CN103032815A - 光学变换装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于车辆的光学变换装置，用于将平面的配光变换为有角度的配光，所述光学变换装置具有用于产生平面的配光的、在一个平面内呈矩阵排列的多个光源，并且具有沿光源的主辐射方向设置在光源前面的用于偏转光的光学单元，其中所述光学单元至少包括第一透镜，其中，在第一透镜和光源之间设有另外的至少一个透镜，所述另外的至少一个透镜关于沿光的主辐射方向延伸的z轴线同轴地并且与第一透镜相间隔地设置，第一透镜和所述另外的至少一个透镜分别具有非球面成形的耦入面和耦出面作为表面。

Description

光学变换装置

本发明涉及一种用于车辆的光学变换装置，用于将平面的配光变换为有角度的配光，所述光学变换装置具有用于产生平面的配光的、在一个平面内呈矩阵排列的多个光源，并且具有沿光源的主辐射方向设置在光源前面的用于偏转光的光学单元，其中所述光学单元至少包括第一透镜。 

为了借助优选用LED技术实现的矩阵式前灯为车辆实现动态的配光、特别是可编址的远光，需要有针对性地并且精确地设置所使用的角区域。例如已知需要1°的通道分离(Kanaltrennung)。为此需要高精度的光学变换器件，其把参考平面内的光密度分布(平面的配光)变换为有角度的配光。这种变换必须对整个光源矩阵区域都具有高质量，因此，特别是对于大尺寸的光源矩阵区域(例如60mm+/-20mm)迄今尚未有解决方案。当除了上述对通道分离的高要求外还要考虑保持限制的结构长度条件时特别是这样。 

本发明的任务如下，给出一种满足上述需求的光学变换装置。 

为解决该任务，与权利要求1的前序部分结合，本发明的特征在于，在第一透镜和光源之间设有另外的至少一个透镜，所述另外的至少一个透镜关于沿光的主辐射方向延伸的z轴线同轴地并且与第一透镜相间隔地设置，第一透镜和所述另外的至少一个透镜分别具有非球面成形的耦入面和耦出面作为表面。 

本发明的特别的优点在于，借助两个各具有非球面成形的耦入面和耦出面的透镜，在光学变换装置的结构长度直到120mm的情况下，为光源的直到60mm的大矩阵区域实现关于通道分离(1°)的上述需求。在此，光学变换装置把平面的配光精确地变换为有角度的配光。 

特别地，第一透镜可以具有沿主辐射方向看在前的表面(耦出面)和朝向另外的至少一个透镜的在后的表面(耦入面)，其中表面的几何尺寸通过非球面特征规定，其相应于公式 

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+K)c^2{r}^2}}+\underset{k=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{2k}{r}^{2k}.$

这里z是各表面上的z坐标，r是表面(耦入面、耦出面)上的点到z轴线的横 向距离，c是表面的顶点曲率，即透镜曲率半径R的倒数，K是圆锥常数，α_2k是多项式展开的第2k阶的系数。这些参数优选取下面的值： 

R	K	α21	α22	α23	α24
						209.256mm	0	-1.958E-3	-6.843E-7	1.360E-10	-8.581E-15

耦出面的允许的偏差(公差)位于下面的范围内： 

关于第一透镜的耦入面，这些参数优选取下面的值： 

R	K	α21	α22	α23	α24
						-76.860mm	0	-2.882E-3	-2.853E-7	1.628E-11	-2.017E-14

耦入面的允许的偏差根据下面的表级出： 

以类似的方式，根据上述公式还为第二个并且是唯一的另一个透镜确定非球面特征。耦出面的这些参数优选为： 

R	K	α21	α22	α23	α24
						unendlich	0	-5.627E-3	7.439E-7	-4.138E-10	6.202E-12

第二透镜的耦出面的允许的偏差通过下面的表决定： 

R	K	Δα21	Δα22	Δα23	Δα24
						unendlich...+500mm	0	+/-1E-3	+/-3E-7	+/-5E-10	+/-8E-12

第二透镜的耦入面优选通过下面的参数说明： 

R	K	α21	α22	α23	α24
						-184.093mm	0	-1.392E-3	3.669E-6	1.211E-8	-5.032E-12

允许的偏差如下产生： 

根据本发明的一种改进，设有至少30个光源，用于产生平面的配光，其中光源排列为两行、三行或者四行。通过设置30个或者更多光源能够在远光功能 中有利地实现多种不同的防眩目控制。由此产生一种高动态的光功能，其能够适应于特殊的交通情况。通过精确的通道分离，能够轮廓分明地构造防眩目的角区域。例如可以在三行内呈矩阵状设置80个和更多光源。 

