CN104169640A - 用于机动车的照明装置以及在这种照明装置中应用的转换层 - Google Patents

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CN104169640A CN201380014235.XA CN201380014235A CN104169640A CN 104169640 A CN104169640 A CN 104169640A CN 201380014235 A CN201380014235 A CN 201380014235A CN 104169640 A CN104169640 A CN 104169640A
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Abstract

本发明涉及一种用于机动车的照明装置，其包括光源(2)和转换层(5)，所述光源由一定数量半导体二极管构成，所述半导体二极管产生第一预定波长范围内的光，由光源(2)的光产生的光束(L)入射到转换层上，并且通过使光束(L)的光经由转换材料转换到第二预定波长范围内，光束(L)被转换层转换成转换光束。照明装置(1)构造成，使得由转换光束在与照明装置(1)间隔处生成预定的光分布。根据本发明的照明装置的特征在于，在转换层(5)的表面的至少一个局部区域中设置包括一个或多个壁的结构(501)，所述壁在转换层(5)的厚度方向上具有预定的深度。

Description

用于机动车的照明装置以及在这种照明装置中应用的转换层
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于机动车的照明装置。
背景技术
为了用机动车的照明装置生成预定波长范围内的光并且尤其是白光，使用所谓的转换层，所述转换层含有适合的转换材料例如磷光体。为了转换光，通常将由光源生成的光束朝向转换层定向，由此产生另一波长范围内的光束。在此产生下述问题：基于转换层中的散射效应光束被显著扩张，由此降低用照明装置产生的光分布的分辨率。
在公开文本WO2010/058323A1中描述一种用于机动车的照明装置，其中，颜色被转换的激光束的伸展尺寸通过转换层上的光阑被限制。在此不利的是，光阑的使用导致在车辆照明技术中通常无法接受的高的光流损耗。
发明内容
因此本发明的任务在于，提供一种用于机动车的照明装置，其中，通过转换层转换光的颜色，但该照明装置确保所生成的光分布的高分辨率。
该任务通过根据权利要求1的照明装置得以解决。本发明的扩展方案在从属权利要求中给出。
根据本发明的照明装置包括由一定数量半导体二极管即至少一个半导体二极管构成的光源，所述半导体二极管产生第一预定波长范围内的光。所生成的光优选是单色的并且例如处于蓝色或紫色的波长范围中，即450nm和405nm。因此，术语“波长范围”可广义地理解并且也许可以是固定波长。照明装置包括转换层，由光源的光产生的光束入射到转换层上，并且通过该转换层将光束转换成转换光束，其中，光束的光通过转换材料转换到第二预定波长范围内。在一种特别优选的实施方式中，转换这样进行，即该光转换成白光。
这样构造根据本发明的照明装置，使得由转换光束与照明装置间隔处并且尤其是在照明装置的远场中生成预定的光分布。“远场”可理解为光分布与照明装置隔开这样的距离，该距离显著大于照明装置的尺寸并且尤其是位于照明装置前方25m并且也许更远的区域中。“光束”可理解为在角度或空间中受限的由光线构成的束，这些光线在束中基本上平行或者也可彼此发散或会聚。光束在此可通过光源本身或也许还可通过一个或多个另外的光学装置产生。
根据本发明的照明装置的特征在于，在转换层的表面的至少一个局部区域中(即在转换层的俯视图中看)设置包括一个或多个壁的结构，所述壁在转换层的厚度方向上具有预定的深度。借助该结构可直接通过转换层适当限制光分布。由此在结构的区域中生成具有高分辨率的光分布。
