度學以後(此時燈回到其初始位置)，將輔助三刺激值色度計安裝在距離頭燈中心3.05m處，採用測量光束光度學相同的程序，從燈位於其初始對準位置處開始讀取光束顏色。
電壓為12.8V時的球形光度學數據

表3汽車外部透鏡由聚碳酸酯製劑(A)-(E)模塑形成。另外，也觀察到了藍色邊緣輝光效應，這為改善的發光性能增添了美學效應。

表4光源HIR2和HB4以及透鏡材料A-E的等坎德拉測量(積分的頭燈流明)結果和來自光束光度學測試的平均光束色品(x，y)總結在表4中。如同所預計的那樣，光束強度——由積分流明所示——隨著透鏡透光率的變化而變化。採用兩種光源時，從透明透鏡到透鏡材料C，可以測量到明顯的光束顏色頻移，如x色品值的頻移所示。這清楚表明光束顏色朝著SAE J578「白光」的藍色區域頻移。在組合了HIR燈泡和由材料E成型的透鏡的頭燈中，測到了最藍的光束。但是，必須注意到，HIR2燈泡和透鏡C的組合得到的光束顏色在結束時非常接近ECERegulation 99 HID規格的邊緣，這暗示著如果在透鏡中加入設計特徵，它可以滿足確切的HID顏色空間。作為參考，在CIE 1931圖中繪製了市售HID燈泡(Philips D2S燈泡)的色品(x＝0.38+/-0.025和y＝0.39+/-0.015)。從表4可以得出結論，對於用於本試驗的透鏡/頭燈設計而言，優選下列組合配有HIR2光源和由材料D成型的透鏡的頭燈的總照明光輸出為約507流明(積分流明)，色品值x為約0.3966，y約為0.3962。
配有HIR2光源和由材料E成型的透鏡的頭燈的總照明光輸出為約453流明(積分流明)，色品值x為約0.3851，y約為0.3925。
值得一提的是，上述組合落在ECE Regulation 99HID規格以內，也落在針對大多數標準HID燈泡之一(Philips D2S)的公開規格裡。另外，配有材料E透鏡的頭燈的色品極其接近HID燈泡的例子，因此確認顏色非常相配。而且，具有這種透鏡的頭燈的光輸出預計比配有透明透鏡(A)的標準HB4(ANSI 9006)高大約10％。這個結果證實採用本發明，可以製造出能夠發射和HID頭燈的色品相匹配的光束同時提供改進的光輸出(和標準滷素系統，比如HB4/透明透鏡相比)的頭燈。必須注意的是，藍色滷素燈泡(比如Silverstar燈泡)根據其規格在12.8V電壓供電時也僅僅發射約1000流明，這和HB4相似。結果，預期這種燈泡不能產生比HB4/透明透鏡組合更好的總照明光輸出(積分流明)，所以，應該比本發明的頭燈性能差。
實施例3下述聚碳酸酯製劑(F)(請注意這和2002年5月13日提交的美國專利申請系列No10/063791的結果一致的製劑(D))用於舉例說明為外部透鏡產生寬調色板範圍的視覺效果顏色的能力。混配步驟採用的是雙螺杆擠出機，擠出條件為標準LexanLS-2聚碳酸酯擠出條件。成型每種製劑的色片(5.08cm×7.62cm×3.2mm)，採用MacBeth 7000A分光光度計選擇光源C和2度觀察者以透射模式測量色片上的色坐標。
通過混合下列物質製備聚碳酸酯樹脂組合物(F)65份平均分子量(Mw)為29900的聚(雙酚-A碳酸酯)，35份平均分子量(Mw)為21900的聚(雙酚-A碳酸酯)，0.06份三(2，4-二叔丁基苯基)亞磷酸酯、0.27份季戊四醇四硬脂酸酯、0.27份2-(2H-苯並三唑-2-基)-4-(1，1，3，3-四甲基丁基)苯酚，0.05份2，5-雙(5』-叔丁基-2-苯並唑基)噻吩(Ciba Uvitex OB)、0.0001份的C.I.顏料藍60(BASF Heliogen Blue K6330)，0.00005份C.I.溶劑紫36(BayerMacrolex Violet 3R)。