下面根据附图详细说明本发明的实施例。 

其中： 

图1以侧视图示出了光学变换装置， 

图2示出了平面配光的两个所选光点的辐射路径图，用于表示根据图1的光学变换装置的工作原理， 

图3示出了根据图1的光学变换装置，以及对所选择光点的辐射路径进行可视化， 

图4示出了在使用根据图1的光学变换装置的情况下矩阵排列的光源中所选择的光源的通道分离。 

根据图1的用于车辆的光学变换装置基本上由从主辐射方向来看在前面的第一透镜2和在第一透镜2和未示出的光源之间设置的第二透镜3组成。未示出的光源提供平面的配光，其通过参考平面4示意表示。第一透镜2和第二透镜3以及平面4对于光学变换装置的沿主辐射方向1延伸的z轴线5同轴定向。 

第一透镜2和第二透镜3优选关于z轴线5旋转对称地构造。平面4例如通过光源矩阵式设置实现，它优选在三行内具有30个或更多的光源。 

第一透镜2具有沿主辐射方向1在前面的耦出面6和朝向第二透镜3的耦入面7。耦出面6和耦入面7被构造为第一透镜2的表面(Flachseite)。第二透镜3具有朝向平面4的耦入面8和朝向第一透镜2的耦出面9。第二透镜3的耦入面8和耦出面9同样被构造为第二透镜3的表面。 

第一透镜2的耦出面6构造为凸弯。第一透镜2的耦入面7以及第二透镜3的两个表面8、9分别构造为凹曲。 

第一透镜2和第二透镜3具有35到50mm优选43mm的间距10。第一透镜2具有50到60mm优选56mm的厚度11并且用N-BK10构成。第二透镜3具有15到25mm优选20mm的厚度12。它同样用N-BK10实现。光学变换装置的结构长度13优选为120mm。光学变换装置的焦距优选实现为105mm。参考平面4的横向尺寸18例如为60mm。 

为了将光学变换装置的功能可视化，示出参考平面4的两个所选择的点14、15的辐射路径以及作为原理图表示出第二透镜3的耦入面8和第一透镜2的耦出面6。平面4的第一点14位于光学变换装置的z轴线5上。从第一点14以圆锥形辐射的部分光束由光学变换装置线性化并且关于主辐射方向1平行地并且同轴地辐射。 

从第二点15发出的光同样呈圆锥形辐射，其中圆锥关于连接第二点15和光学变换装置的光学中心16的直线19对称地构成。光学变换装置使从第二点15辐射的光平行，并且将其以相对于z轴线5的角度17作为平行的部分光束发射。 

就这点而言光学变换装置为平面4的每一任意的点14、15提供至少从视图上看平行的部分光束，其以一个相应的角度提供。 

图3为平面4的总共6个点示出辐射路径和由此产生的配光。 

第一透镜2的表面6、7和第二透镜3的表面8、9非球面地构成。表面6、7、8、9的几何尺寸通过非球面特性规定，其满足公式 

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+K)c^2{r}^2}}+\underset{k=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{2k}{r}^{2k}.$

式中z是表面6、7、8、9上的z坐标，r是表面6、7、8、9上的点离开z轴5的横向距离，c是表面6、7、8、9顶点曲率亦即透镜曲率半径R的倒数，K是圆锥常数，α_2k是用于表示非球面特性的多项式展开的第2k阶的系数。为图1和3的实施例构造的非球面特性通过值表中的优选的参数定义。 

在图4中为基于LED实现的矩阵式车辆前灯的所选择的光源示出了所提供的配光。这里多个光源在总共三行中规则设置。可见，直到水平约12°的区域可以为所示光源整洁地实现1°的通道分离。图4中仅为所选择的光源示出配光。矩阵设置例如关于水平和竖直0°轴线对称地构成。在图示的配光之间通过另外在该模拟中被减弱的LED实现其他的、在可视化中被减弱的配光。 

附图标记列表 

1     主辐射方向 

2     第一透镜 

3     第二透镜 

4     参考平面 

5Z    轴线 

6     耦出面 

7     耦入面 

8     耦入面 

9     耦出面 

10    间距 

11    厚度 

12    厚度 

13    结构长度 

14    点 

15    点 

16    光学中心 

17    角度 

18    横向尺寸 

19    直线。 

Claims (10)

1.一种用于车辆的光学变换装置，用于将平面的配光变换为有角度的配光，所述光学变换装置具有用于产生平面的配光的、在一个平面内呈矩阵排列的多个光源，并且具有沿光源的主辐射方向设置在光源前面的用于偏转光的光学单元，其中所述光学单元至少包括第一透镜，其特征在于，在第一透镜(2)和光源之间设有另外的至少一个透镜(3)，所述另外的至少一个透镜关于沿光的主辐射方向(1)延伸的z轴线(5)同轴地并且与第一透镜(2)相间隔地设置，第一透镜(2)和所述另外的至少一个透镜分别具有非球面成形的耦入面(7、8)和耦出面(6、9)作为表面。

