CN106482065A - 一种激光准直单元及其车用超高光通量光源模组 - Google Patents

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Abstract

一种激光准直单元及其车用超大光通量光源模组，用于一种包括激光光源阵列，透射式动态荧光轮，中继透镜组，DMD芯片系统及投影透镜组智能车灯模组，所述激光准直单元设置于激光光源阵列和透射式动态荧光轮之间。所述激光准直单元通过安装在准直透镜前的镀膜反光镜阵列，将左右两个方向射来的准直光线全部反射向同一方向，全部准直为相同方向的平行光，沿着安装于模组上方的汇聚透镜组的光轴进入位于中继透镜组之前的汇聚透镜组，通过汇聚透镜组将所有半导体激光器发出的光线汇聚于中继透镜组的荧光陶瓷正面上的一个点。根据采用本发明的激光准直单元的智能车灯模组，利用DMD芯片实现ADB功能的超高分辨率，为智能大灯的各种功能提供保障。

Description

一种激光准直单元及其车用超高光通量光源模组
技术领域
本发明涉及车灯，具体地，本发明涉及一种智能车灯模组及其应用方法。更具体地，本发明涉及一种激光准直单元及其车用超高光通量光源模组，所述激光准直单元及其车用超高光通量光源模组使得智能车灯模组安形成的暗区只有对方驾驶员在不同位置时的头部的大小，其他空间依然保持完全没有目标时的高亮度照明，这样对方不会被炫目。
背景技术
随着车辆夜间行驶安全问题日益突出，越来越对的汽车相关制造商在研发新型智能车灯技术。所谓新型智能车灯技术主要是以同时实现AFS和ADB功能为目的开发的光型可变车灯。
举例来说，具有ADB功能的大灯，配合车辆的探测系统。在侦测发现道路上其他参与者(比如相向、同向行驶的车辆或行人等)处于大灯照明的某一区间内时，系统可智能的调节该区间的照明亮度，避免对被照明者形成危险的炫目，而没有其他道路参与者的空间继续保持高亮度的照明。在这样的技术支持下，既能保证我方(搭载LED自适应大灯的汽车驾驶员)的前方高质量照明，又不会对道路上其他参与者(比如相向、同向行驶的车辆或行人等)形成危险的炫目，保证了道路上各方的夜间驾驶安全。
现有的解决方案之一，是所谓的基于MATRIX技术的矩阵大灯，这种技术方案将整个前照灯的照明空间连续的分割成不同的区块，每个区块由数量不同的LED来负责照明，通过熄灭特定区块的LED，可以提供最小约1°的暗区。
不过包括上述矩阵大灯技术方案在内，现有实现这种照射范围可调的灯具，都存在一个共同的问题，那就是系统形成暗区的最小角度依然太大。也就是说，形成的暗区虽然可以使得目标车辆的驾驶员不炫目，但是暗区的范围也已经大大超过目标所需的车宽，造成我方需要照明区域的损失。例如前面提到的矩阵大灯，最小可提供1°的暗区。该暗区的实际横向宽度视目标与我方距离而定的，比如在ADB希望发挥作用的400米处，暗区的宽度为(400米*tan 1°)＝6.98米，而实际车宽(以普通乘用车为例)约1.9米，显然暗区过大了。
所谓ADB功能，最理想的情况是，由智能大灯形成的暗区只有对方驾驶员在不同位置时头部的大小，其他空间依然保持完全没有目标时的高亮度照明，这样对方不会被炫目，我方也可以尽可能的照亮行驶路线上的任何区域。迄今为止，尚无与此对应的技术方案。
发明内容
本发明的目的是为了改进上述问题，提供一种激光准直单元及其车用超高光通量光源模组，所述智能车灯模组的汽车头灯照明采用高分辨率大灯。
本发明一种激光准直单元技术方案如下：
一种激光准直单元，用于智能车灯模组，所述激光准直单元设置于激光光源阵列和透射式动态荧光轮之间，其特征在于，
所述激光光源阵列为间隔对置的矩形框架，矩形框架二侧相对设置有成排状的半导体激光器，形成激光光源；
