CN106662310A - 用于在道路上生成光分布的方法和前灯 - Google Patents

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Abstract

用于机动车的前灯具有至少一个激光光源（1），所述至少一个激光光源能够借助于操控装置（3）和处理单元（4）来调制并且所述至少一个激光光源的激光射束（2）通过由射束偏转操控装置（9）所操控的射束偏转装置（7）被定向到至少一个光转换装置（8）上，所述光转换装置具有用于转换光的磷光体，并且所述前灯还包括投影系统（12），用于将在所述至少一个光转换装置上所生成的光图像（12）投影到道路（13）上，其中除了改变所指定的光分布之外，所述处理单元（4）被配置用于借助于所述操控装置（3）根据所指定的函数在朝在所述光转换装置（8）上所生成的光图像（11）的边缘的方向增加强度的意义上改变所述激光光源（1）的射束（2）的强度。

Description

用于在道路上生成光分布的方法和前灯
技术领域
本发明涉及用于借助于机动车前灯在道路上生成光分布的方法，在所述方法中将至少一个激光射束借助于至少一个所操控的射束偏转装置以在至少一个坐标方向上扫描的方式定向到光转换装置上，以便在所述光转换装置处生成光图像，所述光图像借助于投影光学器件被投影到道路上，其中所述至少一个激光射束的强度能够被调制。
本发明还涉及用于机动车的前灯，所述前灯具有至少一个激光光源，所述激光光源能够借助于操控装置和处理单元来调制以及所述激光光源的激光射束通过由射束偏转操控装置操控的射束偏转装置被定向到至少一个光转换装置上，所述光转换装置具有用于转换光的磷光材料，并且所述前灯还包括用于将在至少一个光转换装置处生成的光图像投影到道路上的投影系统。
背景技术
在机动车中激光光源的使用当前在重要性方面提高，因为激光二极管实现更通用的以及更有效的解决方案，由此除了关于功能性的新可能性之外，光束的发光二极管和前灯的光输出也可以被显著增加。
然而，在已知的解决方案中，不发射直接的激光射束以便避免由于极端地被聚束的高功率光射束而危及人和其它生物。更确切地说，激光射束被引导到居间的转换器上，所述转换器包含发光转换材料或简称“磷光体”，并且所述激光射束尤其是通过该光转换装置从例如蓝光转换成优选地“白”光，使得在与散射的激光辐射的叠加中产生合法的白光印象。
EP 2 063 170 A2公开了在引言中所提到的类型的用于机动车的前灯，在所述前灯中为了利用不炫目的自适应主射束对道路进行照明，能够根据其它道路使用者或根据环境参数、比如安装了所述前灯的机动车的速度、城市/乡村/高速公路环境、天气、曙暮光状况等等而省略特定的区域。激光的射束通过能够在两个空间方向上被移动的微镜被定向到发光表面上，所述发光表面包含用于将激光转换成优选地白光的磷光体。发光表面的光图像借助于透镜被投影到道路中。
当通过投影透镜或另一投影光学器件来使光图像成像时，发生透镜误差，尤其所谓的“自然照明下降”和“渐晕”。
自然照明下降通过cos4(α)定律来描述，所述定律表明：朝着边缘的图像亮度暗至cos4(α)倍(α是射束相对于光轴的角度)。
在渐晕的情况下存在对来自光转换装置的光图像的边缘区域的射束的遮蔽，由此在边缘处的图像亮度比在中间更低。亮度损失的严重程度与透镜系统的孔径光阑的所使用的几何尺寸、具体地直径和/或数值孔径相关并且尤其是也与光转换装置的辐射特性相关。
然而，在本发明的该说明书的范围内，术语“照明下降”将被理解为意指光在图像的边缘处的强度的任何下降，不管其产生的物理性质。在“自然照明下降”和由于渐晕引起的变暗之间的理论上的上面所提到的区别在实践中以及也在当前情况下是无关紧要的。