在一种特别优选的实施方式中，所述结构是包括光栅壁的光栅结构，所述光栅壁在转换层的厚度方向上具有预定的深度，也就是说，该结构具有光栅壁形式的多个壁。在此通过光栅结构形成许多彼此邻接的表面区段，所述表面区段分别含有转换材料并且通过光栅壁限界。表面区段可根据应用情况完全或也许仅部分地被填充转换材料。借助含有光栅结构的转换层可通过表面区段适当地限制入射到转换层上的光束的伸展尺寸，由此与没有光栅结构的转换层相比可生成具有高分辨率的清晰限界的光分布。
在一种特别优选的实施方式中，至少一部分结构的壁并且尤其是至少一部分光栅结构的光栅壁和优选整个光栅结构是反射的，由此转换层中的散射光会聚在相应的表面区段中并且与光阑技术相反不产生光强损失。根据应用情况，所述壁在此可构造成漫反射的或镜面反射的。然而也许也可能的是，至少一部分结构的壁是吸光的。
在另一种优选实施方式中，至少一部分结构的壁并且尤其是至少一部分光栅结构的光栅壁由金属材料制成或具有金属涂层。所述壁也可由带有或不带有金属涂层的塑料材料制成。
根据应用情况，各单个表面区段可具有不同的形状。在优选方案中，表面区段在转换层的俯视图中是多边形、尤其是长方形和/或正方形和/或三角形和/或菱形和/或六边形。由此在转换层内实现特别高的光栅填充系数。
在俯视图中表面区段的空间尺寸可根据用照明装置生成的所希望的光分布的分辨率变化。优选各表面区段的最大伸展尺寸在转换层的俯视图中在5μm和500μm之间。
优选光栅结构的光栅壁的壁厚与表面区段的伸展尺寸相比选择得极小，由此在所生成的光分布中避免暗区。光栅壁的壁厚尤其是转换层俯视图中的相应表面区段的最大伸展尺寸的20％或更小。
所述壁并且尤其是光栅壁的深度可根据具体方案变化并且优选等于转换层的厚度，但也许也可小于或大于转换层的厚度。所述壁的深度优选在50μm和500μm之间。
在另一种优选方案中，通过光栅结构的多个彼此邻接的表面区段的光栅壁形成直的分界线，该分界线在预定的光分布中构成明暗边界的至少一个区段。例如可通过一个水平延伸的直的分界线和一个与此连接的倾斜延伸的分界线在近光分布中形成清晰的明暗边界，如在关于图2的说明中详细阐释的。
在一种特别优选的实施方式中，作为根据本发明的照明装置的光源使用激光源。也就是说，半导体二极管包括一个或多个并且尤其是仅包括激光二极管。由此可产生具有极高光强的光分布。激光二极管优选各具有至少1W并且尤其是在1.5和5W之间的最大功率。
作为用于转换层的材料可使用已知的组分。在一种特别优选的实施方式中，转换层是磷光体转换层，其尤其是含有氮化物－磷光体或氮氧化物－磷光体或掺铈的YAG磷光体。这些材料尤其是用于将蓝色或紫色光束转换为白光。
在另一种特别优选的实施方式中，在光源和转换层之间设置扫描仪，该扫描仪在运行中改变光束的位置并且由此使通过光束产生的光点移动，以生成预定的光分布。扫描仪在此可构造为传统的行式扫描仪，其以固定频率使光束和因此光点逐行移动。在此情况下，为了生成预定的光分布，光源被接通或关断或其光强变化。
代替行式扫描仪也可在根据本发明的装置中使用所谓的矢量扫描仪，借助该扫描仪可改变光点移动的扫描速度和/或光点移动的扫描路径并且该扫描仪可借助相应的控制装置来控制以便生成预定光分布。扫描路径相应于光点的移动图案，该移动图案通过光束位置的改变而产生。通过相应地定义扫描路径在此可限定预定的光分布存在的范围。此外，可通过根据定义的扫描路径多次经过同一区域相应提高该区域中的光强。
在本发明的另一种优选的实施方式中，照明装置包括出射光具形式的光学装置，该光学装置在光束的光线延伸方向上设置在转换层后方并且根据预定的光分布形成转换光束。光学装置可由一个或多个透镜和/或一个或多个反射器构成。