所述激光准直单元包括：
激光准直透镜阵列，所述激光准直透镜阵列与形成于所述激光光源阵列矩形框架二侧的成排状半导体激光器设置在同侧，所述激光准直透镜阵列嵌设于所述激光光源阵列的成排状半导体激光器之间的同时，与所述激光光源阵列对侧的成排状半导体激光器正对设置，且与所述半导体激光器的位置、数量一一对应；
镀膜反射镜阵列，所述镀膜反射镜阵列上、下斜向置于矩形框架中间，即所述激光准直透镜阵列与半导体激光器阵列之间。
另外，镀膜反射镜阵列前方设置有汇聚透镜组。
根据本发明所述一种激光准直单元，其特征在于，所述激光准直单元通过安装在准直透镜前的镀膜反光镜阵列，将矩形框架的激光光源阵列对向两个方向射来的准直光线全部反射向同一方向，即将所有半导体激光器发出的光线全部准直为相同方向的平行光，沿着安装于单元上方的汇聚透镜组的光轴，进入位于中继透镜组之前的汇聚透镜组，通过汇聚透镜组将所有半导体激光器发出的光线汇聚于汇聚透镜组的荧光陶瓷正面上的一个点。
根据本发明所述一种激光准直单元，其特征在于，所述汇聚透镜组由二块平凸透镜组成，进入位于中继透镜组之前的汇聚透镜组，通过汇聚透镜组将所有半导体激光器发出的光线汇聚于汇聚透镜组的荧光陶瓷正面上的一个点，得到一个高光功率的蓝色小光斑，所述光斑尺寸1.6-1.8平方毫米，光功率50-70W。
优选的是，所述汇聚透镜组由二块透镜组成。
优选的是，所述汇聚透镜组包括一块凹凸透镜和一块双凸透镜。
优选的是，所述汇聚透镜组包括两款平凸透镜。
根据本发明所述一种激光准直单元，与所述半导体激光器一一对应设置的激光准直透镜阵列使用非球面透镜。
根据本发明所述一种激光准直单元，其特征在于，上、下斜向置于矩形框架中间，即激光准直透镜阵列与半导体激光器阵列之间的镀膜反射镜阵列，其镀膜反射镜的420～720nm反射率大于97％。
根据本发明所述一种激光准直单元，其特征在于，矩形框架二侧相对设置的成排状的半导体激光器数为6-48。
即，所述激光光源阵列包含6-48颗大功率蓝光半导体激光元件。
优选的是，即，所述激光光源阵列包含16-48颗大功率蓝光半导体激光元件。
根据本发明所述一种激光准直单元，其特征在于，矩形框架二侧相对设置的成排状的半导体激光器数纵、横向排列数分别为3-7。
根据本发明所述一种激光准直单元，其特征在于，矩形框架二侧相对设置的成排状的半导体激光器数为42，矩形框架二侧相对设置的成排状的半导体激光器数纵、横向排列数分别为6，7。
优选的是，矩形框架高度在15～60mm。
优选的是，所述矩形框架高度在35～45mm。
根据本发明所述一种激光准直单元，其特征在于，所述荧光陶瓷经透射式动态荧光轮的动态旋转，透射式转换过程，将450nm波长蓝色激光转换为包含420`720nm的复合白色光。
根据本发明的一种车用超高光通量光源模组，使用上述激光准直单元，其特征在于，所述车用超高光通量光源模组包括，透射式动态荧光轮，透射式动态荧光轮将由激光光源阵列产生、照射在荧光轮入射面，即正面的蓝色单波长小光斑，转换成符合车灯照明需要的白色复合光谱，在荧光轮的背面输出。
根据本发明所述一种车用超高光通量光源模组，其特征在于，从激光阵列到荧光轮构成所述超高光通量光源模组的光源单元，其光通量达到13000流明以上。
根据本发明所述一种车用超高光通量光源模组，其特征在于，所述透射式动态荧光轮采用透射式方案，且是动态旋转，将照射于荧光轮正面的单色激光光斑转换为复色白光在荧光轮的背面输出。
根据本发明，通过安装在透镜前的镀膜反光镜阵列，将左右两个方向射来的准直光线全部反射向同一方向，即所有半导体激光器发出的光线，已全部准直为相同方向的平行光，激光准直单元沿着安装于模组上方的汇聚透镜组的光轴进入汇聚透镜组。通过汇聚透镜组将所有半导体激光器发出的光线汇聚于荧光陶瓷的正面上的一个点。
