CN107076380B - 用于车辆的照明装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于车辆的照明装置，其包括多个基于半导体的光源和用于产生具有明暗界限的预定光分布的成像单元，其特征在于，该成像单元包括具有至少两个透镜(2、3；12、13)的校正装置(1)，所述透镜(2、3；12、13)的至少一个透镜表面构造为衍射透镜表面(5、7；15、17)以用于在可见波长范围内消色差，所述至少两个透镜(2、3；12、13)由不同透镜材料制成，所述至少两个透镜(2、3；12、13)的另外的透镜表面构造为折射透镜表面(4、6；14、16)，其折光力
Figure DDA0001228990810000011
根据温度范围和/或根据所述至少两个透镜(2、3；12、13)的透镜材料的膨胀系数计算，以便通过将透镜(2、3；12、13)的折光力相加来满足校正装置(1)的预定的总折光力
Figure DDA0001228990810000013

Description

用于车辆的照明装置
技术领域
本发明涉及一种用于车辆的照明装置，其包括多个基于半导体的光源和用于产生具有明暗界限的预定光分布的成像单元。
背景技术
DE102010027322A1公开了一种用于车辆的照明装置，其包括多个矩阵状设置的光源和一个配置给光源的成像单元，从而可以产生预定光分布。成像单元可以具有副镜组，该副镜组包括一个透镜以及一个设置在副镜组与光源之间的主镜组。在由成像单元产生的光分布的明暗界限上常常出现不希望的色边纹。尤其是当成像单元具有由塑料、如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PC(聚碳酸酯)或LSR(液态硅胶)制成的元件时，成像单元的折射率根据温度更强地变化。在照明装置运行的－50℃至150℃的相对大的温度范围内出现若干毫米的焦点偏移。这导致明暗边界的模糊成像。
US5737120A公开了一种包括两个透镜的成像单元，在其中两个透镜之一具有衍射透镜表面。但由此引起的消色差涉及8μm至12μm波长范围中的红外线辐射。为了减小热影响，所述两个透镜由不同材料制成。该已知成像单元的缺点在于：其不能用于汽车领域的照明装置。
发明内容
因此，本发明的目的在于：改进用于车辆的、包括多个基于半导体的光源和用于产生预定光分布的成像单元的照明装置，从而以简单的方式减小或者说补偿热干扰影响和颜色干扰影响。
为了解决该目的，本发明的特征在于：
－成像单元包括具有至少两个透镜的校正装置，所述透镜的至少一个透镜表面构造为衍射透镜表面，以用于在可见的波长范围中消色差，
－所述至少两个透镜由不同的透镜材料制成，
－所述至少两个透镜的另外的透镜表面构造为折射透镜表面，其折光力根据温度范围和/或根据所述至少两个透镜的透镜材料的膨胀系数计算，从而通过将透镜的折光力相加来满足校正装置预定的总折光力。
本发明的特别优点在于：根据本发明的校正装置补偿一级热影响和颜色影响。光学系统的折光力得以稳定，其中，其在很大程度上与热影响解耦。颜色效应显著减少，这可以通过选择光源光谱的至少两个不同的波长来进一步优化。有利的是：在可见的波长范围内(380nm至780nm)实现消色差，虽然在该光谱范围中，折射率差异较大。有利的是：不仅对于玻璃透镜材料、而且也对于塑料透镜材料可以实现无热化。无热化在-50℃至150℃的温度范围内进行，车辆照明装置通常在该温度范围内运行。
根据本发明的一种优选的实施方式，校正装置具有第一透镜和第二透镜，它们分别具有一个衍射透镜表面和折射透镜表面。所述衍射透镜表面和/或折射透镜表面可构造成球面或非球面的。在非球面的构造中还可以补偿球面的成像误差。有利的是：有针对性地设计校正装置的几何形状，以便优化两个透镜的耦合并且由此最小化菲涅尔损失以及调节和安装费用。
根据本发明的一种优选实施方式，第一透镜和第二透镜在相互面对的侧面上直接贴靠。优选地，贴靠面横向或垂直于光轴定向地设置。第一透镜的朝向光源的表面和第二透镜的背向光源的表面分别具有衍射透镜表面和折射透镜表面。在此，衍射结构被施设到弯曲面或者弯曲表面上，两个透镜由此可以经由相应的横向侧面实现直接耦合。通过省却光在离开第一透镜时并且进入第二透镜前向空气的过渡，可以减少透镜的两个相互面对的界面上的菲涅尔损失。有利的是可以降低调节费用，这是因为只需将两个透镜之一相对其余系统定向。
根据本发明的一种改进方案，当在第一透镜和第二透镜之间设有至少一个材料层且该材料层的折射率介于第一透镜和第二透镜的两个折射率之间时可进一步减少菲涅尔损失。
根据本发明的一种改进方案，所述校正装置构造为副镜组，其配置给多个矩阵状设置的光源和多个分别设置在光源前的主镜组。校正装置尤其是将热影响和颜色影响的补偿以及由光源发出的光线的成像集为一体。
根据本发明的一种改进方案，校正装置构造为主镜组，其分别配置给矩阵状设置的光源。沿主照射方向在光源和主镜组前设置有优选作为透镜单元的副镜组。在这种方案中，校正装置优选用于补偿热影响和颜色影响。根据预定光分布的成像优选通过副镜组进行。
根据本发明的一种改进方案，通过由阿贝方程和无热化方程对一种折光力、即不同透镜的折射折光力或衍射折光力相互求比值来确定折射透镜表面的折光力。有利的是由此可以由一个用于总折光力的方程确定各个折光力。
附图说明
下面参考附图详细说明本发明的实施例。
附图中：
图1为根据第一种实施方式的校正装置的示意性侧视图；
图2为根据第二种实施方式的校正装置的示意性侧视图；