DE 102009025678A1描述扫描镜装置和用于对用于生成亮度图案的LED光源或激光光源调光的控制器。半导体光源仅仅通过通/断开关沿着镜的来回移动路线被操控。因此公开了一种基本的控制可能性，但是没有提到用于校正成像错误的对光强度根据扫描镜装置的位置的可变控制。
发明内容
本发明的目的现在在于创建如下方法，所述方法实现照明下降的完全的或者至少广泛的补偿。也将创建一种前灯，利用所述前灯至少很大程度上抵消该照明下降。
所述目的利用在引言中所指定的类型的方法来实现，在所述方法中根据本发明为了校正所述照明下降，根据所指定的函数在朝在光转换装置上所生成的光图像的边缘的方向增加强度的意义上改变所述至少一个激光射束的强度。
在一种有利的变型方案中规定：使所述至少一个激光射束的强度乘以坐标相关的校正因子。
这里，也可能适宜的是，为了校正根据cos4α定律的照明下降，使所述至少一个激光射束的强度乘以校正因子δ(x,y)的倒数，其中，其中并且，g是磷光体和投影光学器件之间的光程，A、B是镜振动的幅度，并且ωx、ωy是镜振动在坐标方向x、y上的频率。
在另一方面，也可能有利的是，为了校正由于渐晕引起的照明下降，使用校正因子，其中点坐标(x,y)相对于光轴。
在一种适宜的变型方案中可以规定：至少在水平方向x上执行用于校正照明下降的对强度的改变。
在另一种推荐的变型方案中规定：射束偏转装置具有至少一个微镜，所述微镜能够围绕至少一个轴旋转，以及具有激光光源，所述激光光源根据所述至少一个微镜的角位置来生成至少一个光束。
在此情况下适宜的是，以对应于在相应的坐标方向上的机械固有频率的频率来操控所述微镜。
所陈述的问题也利用上面所提到的类型的前灯来解决，在所述前灯中根据本发明，除了改变所指定的光分布之外，处理单元被配置用于借助于操控装置根据所指定的函数在增强光图像的边缘的方向上的强度的意义上来改变所述激光光源的射束的强度，所述光图像在光转换装置上生成。
这里，可能有利的是，处理单元通过操控装置被配置用于使操控电流以及因此激光射束强度乘以坐标相关的校正因子。
此外适宜的是，为了校正根据cos4α定律的照明下降，处理单元被配置用于使所述至少一个激光射束的强度乘以校正因子δ(x,y)的倒数，其中 ，其中并且，g是磷光体和投影光学器件之间的光程，A、B是镜振动的幅度，并且ωx、ωy是镜振动在坐标方向x、y上的频率。
另一方面，有利地规定：为了校正由于渐晕引起的照明下降，所述处理单元被配置用于使所述至少一个激光射束的强度乘以校正因子，其中点坐标(x,y)相对于光轴。
在一种适宜的变型方案中可以规定：射束偏转装置具有至少一个微镜，所述微镜能够围绕轴旋转，并且关于所述镜的角位置的位置信号被馈送到处理单元，以便调制所述激光光源，所述激光光源根据所述至少一个微镜的角位置来生成所述至少一个光束。
这里推荐：射束偏转操控装置被设计用于将至少一个驱动信号输出到至少一个微镜，所述驱动信号的频率对应于所述微镜在相应的坐标方向上的机械固有频率。
附图说明
以下基于在附图中所说明的示范性实施例来更详细地解释本发明连同另外的优点，在附图中：
图1以示意图示出前灯的对于本发明来说必要的组件以及组件之间的关系，
图2a、2b和2c示意性地示出在磷光体上所生成的光图像的投影的情况下射束走向以及边缘射束，以及
图3与图1类似地示意性地示出光转换装置的磷光体上的示范性的扫描路径。
具体实施方式