根据本发明，输出的光斑空间能量分布为朗伯型。同时由于激光照射功率比较大，采用动态旋转的荧光轮的方案，避免激光长时间照射同一点导致荧光陶瓷损坏。
根据本发明，荧光轮背面的白色光斑的尺寸形状，与照射在其正面的激光光斑对应，但都远小于DMD工作面的尺寸。中继透镜组经过设计，可以将荧光轮背面的白色光斑放大后成像于DMD芯片的工作面上，尺寸符合DMD工作面的要求，尽量避免光线照射到工作面以外的区域，提高效率。
DMD芯片是一种由德州仪器公司开发、生产，用以实现电子输入、光学输出的微机电系统(MEMS)，开发人员可借助该系统执行高速、高效及可靠的空间光调制。
根据本发明，所述智能车灯模组包括：激光光源阵列，透射式动态荧光轮，中继透镜组，DMD芯片系统及投影透镜组，
所述DMD芯片系统为TEXAS INSTRUMENTS 0.3WVGA DDR Type A100-A1，但不限于使用该型号。
根据本发明，当DMD工作面内的某一像素处于“开”状态时，通过中继透镜组来的光线，会被DMD上的这一特定像素的反射进入投影透镜组的入瞳范围，从而被投影透镜组投射出去(在屏幕上)形成一个点亮的像素，如果某一像素处于“关”状态，那么将把照射在其上的光线反射进入布置于DMD芯片系统内的吸光器，由于该像素上的光线未被投影透镜组接受到，所以(在屏幕上)相应的会形成暗像素。
根据本发明，每一个DMD都含有最多200万个独立控制的微镜(构建于相应的CMOS存储单元上)(已知技术)。
每一个DMD都含有最多200万个独立控制的微镜(构建于相应的CMOS存储单元上)。在运行期间，DMD控制器为每个基本存储单元加载一个“1”或一个“0”。接下来会施加镜像复位脉冲，这会引起每个微镜静电偏离大约一个铰链，从而达到相应的+/-12°状态。由于会受到两个弹簧顶针的阻力而物理停止，这两个有效状态的偏离角度是可重复的。在投影系统中，+12°状态对应“开”像素，-12°状态对应“关”像素。通过对每个镜片的开/关占空比进行编程来创建灰度图形，并且可以多路复用多个光源以创建RGB全彩图像。在其他应用中，+/-12°状态为两个通用输出端口提供一个图形及其反向图形。
具体来说，当DMD工作面内的某一像素处于“开”状态时，通过中继透镜组来的光线，会被DMD上的这一特定像素的反射进入投影透镜组的入瞳范围，从而被投影透镜组投射出去(在屏幕上)形成一个点亮的像素，如图6所示。如果某一像素处于“关”状态，那么将把照射在其上的光线反射进入布置于DMD芯片系统内的吸光器，由于该像素上的光线未被投影透镜组接受到，所以(在屏幕上)相应的会形成暗像素。
根据本发明，投影透镜组的目的在于，将经过DMD调制过的光线放大投影出去，形成车辆最终的照明光型。
根据本发明，荧光轮采用透射式方案，并且是动态旋转的，将照射于荧光轮正面的单色激光光斑转换为复色白光在荧光轮的背面输出。
根据本发明，采用激光光源阵列，将多束激光汇聚于荧光轮的一点；荧光轮采用透射式方案，并且是动态旋转的，将照射于荧光轮正面的单色激光光斑转换为复色白光在荧光轮的背面输出；采用中继透镜组，将荧光轮背面的白色光斑成像于DMD芯片的工作面上，并且采用反射镜将整个模组的光路在适当位置折叠，形成“Z”字形分布，缩小整个模组的体积；采用多片透镜形成投影透镜组，将DMD上处于“开”状态的像素的反射光线投影出去，形成车辆前照灯照明。利用DMD芯片作为高分辨率光阀器件的特性，实现ADB功能的超高分辨率，为智能大灯的各种功能提供保障。
根据本发明，中继透镜组安装于荧光轮出光面，即背面后方，将由荧光轮转换出的朗伯分布的白光收集，并照射在中继透镜组后方的DMD芯片上。DMD芯片是用以实现电子输入、光学输出的微机电系统(MEMS)，执行空间光调制。