根据应用情况，本发明的照明装置可具有不同功能。在一种实施方式中，照明装置可包括前照灯。前照灯的特点在于，前照灯主动照亮车辆的周围环境。也许本发明的照明装置也可包括信号灯，信号灯的特点在于，信号灯仅用于为其它交通参与者发出信号。
在一种优选方案中，照明装置作为前照灯被构造成，使得在运行中作为预定的光分布生成近光特性。也许也可这样构造照明装置，使得其在运行中作为预定的光分布生成远光特性。
在根据本发明的照明装置的另一种实施方式中，转换材料和/或转换层的厚度在至少一部分表面区段中与在其余表面区段中不同。由此可生成由不同颜色或色温构成的光分布。
本发明还涉及一种用于在上面所描述的照明装置或上面所描述的照明装置的一种或多种优选方案中应用的转换层。在此这样构造转换层，使得入射到转换层上的由第一预定波长范围内的光构成的光束转换为转换光束，其中，光束的光通过转换材料转换到第二预定波长范围内。转换层的特征在于，在转换层的表面的至少一个局部区域中并且尤其是在整个表面中设置包括一个或多个壁的结构，所述壁在转换层的厚度方向上具有预定的深度。优选所述结构是包括光栅壁的光栅结构，所述光栅壁在转换层的厚度方向上具有预定的深度，并且通过光栅结构形成许多彼此邻接的表面区段，所述表面区段分别含有转换材料并且通过光栅壁限界。
除了根据本发明的照明装置之外，本发明还涉及一种机动车，其包括一个或多个根据本发明的照明装置。
附图说明
下面借助附图详细说明本发明的实施例。附图如下：
图1为根据本发明的照明装置的一种实施方式的示意图；
图2为图1的照明装置的转换层的俯视图。
具体实施方式
图1以侧视图示出根据本发明的照明装置1，该照明装置涉及安装在未示出的机动车中的前照灯。照明装置1包括具有附件光具的激光二极管形式的光源2，借助附件光具生成高光强的光束L。光束L入射到仅示意性示出的矢量扫描仪3上，该矢量扫描仪通过适合的反射器元件借助扫描仪的偏转使光束转向到预定的角度范围中。扫描仪在纸平面中的偏转区域通过双向箭头P表示并且光束L的与此对应的偏转区域通过双向箭头P'表示。除了改变光束的垂直位置的在纸平面中的偏转之外，扫描仪也可在水平方向上偏转，由此可改变光束在水平线上的位置。
矢量扫描仪借助未示出的控制装置来控制，该控制装置一方面能适当改变或调整光束在扫描仪偏转范围内的移动速度并且另一方面也能适当改变或调整光束的移动路径。由此矢量扫描仪与行式扫描仪的区别在于，行式扫描仪仅允许光束在预定的扫描范围内恒定且逐行的移动。通过使用矢量扫描仪可以以简单的方式生成任意预定的光分布。但在根据本发明的照明装置中也可代替矢量扫描仪使用行式扫描仪。在此情况下，为了生成预定的光分布，光源在扫描仪运行期间适当地被接通和关断或其功率进行改变。
通过光源2产生单色光束，该光束在通过扫描仪之后在中间图像平面Z中聚焦并且在那里转换成白光。为此在平面Z中设置集成有光栅的转换层。该转换层构成对于本发明重要的特征并且还将在下面被详细说明。通过转换层产生白光束，其起始点为转换层上的光面或者说光点。该光面通过透镜4形式的出射光具转换成照明装置的远场F中的光点SP，该光点的位置根据光束的移动而改变。图1在此以虚线示出在光束L正好位于光轴O上时的用于生成光点SP的光线走向。
通过相应地调整或改变扫描速度或光束L的移动路径，在约25米距离的远场中生成所希望的光分布。根据所希望的光分布，光点SP在高光强的区域中以较慢的扫描速度移动。替换或附加地，光点也可更频繁地经过所述区域。与此相反，光点在所希望的光强较低的区域中更快速地移动或者说较少地向那里转向。
图1的照明装置的转换层5含有将单色的激光转换成白光的转换材料。在此所描述的实施方式中，为此使用适合的磷光体材料。基于转换层中的散射效应，在传统的层中产生下述问题：通过转换层，光束显著扩张，以致在转换层上产生大的光面，这会降低在远场中生成的光分布的分辨率。由此增大了产生高对比度的光分布、如具有清晰的明暗边界的光分布的难度。