参照图1，现在将更详细地解释本发明的一个示范性实施例。尤其说明对于根据本发明的前灯来说重要的部件，其中清楚的是，机动车前灯也包含很多其它部件，所述部件实现所述前灯在机动车、尤其比如汽车或摩托车中的适当使用。就光而言，所述前灯的出发点是激光光源1，所述激光光源输出激光射束2，并且给所述激光光源分配了激光操控装置3，其中该操控装置3用于供电以及也用于监视激光发射或者例如用于温度控制以及也被配置用于调制所辐照的激光射束的强度。术语“调制”应结合本发明被理解为意指：激光光源的强度可以或者连续地或者在接通和切断的意义上以脉冲的方式被改变。必要的是，可以根据下面进一步更详细地描述的镜的角位置来类似地动态地改变光输出。此外，还存在如下可能性：针对某一时间段接通以及切断激光，以便不对所定义的区域进行照明或遮住所定义的区域。用于通过扫描激光射束来生成图像的动态操控方案的示例例如以申请人的名义的、申请日为2013年7月16日的奥地利专利申请A 50454/2013中予以描述。
激光光源在实践中经常包含多个激光二极管，例如六个激光二极管，例如每个为1瓦特，以便实现所期望的输出或所要求的光通量。激光光源1的操控电流用Is表示。
激光操控装置3又从中央处理单元4接收信号，传感器信号s1…si…sn可以被馈送到所述中央处理单元。这些信号可以是例如用于从主射束切换到近光束的切换命令，或者可以是例如由传感器S1…Sn、比如摄像机记录的信号，所述传感器检测照明状况、环境条件和/或道路上的物体。这些信号也可以源于车辆-车辆通信信息。
激光光源1例如输出蓝光或UV光，其中激光光源被布置在准直光学器件5和聚焦光学器件6的上游。光学器件的设计尤其与所使用的激光二极管的类型、数量和空间放置有关，与必需的射束质量有关，以及与在光转换装置处的所期望的激光光斑大小有关。
所聚焦的和/或所成形的激光射束2'接触微镜7并且被反射到光转换装置8上，所述光转换装置在当前的示例中被形成为发光表面并且例如如已知的那样包括用于光转换的磷光体。所述磷光体例如将蓝光或UV光转换成“白”光。结合本发明，“磷光体”一般被理解为意指物质或物质混合物，所述物质或物质混合物将一种波长的光转换成另一波长或波长混合的光、尤其转换成“白”光，这可以根据表述“波长转换”被包括在内。
使用发光染料，其中起始波长一般比所发射的波长混合更短并且因此更高能。所期望的白光印象这里通过加色混合来产生。这里，“白光”被理解为意指光谱组成的光，所述光给人留下颜色“白”的印象。术语“光”当然不限于对于人眼可见的辐射。针对光转换装置例如考虑光学陶瓷，也就是说透明的陶瓷，比如YAG:Ce（掺铈的钇铝石榴石）。
在此时应注意的是，在附图中光转换装置被示出为磷光体表面，在所述磷光体表面上，一个扫描激光射束或多个扫描激光射束生成图像，所述图像从磷光体的该侧开始被投影。然而，也可以使用半透明的磷光体，在所述半透明的磷光体的情况下来自背对投影透镜的侧的激光射束生成图像，其中然而辐照侧处于光转换装置的面朝投影透镜的侧上。因此，反射以及透射射束路径都是可能的，其中最后也不排除反射和透射射束路径的混合。
在当前的示例中围绕两个轴振动的微镜7由镜操控装置9借助于驱动信号ax、ay来操控并且例如被使得在两个彼此正交的方向x、y上以恒定的频率振动，但是在很多情况下在x方向和y方向上以不同频率振动，其中这些振动尤其可以对应于微镜在相应的轴上的机械固有频率。在以静电方式工作的微镜的情况下大约150伏特的相对高的驱动电压是必需的。偏转操控装置9也由处理单元4来控制，以便能够调整微镜7的振动幅度，其中围绕相应的轴的不对称的振动也可以被设定。微镜的操控是已知的并且可以以很多方式来执行，例如以静电方式或以电动力方式来执行。在本发明的所测试的实施例的情况下，微镜7例如在x方向上围绕第一振动轴10x以20kHz的频率振动并且在y方向上围绕第二振动轴10y以400Hz的频率振动，并且其最大摆动根据其操控导致所得到的光图像例如在x方向上的+/-35°以及在y方向上的-12°至+6°的偏差，其中镜偏转是这些值的一半。如下实施例也是可能的，在所述实施例中在两个坐标方向上的振动频率是相同的。