根据本发明，投影透镜组将经过DMD调制过的光线放大投影出去，形成车灯的最终照明光型。
根据本发明，整套光学设计方案的工作过程是，由蓝色激光光源和激光准直单元形成汇聚光斑；照射在透射式动态荧光轮上，由荧光陶瓷将单色蓝光转换成白色复合波长光线；中继透镜组收集荧光轮背面发出的光线，并将荧光轮背面的白色光斑成像于DMD芯片表面上工作区域内；DMD根据实际车载智能大灯的需求，打开或者关闭其上的各种可控像素，具体为打开的像素将可使得该像素上反射的光线进入后续投影透镜组，从而被投影出去形成照明像素，而被DMD芯片关闭的像素，将使得该像素上光线偏折、无法进入后续的投影透镜组，从而形成暗像素；最终处于打开状态的像素上的反射光线将进入投影透镜组，从而被投影出去，形成智能车载大灯所需的明暗照明图形，如图7所示。
透射式动态荧光轮将照射在荧光轮入射面(正面)，由激光阵列产生的蓝色单波长小光斑，转换成符合车前灯照明需要的白色复合光谱，在荧光轮的背面输出。
根据本发明，中继透镜组安装于荧光轮出光面(背面)后方，将由荧光轮转换出的朗伯分布的白光收集起来，照射在中继透镜组后方的DMD芯片上。
根据本发明，采用DMD数字微镜器件，与激光阵列光源，动态透射型荧光陶瓷组合，创造了一种新的车灯照明光学模组设计方案，提供了一种实现高分辨率智能大灯的光学解决方案。并且该方案采用激光光源，由激光、准直阵列形成的光斑会远小于LED光源，因此整个系统的体积会大幅缩小，并且重要的是，系统的光学效率会高于采用LED光源的类似装置。
根据本发明，既能保证我方(搭载本发明技术方案的LED自适应大灯的汽车驾驶员)的前方高质量照明，又不会对道路上其他参与者(比如相向、同向行驶的车辆等)形成危险的炫目，保证了道路上各方的夜间驾驶安全。
附图说明
图1为采用本发明激光准直单元的一种智能车灯模组结构示意图。
图2为采用本发明激光准直单元的一种智能车灯模组的激光光源阵列立体示意图。
图3A-图3B分别为图2的激光光源阵列二侧视图。
图3C为图3B的A-A处剖视图，显示激光准直单元将光线沿着安装于模组上方的汇聚透镜组的光轴进入汇聚透镜组，汇聚于荧光陶瓷正面上的点的工作示意图。
图4A,图4B分别为透射式动态荧光轮立体图。
图4C-图4D分别为透射式动态荧光轮主视图、俯视图及侧视图。
图4E为采用本发明激光准直单元的车用超高光通量光源模组工作示意图。
图4F为图4E的A-A向剖视图。
图5A-图5C分别为采用本发明激光准直单元的智能车灯模组结构的中继透镜组的主视图、仰视图及侧视图。
图5D为图5C的智能车灯模组结构的中继透镜组的A-A向剖视图。
图6A为采用本发明激光准直单元的一种智能车灯模组结构的投影透镜组与DMD芯片系统立体示意图。
图6B为采用本发明激光准直单元的一种智能车灯模组结构的投影透镜组与DMD芯片系统一侧视图。
图6C为图6B的A-A向剖视图，显示本发明的一种智能车灯模组结构的DMD芯片系统工作面内的像素处于“关”状态示意图。
采用本发明激光准直单元的一种智能车灯模组结构的DMD芯片系统工作面内的像素处于“开”、“关”态示意图。
图7为采用本发明激光准直单元的一种智能车灯模组结构的核心部件及光学路程示意图，其中，显示了智能车灯模组结构的DMD芯片系统工作面内的像素处于“开”、“关”态的光学路程，并展示了中继透镜组通过反射镜将整个模组的光路在适当位置折叠，形成“Z”字形分布，缩小整个模组体积的意图。
图8，同图3C,显示激光准直单元将光线沿着安装于模组上方的汇聚透镜组的光轴进入汇聚透镜组，汇聚于荧光陶瓷正面上的点的工作示意图。