为了解决该问题，图1的照明装置的转换层5具有光栅结构，该光栅结构由图2可见。该图示出转换层的俯视图，该转换层具有矩形形状，其尺寸例如为5cmx10cm。可以看出，矩形转换层具有光栅结构501，该光栅结构由细支杆构成，所述支杆在垂直于图平面的方向上具有预定的深度。支杆的深度优选处于转换层5的厚度范围内，所述深度通常在50μm和500μm之间。光栅结构因此由许多光栅壁构成，通过所述光栅壁在图2的实施方式中形成相互邻接的并且主要是正方形的表面区段502，为清楚起见，仅部分表面区段标有附图标记。可根据希望的光分布的分辨率适当选择各单个正方形表面区段的尺寸。在一种优选实施方式中，这些正方形具有5μm和500μm之间的边长。光栅结构的壁厚在此明显小于正方形的尺寸。作为光栅壁的材料尤其可使用金属例如铝或具有金属涂层的塑料。
正方形的表面区段在图2的俯视图中首先从左向右在水平方向上延伸并且随后倾斜向上弯折，这种延伸走向相应于可借助照明装置生成的近光特性。根据图2，转换层下半部中的表面区段标有点，由此表明在生成光分布时光束通过矢量扫描仪3这样移动，使得仅照亮标有点的正方形。通过这种方式在近光分布中形成清晰的明暗边界。光栅结构的标有点的区域因此在其形状中相应于在道路上通过照明装置生成的光分布，也就是说，光分布由在远场中相应形成的正方形光点SP构成。根据所使用的出射光具，光分布也可相对于光栅结构倒置。在此情况下，将图2的光栅结构在图平面中旋转180°。正方形表面区段502在通过光束照明时限制光线，从而抵制光束的扩张并且可以在道路上生成具有极高分辨率和相应高的对比度的光分布。在此通过使正方形的上边缘的延伸走向与明暗边界的延伸走向一致，可辅助形成清晰的明暗边界。
为了避免基于光栅结构501的光强损失，在图2的实施方式中光栅构造成反射的，由此，通过转换材料散射的光会聚在相应的正方形表面区段中。但也可为光栅结构使用非反射材料，这相当于切割在转换层上生成的光面。
图2示出的光栅结构仅仅是示例性的，并且该光栅结构的变型是可能的。尤其是各个表面区段也可构造成其它形式的多边形、如菱形、三角形、六边形等。光栅也可以是不规则的，即各个表面区段或者说正方形的尺寸可变化，从而可在不同区域中改变光分布的分辨率。
如上所述，通过在图2中示出的具有光栅结构501的转换层在转换层上产生定义尺寸的像素状的光点，所述光点随后通过透镜4形式的出射光具(图1)形成为道路上的相应的光分布。该光学系统的分辨率在此由表面区段的精细度决定。光栅结构的壁厚与表面区段的尺寸相比极薄，从而在两个相邻的在转换层上生成的像素之间不产生暗区。通过使用集成有光栅结构的转换层可在光分布中的相邻光点之间形成极高的对比度。尤其是在此可产生清晰的明暗边界，如借助图2为近光分布所说明的。
附图标记列表
1       照明装置
2       光源
3       扫描仪
4       透镜
5       转换层
501     光栅结构
502     表面区段
L       光束
P、P'   箭头
Z       中间图像平面
F       远场
SP      光点
O       光轴

Claims (22)

1.用于机动车的照明装置，该照明装置包括光源(2)和转换层(5)，所述光源由一定数量半导体二极管构成，所述半导体二极管产生第一预定波长范围内的光，由光源(2)的光产生的光束(L)入射到转换层(5)上，并且通过使光束(L)的光经由转换材料转换到第二预定波长范围内，光束(L)被转换层转换成转换光束，照明装置(1)构造成，使得由转换光束在与照明装置(1)间隔处生成预定的光分布，其特征在于，在转换层(5)的表面的至少一个局部区域中设置包括一个或多个壁的结构(501)，所述壁在转换层(5)的厚度方向上具有预定的深度。