應該注意到，和實施例2的透鏡相比，透鏡(F)具有更多的設計特徵(即，凸起、凹槽和切口)。當配有HB4(ANSI 9006)光源時，顯然該頭燈光束顏色朝著更白/更藍光束顏色頻移。另外，從透鏡的加強性特徵(凸起、凹槽和切口)上觀察到了彩色視覺效應。
汽車外部透鏡由聚碳酸酯製劑(F)成型。當透鏡結合到汽車頭燈中時，很明顯頭燈光束顏色為白色，同時觀察到了從透鏡的設計特徵(凸起、線和邊緣)上發出的強烈彩色視覺效應。
將由製劑(F)成型的透鏡和滷素燈泡組合，以測試頭燈構造是否遵循SAE。為了根據SAE J1383評價發光性能，採用了自然色LexanLS-2作為對比。
在表5中總結了等坎德拉測試(總光通量)、最大坎德拉(點強度)和光束色品(x，y)的結果。值得一提的是，最大坎德拉值和等坎德拉值都證實，就強度而言，該視覺效應透鏡和滷素燈泡的組合得到了具有可比性的光輸出，其為對比樣(自然色)的+/-5％以內。而且，具有由製劑(F)製備的藍色透鏡的頭燈和對比樣相比，光束更藍(即更白)，這是因為CIE 1931x色品值從0.4424頻移到0.4040。這個結果也通過對光束顏色的視覺評價得到了證實。

表5將這個結果和實施例2相比，可以發現設計特徵在透鏡中的效果。另外，它表明即使結合有機光致發光染料採用了約0.00015％的極低量非螢光染料加載量，也可以製成滿足SAE標準的、光束色品值x小於0.405的頭燈。
對於平均x色品大於0.405的光源(比如大多數滷燈泡、HIR燈泡、一些固態光源和極少的HID燈)而言，通常優選組合物為實施例2的透鏡組合物(D)和(E)。這是因為即使帶有具有有限的或沒有用於進一步使光束頻移的設計特徵(比如凹槽或凸起)的透鏡，它們仍然實現了最明顯的顏色頻移。當透鏡具有圖3和4所示的設計特徵，比如凹槽和凸起時，要求的非螢光染料加載量更少(即使在0.05％的螢光染料中加入0.00015％，也獲得了所需的結果)。而且，當具有適當的設計特徵比如凸起或凹槽時，即使在實施例3的透鏡組合物F中提到的小染料加載量也是可以接受的。因此，比值為約330的螢光染料/非螢光染料(組合物F，實施例3)可以產生所需的色品。但是，當透鏡中的設計特徵有限或者沒有時，優選的染料組合物對應的比值約為19(實施例2的組合物D)和13(實施例2的組合物E)。在任何情況下，優選的螢光染料加載量是約0.005％-0.5％，更優選為0.01％-0.25％。
在光源的平均x色品小於0.405的情況下，也即白色固態光源和好的HID光源，和實施例2的(D)和(E)相比，優選製劑(B)和(C)。這是因為製劑(B)和(C)降低了將光束頻移到上述定義的SAE「白盒」以外的風險。優選的非螢光染料/螢光染料的比值大於20。優選的螢光染料加載量小於或等於0.1％。
權利要求
1.汽車頭燈，包括用於容納光源的外殼(22)；容納在所述外殼(22)中的光源(26)；固定在所述外殼(22)上的透鏡(23)，它經放置使得來自外殼(22)容納的光源(26)的光穿過所述透鏡(23)；其中所述透鏡(23)包括聚碳酸酯和光致發光材料，所述頭燈遵循汽車頭燈的光束光度學和光束色品要求；和其中所述光源(26)和透鏡(23)的材料經選擇以使從光源(26)發射的光在穿過所述透鏡時色品被改變，從而使得來自所述頭燈的照明光束的平均x色坐標為0.345-0.405。