图9A为采用本发明激光准直单元的车用超高光通量光源模组工作原理示意图。
图9B为图9A侧视图。
图9C为图9B的A-A向剖视图。
图10为由激光光阵列和荧光轮构成的车用超高光通量光源模组零件爆炸示意图。
图中，1-1为激光光源阵列，2为激光准直单元，3为透射式动态荧光轮，4为中继透镜组，5-1为DMD芯片系统，5-2为DMD芯片工作面，6为投影透镜组，7为汇聚透镜组，8为激光光源散热系统，9为安装支架，10为准直透镜阵列，11为半导体激光器陈列，12为汇聚激光斑，13为镀膜反光镜阵列，14为光线吸收体。
具体实施方式
实施例
一种新型智能车灯模组，包括：包含16-42颗大功率蓝光半导体激光元件的激光光源阵列，激光准直单元，动态透射式荧光轮，中继透镜组，DMD芯片系统及投影透镜组，
激光准直单元包含了与所述LED光源数量一一对应的透镜，以收集各激光光源发出的光线，并将所述激光光源光线准直为平行光，
动态透射式荧光轮将由激光光源阵列产生、照射在荧光轮入射面，即正面的蓝色单波长小光斑，转换成符合车灯照明需要的白色复合光谱，在荧光轮的背面输出，
中继透镜组安装于荧光轮出光面，即背面后方，将由荧光轮转换出的朗伯分布的白光收集，并照射在中继透镜组后方的DMD芯片上，
DMD芯片是用以实现电子输入、光学输出的微机电系统(MEMS)，执行空间光调制，
投影透镜组将经过DMD调制过的光线放大投影出去，形成车灯的最终照明光型。
根据本发明，通过安装在透镜前的镀膜反光镜阵列，将左右两个方向射来的准直光线全部反射向同一方向，即所有激光器发出的光线，已全部准直为相同方向的平行光，激光准直单元沿着安装于模组上方的汇聚透镜组的光轴进入汇聚透镜组。通过汇聚透镜组将所有激光器发出的光线汇聚于荧光陶瓷的正面上的一个点，如图3C，图4F,图8所示。
根据本发明，输出的光斑空间能量分布为朗伯型。同时由于激光照射功率比较大，采用动态旋转的荧光轮的方案，避免激光长时间照射同一点导致荧光陶瓷损坏，如图4A-F，图10所示。
荧光轮背面的白色光斑的尺寸形状，与照射在其正面的激光光斑对应，但都远小于DMD工作面的尺寸。中继透镜组经过设计，可以将荧光轮背面的白色光斑放大后成像于DMD芯片的工作面上，尺寸符合DMD工作面的要求，尽量避免光线照射到工作面以外的区域，提高效率，如图5D,图7所示。
DMD芯片是一种由德州仪器公司开发、生产，用以实现电子输入、光学输出的微机电系统(MEMS)，开发人员可借助该系统执行高速、高效及可靠的空间光调制。每一个DMD都含有最多200万个独立控制的微镜(构建于相应的CMOS存储单元上)。
具体来说，当DMD工作面内的某一像素处于“开”状态时，通过中继透镜组来的光线，会被DMD上的这一特定像素的反射进入投影透镜组的入瞳范围，从而被投影透镜组投射出去(在屏幕上)形成一个点亮的像素，如图6C所示。如果某一像素处于“关”状态，那么将把照射在其上的光线反射进入布置于DMD芯片系统内的吸光器，由于该像素上的光线未被投影透镜组接受到，所以(在屏幕上)相应的会形成暗像素。在运行期间，DMD控制器为每个基本存储单元加载一个“1”或一个“0”。接下来会施加镜像复位脉冲，这会引起每个微镜静电偏离大约一个铰链，从而达到相应的+/-12°状态。由于会受到两个弹簧顶针的阻力而物理停止，这两个有效状态的偏离角度是可重复的。在投影系统中，+12°状态对应“开”像素，-12°状态对应“关”像素。通过对每个镜片的开/关占空比进行编程来创建灰度图形，并且可以多路复用多个光源以创建RGB全彩图像。在其他应用中，+/-12°状态为两个通用输出端口提供一个图形及其反向图形。