2.根据权利要求1的照明装置，其特征在于，所述结构是包括光栅壁的光栅结构(501)，通过光栅结构(501)形成许多彼此邻接的表面区段(502)，所述表面区段分别含有转换材料并且通过光栅壁限界。
3.根据权利要求1或2的照明装置，其特征在于，至少一部分结构(501)的壁是反射的、尤其是漫反射的和/或镜面反射的。
4.根据上述权利要求之一的照明装置，其特征在于，至少一部分结构(501)的壁是吸光的。
5.根据上述权利要求之一的照明装置，其特征在于，至少一部分结构(501)的壁由金属材料制成或具有金属涂层。
6.根据上述权利要求之一结合权利要求2的照明装置，其特征在于，所述表面区段(502)在转换层(5)的俯视图中构成多边形、尤其是长方形和/或正方形和/或三角形和/或菱形和/或六边形。
7.根据上述权利要求之一结合权利要求2的照明装置，其特征在于，在转换层(5)的俯视图中各表面区段(502)的最大伸展尺寸在5μm和500μm之间。
8.根据上述权利要求之一结合权利要求2的照明装置，其特征在于，所述光栅结构(501)的光栅壁的壁厚为在转换层(5)俯视图中的相应表面区段(502)的最大伸展尺寸的20％或更小。
9.根据上述权利要求之一的照明装置，其特征在于，所述壁的深度在50μm和500μm之间。
10.根据上述权利要求之一结合权利要求2的照明装置，其特征在于，通过多个彼此邻接的表面区段(502)的光栅壁形成直的分界线，该分界线在预定的光分布中构成明暗边界的至少一个区段。
11.根据上述权利要求之一的照明装置，其特征在于，所述光源(2)的所述一定数量半导体二极管包括一个或多个激光二极管。
12.根据上述权利要求之一的照明装置，其特征在于，所述一定数量半导体二极管产生单色光，使得入射到转换层(5)上的光束(L)由单色光构成。
13.根据上述权利要求之一的照明装置，其特征在于，所述转换层(5)构造成，使得光束(L)通过转换层(5)转换成由白光构成的转换光束。
14.根据上述权利要求之一的照明装置，其特征在于，所述转换层(5)是磷光体转换层，其尤其是含有氮化物－磷光体或氮氧化物－磷光体或掺铈的YAG磷光体。
15.根据上述权利要求之一的照明装置，其特征在于，在光源(2)和转换层(5)之间设置扫描仪(3)，该扫描仪在运行中改变光束(L)的位置并且由此使得通过光束(L)产生的光点(SP)移动，以生成预定的光分布。
16.根据上述权利要求之一的照明装置，其特征在于，所述照明装置(1)包括光学装置(4)，该光学装置在光束(L)的光线延伸方向上设置在转换层(5)后方，并且该光学装置根据预定的光分布形成转换光束。
17.根据上述权利要求之一的照明装置，其特征在于，所述照明装置(1)包括信号灯和/或前照灯。
18.根据上述权利要求之一的照明装置，其特征在于，所述照明装置(1)包括前照灯并且构造成，使得在运行中作为预定的光分布生成近光特性和/或远光特性。
19.根据上述权利要求之一结合权利要求2的照明装置，其特征在于，所述转换材料和/或转换层(5)的厚度在至少一部分表面区段(502)中与在其余表面区段(502)中不同。
20.在根据上述权利要求之一的照明装置中应用的转换层，其中，转换层(5)构造成，使得通过使光束(L)的光经由转换材料转换到第二预定波长范围内，入射到转换层(5)上的由第一预定波长范围内的光(L)构成的光束转换为转换光束，其特征在于，在转换层(5)的表面的至少一个局部区域中设置包括一个或多个壁的结构(501)，所述壁在转换层(5)的厚度方向上具有预定的深度。
21.根据权利要求20的转换层，其特征在于，所述结构是包括光栅壁的光栅结构(501)，通过光栅结构(501)形成许多彼此邻接的表面区段(502)，所述表面区段分别含有转换材料并且通过光栅壁限界。
22.机动车，其包括一个或多个根据权利要求1至19之一的照明装置(1)。
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