微镜7的位置适宜地借助于位置信号pr被传送到偏转操控装置9和/或处理单元4。应注意的是，尽管微镜的使用是优选的，但是其它射束偏转装置、比如可移动的棱镜也可以被使用。
因此，激光射束6在光转换装置8上扫描光图像11，所述光图像具有指定的光分布，所述光转换装置一般是平的，但是不必是平的。光图像11然后利用投影系统12作为光图像11'被投影到道路13上。这里，激光光源以高频率以脉冲方式或连续地被操控，使得任何光分布不仅可以被调整（例如主射束/近光束），而且当由于特殊的地形或道路情况而要求时，例如当行人或接近的车辆被所述传感器S1…Sn中的一个或多个检测到并且相应地期望改变道路照明的光图像11'的几何尺寸和/或强度时可以根据微镜的位置快速地被改变。投影系统12这里以简化的方式作为透镜予以说明，其中限定孔径用12A表示，所述限定孔径例如可以是透镜架的限定。
术语“道路”这里被用于简化的表示，因为当然其与关于光图像11'是实际上处于道路上还是也延伸到道路之外的当地状况有关。原则上，图像11'对应于垂直面上的投影，所述投影符合于涉及机动车照明技术的有关标准。
如已经在引言中提到的，由于有缺陷的投影系统在所投影的图像中产生亮度的降低，这是对于所有光学系统来说固有的以及在摄影术中众所周知的麻烦事。
为了成功地弥补在引言中所解释的照明下降的问题，现在规定：为了校正照明下降，除了改变上面所讨论的光分布之外，根据所指定的函数在朝在所述光转换装置8上所生成的光图像11的边缘的方向增加强度的意义上改变激光射束2的强度。
cos4(α)定律描述已经在引言中被提到的所谓的“自然照明下降”，据此朝着边缘的图像亮度暗至cos4(α)倍（α是相对于光轴的角度）。因此，图像的中心之外的角度α中的图像亮度I(α)是
I(α) = I0·cos4(α)，其中I0是在图像的中间的亮度。
在图2a、2b和2c中以简化的方式说明导致渐晕的几何情况，其中附图标记8表示光转换装置，12表示透镜，所述透镜表示投影光学器件，其中θ0是穿过成像透镜的入射光瞳的射束的最大孔径角。其描述从物点到光轴的一侧的所接受的射束。给这种射束分配了孔径角θ(α)，所述孔径角与偏转角度α相关。
射束v表示在中心的恰好缺乏渐晕的边缘射束；因此，最大可用数值孔径由孔径角θ0来定义。如果激光射束现在在被置于光轴的一侧的点16处遇到射束，则另一射束θ(x,y)由投影系统、例如透镜穿过限制、即渐晕光阑12A被投影到道路上。为了强调该不同的射束的区别，与点16相关联的边缘射束用v'表示。可用光通量被边缘射束v'减少，并且这在当前情况下通过校正来补偿。
从光转换装置8的磷光体上的偏转点(x,y)开始的每个渐晕的射束集具有朝着成像透镜12的入射孔径在x方向和y方向上不同大小的射束宽度。沿着这些正交的方向所分配的角度通过成像透镜的已知焦距来计算：孔径角θ(α)=θ(x,y)可以以第一近似被表示为这两个角度值的算数平均。这种平均例如被用于椭圆激光光斑的激光分类中。
在渐晕的情况下存在对来自光转换装置的光图像的边缘区域的射束的遮蔽，由此在边缘处的图像亮度比在中间更低。亮度损失的严重程度与所使用的几何尺寸相关并且尤其也与光转换装置的辐照特性相关。
为了抵消由于渐晕引起的照明下降，例如使用校正因子ε：
其中I是在点(x,y)处的光强度，并且n是传播介质的折射率。