根据本发明，采用DMD数字微镜器件，与激光阵列光源，动态透射型荧光陶瓷组合，创造了一种新的车灯照明光学模组设计方案，提供了一种实现高分辨率智能大灯的光学解决方案。并且该方案采用激光光源，由激光、准直阵列形成的光斑会远小于LED光源，因此整个系统的体积会大幅缩小，并且重要的是，系统的光学效率会高于采用LED光源的类似装置。
根据本发明，既能保证我方(搭载本发明技术方案的LED自适应大灯的汽车驾驶员)的前方高质量照明，又不会对道路上其他参与者(比如相向、同向行驶的车辆等)形成危险的炫目，保证了道路上各方的夜间驾驶安全。

Claims (10)

1.一种激光准直单元，用于智能车灯模组，所述激光准直单元设置于激光光源阵列和透射式动态荧光轮之间，其特征在于，
所述激光光源阵列为间隔对置的矩形框架，矩形框架二侧相对设置有成排状的半导体激光器，形成激光光源；
所述激光准直单元包括：
激光准直透镜阵列，所述激光准直透镜阵列与形成于所述激光光源阵列矩形框架二侧的成排状半导体激光器设置在同侧，所述激光准直透镜阵列嵌设于所述激光光源阵列的成排状半导体激光器之间的同时，与所述激光光源阵列对侧的成排状半导体激光器正对设置，且与所述半导体激光器的位置、数量一一对应；
镀膜反射镜阵列，所述镀膜反射镜阵列上、下斜向置于矩形框架中间，即所述激光准直透镜阵列与半导体激光器阵列之间。
2.如权利要求1所述一种激光准直单元，其特征在于，所述激光准直单元通过安装在准直透镜前的镀膜反光镜阵列，将矩形框架的激光光源阵列对向两个方向射来的准直光线全部反射向同一方向，即将所有半导体激光器发出的光线全部准直为相同方向的平行光，沿着安装于单元上方的汇聚透镜组的光轴，进入位于中继透镜组之前的汇聚透镜组，通过汇聚透镜组将所有半导体激光器发出的光线汇聚于汇聚透镜组的荧光陶瓷正面上的一个点。
3.如权利要求1所述一种激光准直单元，其特征在于，通过汇聚透镜组将所有半导体激光器发出的光线汇聚于汇聚透镜组的荧光陶瓷正面上的一个点，得到一个高光功率的蓝色小光斑，所述光斑尺寸1.6-1.8平方毫米，光功率50-70W。
4.如权利要求1或3所述一种激光准直单元，其特征在于，上、下斜向置于矩形框架中间，即位于激光准直透镜阵列与半导体激光器阵列之间的镀膜反射镜阵列，其镀膜反射镜的420～720nm反射率大于97％。
5.如权利要求1或3所述一种激光准直单元，其特征在于，矩形框架二侧相对设置的成排状的半导体激光器数为6-48。
即，所述激光光源阵列包含6-48颗大功率蓝光半导体激光元件。
6.如权利要求5所述一种激光准直单元，其特征在于，矩形框架二侧相对设置的成排状的半导体激光器数纵、横向排列数分别为3-7,所述激光光源阵列为间隔21-28mm矩形框架。
7.一种车用超高光通量光源模组，使用权利要求1-6任一项所述的激光准直单元，其特征在于，
所述车用超高光通量光源模组包括，设置于汇聚透镜组出光前方的透射式动态荧光轮，
透射式动态荧光轮将由激光光源阵列产生、照射在荧光轮入射面，即正面的蓝色单波长小光斑，转换成符合车灯照明需要的白色复合光谱，在荧光轮的背面输出。
8.如权利要求7所述一种车用超高光通量光源模组，其特征在于，所述荧光陶瓷经透射式动态荧光轮的动态旋转，透射式转换过程，将450nm波长蓝色激光转换为包含420`720nm的复合白色光。
9.如权利要求7所述一种车用超高光通量光源模组，其特征在于，从激光阵列到荧光轮构成所述车用超高光通量光源模组的光源单元，其光通量达到13000流明以上。
10.如权利要求7所述一种车用超高光通量光源模组，其特征在于，所述透射式动态荧光轮采用透射式方案，且是动态旋转，将照射于荧光轮正面的单色激光光斑转换为复色白光在荧光轮的背面输出。
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