2.根据权利要求1所述的光学变换装置，其特征在于，其中一个透镜(2、3)具有一个呈凹形的表面(6、7、8、9)并且另一个透镜(2、3)具有两个呈凹形的表面(6、7、8、9)。

3.根据权利要求1或2所述的光学变换装置，其特征在于，第一透镜(2)具有沿主辐射方向(1)看在前的表面(耦出面6)和朝向所述另外的至少一个透镜的在后的表面(耦入面7)，其中表面(耦出面6、耦入面7)的几何尺寸通过非球面特征确定，所述特征通过公式

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+K)c^2{r}^2}}+\underset{k=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{2k}{r}^{2k}$

确定，其中z是表面(6、7)上的z坐标，r是表面(耦入面7、耦出面6)上的点到z轴线的横向距离，c是表面(6、7)的顶点曲率、即透镜曲率半径R的倒数，K是圆锥常数，α_2k是多项式展开的第2k阶的系数，并且其中，

-对于耦入面(7)上述参数采用下面的值：

R＝无穷大至+500mm，优选为无穷大

K＝0

α₂₁＝-2.882E-3+/-1E-3

α₂₂＝-2.853E-7+/-2E-7

α₂₃＝1.628E-11+/-4E-11

α₂₄＝-2.017E-14+/-9E-14

-对于耦出面(6)上述参数采用下面的值：

R＝-100mm到-400mm，优选为-184mm

K＝0

α₂₁＝-1.958E-3+/-1E-3

α₂₂＝-6.843E-7+/-2E-7

α₂₃＝1.36E-10+/-4E-10

α₂₄＝-8.581E-15+/-9E-15

4.根据权利要求1到3之一所述的光学变换装置，其特征在于，在第一透镜(2)和光源之间设置的第二透镜(3)具有朝向光源的在后的表面(耦入面8)和背离光源的在前的表面(耦出面9)，其中表面(耦入面8、耦出面9)的几何尺寸通过非球面特征确定，所述特征通过公式

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+K)c^2{r}^2}}+\underset{k=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{2k}{r}^{2k}$

确定，其中z是各表面(8、9)上的z坐标，r是表面(8、9)上的点到z轴线(5)的横向距离，c是表面(8、9)的顶点曲率、即透镜曲率半径R的倒数，K是圆锥常数，α_2k是多项式展开的第2k阶的系数，并且其中，

-对于耦入面(8)上述参数采用下面的值：

R＝+500mm到-100mm，优选为+209mm

K＝0

α₂₁＝-1.392E-3+/-1E-3

α₂₂＝3.669E-6+/-3E-6

α₂₃＝1.211E-8+/-5E-8

α₂₄＝-5.032E-12+/-8E-12

-对于耦出面(9)上述参数采用下面的值：

R＝-200mm到-50mm，优选为-77mm

K＝0

α₂₁＝5.627E-3+/-1E-3

α₂₂＝7.439E-7+/-3E-7

α₂₃＝4.138E-10+/-5E-10

α₂₄＝6.202E-12+/-8E-12

5.根据权利要求1到4之一所述的光学变换装置，其特征在于，光学变换装置的沿z轴线的方向(r)确定的纵向尺寸(结构长度13)和平面的配光的最大横向尺寸(18)之间的比例位于1和3之间，优选位于1.5和2.5之间，特别优选位于1.8和2.2之间。

6.根据权利要求1到5之一所述的光学变换装置，其特征在于，光学变换装置的纵向尺寸(结构长度13)和光学单元的焦距之间的比例位于1.05和1.25之间，优选位于1.1和1.2之间，特别优选位于1.14和1.15之间。

7.根据权利要求1到6之一所述的光学变换装置，其特征在于，第一透镜(2)的沿主辐射方向(1)在前的表面(耦出面6)构造成凸弯状。

8.根据权利要求1到7之一所述的光学变换装置，其特征在于，设有至少30个光源，用于产生平面的配光，其中光源排列为两行、三行或者四行。

9.根据权利要求1到8之一所述的光学变换装置，其特征在于，第一透镜(2)和/或第二透镜(3)具有关于光学轴线(z轴线5)旋转对称构造的光学表面(6、7、8、9)和/或第一透镜(2)和第二透镜(3)之间的距离在35和50mm之间，优选为43mm，和/或第二透镜(3)的厚度(12)为15到25mm，优选为20mm，和/或大的透镜的厚度(11)为50到60mm，优选为56mm。

10.根据权利要求1到9之一所述的光学变换装置在车辆的透镜矩阵式前灯中的应用，所述前灯利用发光二极管作为光源。

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