在图2c中以简化的方式说明了cos4(α)定律的效应。所述定律描述由入射光瞳的透视变形引起的朝着像场的边缘的衰减，并且已长期为本领域技术人员所知。该效应对所投影的光图像的影响在当前情况下通过校正来补偿。为了抵消自然照明下降，可以使用校正因子δ，其中使激光射束的强度乘以校正因子δ(x,y)的倒数，其中，其中并且，g是磷光体和投影光学器件之间的光程，A、B是镜振动的幅度，并且ωx、ωy是镜振动在坐标方向x、y上的频率。在实践中，激光光源1的电源电流利用两个校正因子ε(x,y)和δ(x,y)来校正，这导致相应地被适配的校正因子。
在图3中，为了改进的说明，例如已示出了采样过程，其中出发点是根据图1的图示。在光转换装置8的磷光体上的光图像11的放大的图示中，可以看到逐行扫描，其中15表示关于坐标x和y的原点，具体地表示投影系统12的光轴与光转换装置的平面的交点，所述磷光体处于所述平面上，并且16表示具有坐标(x,y)的一般点，具体地表示激光射束的各自的冲击点，关系tan(α) = 适用于所述点。
当激光光源中的每个激光二极管可以单独地被操控时，不同地被分配的冲击点也可以在所有情况下利用所适配的校正因子来调制。一般地，通过用如下方式调制操控电流Is来改变激光射束的强度，即，使操控电流乘以位置相关的校正因子。
如上面所讨论的，照明下降的起因对于补偿该照明下降来说是相当次要的。在实践中，根据经验确定这种校正值γ，相关性被存储在表格中，并且使这些值在存储器14中可用于处理单元，所述存储器连同其它信息可以包含这些校正值或者用于校正照明下降的校正表格。
磷光体的实际辐照特性的根据经验所确定的、例如由于磷光体的所选择的几何尺寸对掺杂的密度波动的影响同样可以通过相应的校正值来加以考虑。
在另一变型方案中，整个系统被划分成两个相同结构的激光射束生成单元并且设置有两个微镜，所述微镜各自在两个坐标方向上振动。一个激光单元例如被定位在成像透镜的光轴之上，并且第二激光单元被定位在成像透镜的光轴之下。由于该镜像的布置，相应的镜操控装置的协调被简化，因为仅仅符号的改变必须被考虑，其中这种实施例增加磷光体上的激光输出。
尽管已呈现了围绕两个轴振动的微镜的优选的示范性实施例，但也可以使用两个微镜，所述微镜中的一个围绕轴A振动而所述微镜中的另一个围绕轴B振动。第一微镜被分配激光光源并且生成光图像图案，所述光图像图案可以一维地被扫描，例如水平地延伸的行图像。第二微镜围绕与轴A正交地定向的轴B振动，并且将由第一镜所产生的行与该行的延展成直角地移动，使得能够二维地被改变的完整的行图像在光转换装置上被产生。这可以带来关于两个微镜上的输出分布的优点，但是这里可能遇到关于两个半系统的调整的问题。在此情况下，多个偏置调整的激光射束可以朝着此类型的微镜被定向，所述微镜于是生成重叠的或直接邻近的光带。具有仅仅一个单微镜的实施例也是可设想的，在所述实施例中例如激光射束逆着前灯的主辐照方向直接接触微镜，所述微镜然后将激光射束偏转到磷光体上，光穿过所述磷光体。然而，划分成两组激光光源以及使用两个微镜带来关于紧凑的构造以及能够良好地被管理的散热的优点，尤其是因为微镜的可能的热负荷是有限的。

Claims (13)

1.用于借助于机动车前灯在道路（13）上生成光分布的方法，在所述方法中至少一个激光射束（2）借助于至少一个所操控的射束偏转装置（7）以在至少一个坐标方向上扫描的方式被定向到光转换装置（8）上，以便在所述光转换装置处生成光图像（11），所述光图像借助于投影光学器件（12）被投影到所述道路上，其中所述至少一个激光射束的强度能够被调制，
其特征在于，