2.權利要求1的頭燈，其中所述光致發光材料包括有機螢光染料。
3.權利要求1或2的頭燈，其中所述透鏡(23)還包括非螢光染料。
4.權利要求3的頭燈，其中包括濃度為0.0001-1重量％的所述螢光染料，濃度為0.00001-0.1重量％的所述非螢光染料。
5.權利要求3的頭燈，其中包括濃度為0.005-0.5重量％的所述螢光染料，濃度為0.0001-0.01重量％的所述非螢光染料。
6.權利要求1-4任一項的頭燈，其中所述螢光染料選自苝衍生物、蒽衍生物、苯並唑衍生物、茋衍生物、靛類和硫靛類衍生物、咪唑衍生物、萘甲醯亞胺衍生物、呫噸、噻噸、香豆素、若丹明、(2，5-雙[5-叔丁基-2-苯並唑基]噻吩)，以及它們的衍生物或其組合。
7.權利要求1-6任一項的頭燈，其中所述光源(26)選自高強度氣體放電光源，固態光源，標準滷素光源，和滷素遠紅外反射光源。
8.權利要求1-7任一項的頭燈，其中所述光源(26)的平均x色坐標大於0.405。
9.權利要求1-8任一項的頭燈，其中所述光源(25)是滷素遠紅外反射光源；其中所述光源(26)具有低光束輸出和高光束輸出；其中所述低光束輸出大於或等於980流明，所述高光束輸出大於或等於1180流明；其中所示頭燈具有低照明光束輸出和高照明光束輸出；和其中所述低照明光束輸出大於或等於430流明，所述高照明光束輸出大於或等於680流明。
10.權利要求9的頭燈，其中所述低光束輸出大於或等於1280流明，例如大於或等於1480流明，而所述高光束輸出大於1500流明，例如大於或等於1680流明；和其中所述低照明光束輸出大於或等於480流明，例如大於或等於530流明，而所述高照明光束輸出大於或等於730流明，例如大於或等於780流明。
11.權利要求1-10任一項的頭燈，其中所述透鏡(23)在其主要表面(32)上形成有凹槽或凸起(30)，所述主要表面(32)向內面向所述光源(26)和所述外殼(22)。
12.權利要求1-11任一項的頭燈，其中所述透鏡(23)具有邊緣和邊緣反射體(34)，其中所述邊緣反射體(34)至少覆蓋部分所述邊緣，由此在透鏡(23)內部傳導的光到達所述邊緣並反射回到所述透鏡(23)中。
13.權利要求1-12任一項的頭燈，其中所述光致發光材料的量子產率為0.7或以上，優選0.9或以上。
14.用於權利要求1-13任一項的頭燈的透鏡(23)。
15.用於改變汽車頭燈色品的方法，包括下列步驟選擇包括光源(26)和外殼(22)的部分頭燈組件，其中所述光源具有第一色品；選擇包括聚碳酸酯和螢光染料的透鏡(23)；和將透鏡固定到所述部分頭燈組件上，由此形成權利要求1-13任一項的汽車頭燈。
全文摘要
燈用透鏡可以通過使其和燈泡的相互作用從而提高從所述透鏡發射的光的質量。為了使所述光源的色品發生頻移，可以在聚碳酸酯透鏡(23)中結合光致發光染料以及非光致發光染料。而且，可以在透鏡(23)中結合設計特徵，比如凹槽或凸起(30)，以使得光致發光材料產生的光從透鏡(23)中逃逸出來並添加到所述發射的光束中，以進一步使色品頻移。所述發射的光束具有根據適用標準限定的法定顏色和強度。發光性能也可以以這種方式得到改善減弱讓人不舒服的炫光、增加亮度或者產生能在夜間提高道路對人眼的能見度的光束。
文檔編號F21V9/16GK1890505SQ200480035713
公開日2007年1月3日 申請日期2004年9月1日 優先權日2003年10月3日
發明者P·肖特蘭, B·特爾博格, D·S·布賴斯 申請人:通用電氣公司