为了校正照明下降，根据所指定的函数在朝在所述光转换装置（8）上所生成的所述光图像（11）的边缘的方向增加强度的意义上来改变所述至少一个激光射束（2）的强度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使所述至少一个激光射束（2）的强度乘以坐标相关的校正因子(δ,ε,v)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，为了校正根据cos4(α)定律的照明下降，使所述至少一个激光射束的强度乘以校正因子δ(x,y)的倒数，其中，其中并且，g是磷光体和投影光学器件之间的光程，A、B是镜振动的幅度，并且ωx、ωy是镜振动在坐标方向x、y上的频率。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，为了校正由于渐晕引起的照明下降，使用校正因子，其中点坐标(x,y)相对于光轴。
5.根据权利要求1至4中任何一项所述的方法，其特征在于，至少在水平方向x上执行用于校正照明下降的对强度的改变。
6.根据权利要求1至5中任何一项所述的方法，其特征在于，所述射束偏转装置具有至少一个微镜（7），所述至少一个微镜能够围绕至少一个轴旋转，以及具有激光光源（1），所述激光光源根据所述至少一个微镜的角位置来生成至少一个光束（2）。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述微镜（7）以对应于在相应的坐标方向上的机械固有频率的频率来操控。
8.用于机动车的前灯，所述前灯具有至少一个激光光源（1），所述至少一个激光光源能够借助于操控装置（3）和处理单元（4）来调制并且所述至少一个激光光源的激光射束（2）通过由射束偏转操控装置（9）操控的射束偏转装置（7）被定向到至少一个光转换装置（8）上，所述光转换装置具有用于转换光的磷光体，并且所述前灯还包括投影系统（12），所述投影系统用于将在所述至少一个光转换装置处生成的光图像（12）投影到道路（13）上，
其特征在于，
除了改变所指定的光分布之外，所述处理单元（4）被配置用于借助于所述操控装置（3）根据所指定的函数在朝在所述光转换装置（8）上所生成的所述光图像（11）的边缘的方向增加强度的意义上改变所述激光光源（1）的射束（2）的强度。
9.根据权利要求8所述的前灯，其特征在于，所述处理单元（4）通过所述操控装置（3）被配置用于使操控电流（Is）并且因此所述激光射束强度乘以坐标相关的校正因子(δ,ε,v)。
10.根据权利要求8或9所述的前灯，其特征在于，为了校正根据cos4α定律的照明下降，所述处理单元（4）被配置用于使所述至少一个激光射束的强度乘以校正因子δ(x,y)的倒数，其中 ，其中并且，g是磷光体和投影光学器件之间的光程，A、B是镜振动的幅度，并且ωx、ωy是镜振动在坐标方向x、y上的频率。
11.根据权利要求8或9所述的前灯，其特征在于，为了校正由于渐晕引起的照明下降，所述处理单元被配置用于使所述至少一个激光射束的强度乘以校正因子，其中点坐标(x,y)相对于光轴。
12.根据权利要求8至11中任何一项所述的前灯，其特征在于，所述射束偏转装置具有至少一个微镜（7），所述至少一个微镜能够围绕轴旋转，并且关于所述镜的角位置的位置信号（pr）被馈送到所述处理单元（4），以便调制所述激光光源（1），所述激光光源根据所述至少一个微镜的角位置来生成至少一个光束（2）。
13.根据权利要求12所述的前灯，其特征在于，所述射束偏转操控装置（9）被设计用于将至少一个驱动信号（ax,ay）输出到所述至少一个微镜（7），所述至少一个驱动信号的频率对应于所述微镜在相应的坐标方向上的机械固有频率。
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