图3为照明装置的示意性侧视图，该照明装置包括矩阵状设置的光源和作为副镜组的校正装置；
图4为照明装置的示意性侧视图，该照明装置包括矩阵状设置的光源和作为主镜组的校正装置。
具体实施方式
用于车辆的照明装置可以构造为前部区域中的前照灯或构造为尾灯。在车辆前部区域中，照明装置可以用于产生近光灯分布、防眩的远光灯分布或其它光分布如高速公路光、市内行驶光等。光分布通常具有明暗界限。
为了避免明暗界限上的色边纹或者说为了减少基于照明装置在预定温度范围(-50℃至150℃)内的运行温度的热影响，在照明装置中集成有校正装置1，该校正装置根据图1的本发明第一种实施方式构造为一件式的。该校正装置1是成像单元的组成部分，所述成像单元按照预定的光分布成像由许多未示出的基于半导体的光源发出的光。在当前实施例中，校正装置1构成成像单元。
校正装置1在朝向光源的一侧上具有第一透镜2而在背向光源的一侧上具有第二透镜3。第二透镜3沿主照射方向H设置在第一透镜2前。
第一透镜2在朝向光源的一侧上具有包括折射透镜表面4和衍射透镜表面5的表面。折射透镜表面4成形为使得校正装置1无热地作用。折射透镜表面4构造成球面的。作为可选方案，其也可构造成非球面的。折射透镜表面4具有折光力
Figure GDA0001987518260000041
其具有向内凸拱的形状。衍射透镜表面5结构化成使得校正装置1消色差地作用。衍射透镜表面5构造为菲涅尔结构并且具有折光力
Figure GDA0001987518260000042
第二透镜3在背向光源的一侧上具有向外凸拱的表面。该表面具有折射透镜表面6，所述折射透镜表面成形为使得校正装置无热地作用。折射透镜表面6具有折光力
Figure GDA0001987518260000043
该表面还具有衍射透镜表面7，该衍射透镜表面结构化成使得校正装置1消色差地作用。衍射透镜表面7具有菲涅尔结构且折光力为
Figure GDA0001987518260000044
第一透镜2和第二透镜3在相互面对的侧面上直接贴靠。第一透镜2和第二透镜3在相互面对的侧面上分别具有平坦表面8或9。这两个表面8、9垂直于校正装置1的光轴10延伸。第一透镜2的表面8和第二透镜3的表面9例如可以材料锁合地彼此连接、尤其是通过粘接彼此连接。第一透镜2和第二透镜3因此构成混合透镜。
第一透镜2和第二透镜3由不同材料、尤其是由具有不同膨胀系数的不同塑料材料制成。
根据本发明的一种未示出的实施方式，在第一透镜2的表面8与第二透镜3的表面9之间也可以设置材料层，该材料层的折射率n介于第一透镜2的折射率n1和第二透镜3的折射率n2之间。即使在这种情况下，在第一透镜2和第二透镜3之间也没有空气介质。
根据图2的校正装置1的第二实施方式，第一透镜12设置在朝向光源的一侧上而第二透镜13设置在背向光源的一侧上，其中，第二透镜13与第一透镜12间隔开距离地设置。第一透镜12在背向光源的表面上具有向内凸拱的折射透镜表面14并且在朝向光源的表面上具有衍射透镜表面15。折射透镜表面14具有折光力并且衍射透镜表面15具有折光力第一透镜12的朝向光源的表面基本上构造成平坦的并且垂直于光轴10。为了便于理解，在图1和2中所示的表面结构(菲涅尔结构)放大地示出并且不相应于实际尺寸比例或形状。
根据第一种实施方式和第二种实施方式的不同透镜的相同功能设有相同的附图标记。
第二透镜13在背向光源的表面上具有折射透镜表面16，其向外凸拱并且具有折光力
Figure GDA0001987518260000053
在第二透镜13的朝向光源的表面上设置有衍射透镜表面17，其具有折光力
Figure GDA0001987518260000054
第二透镜13的朝向光源的表面如第一透镜12的朝向光源的表面那样构造或设置成平坦的并且垂直于光轴10。
在下面示例性说明第一透镜2、12或第二透镜3、13的折光力
Figure GDA0001987518260000055
的确定，在此衍射结构导致消色差。
出发点是用于折光力
Figure GDA0001987518260000056
和的方程(1)、(2)：
Figure GDA0001987518260000058
Figure GDA0001987518260000059
据此产生校正装置1的总折光力
Figure GDA00019875182600000510
Figure GDA00019875182600000511
其中，对于折射率n以及球面弯曲表面的曲率半径R和衍射表面第一菲涅尔区的区半径r适用：
ni:＝ni(λ0,T0) (4)
Ri:＝Ri(T0) (5)
ri:＝ri(T0) (6)
消色差通过透镜2、3或12、13的衍射透镜表面5、7或15、17实现。为了能够借助两个折射透镜表面4、6；14、16和两个衍射透镜表面5、7；15、17来校正两个波长，下述条件因此适用于两个透镜(阿贝方程)：
对于无热化必须满足下述条件(无热化方程)：
Figure GDA0001987518260000062
其中，αi在此是相应透镜材料的膨胀系数并且T1是温度。
由方程(7)中可得出下述代换：
Figure GDA0001987518260000063
Figure GDA0001987518260000064
由方程(8)中可得出下述代换：
Figure GDA0001987518260000065
Figure GDA0001987518260000066
通过转换方程(7)产生下述关系式：
Figure GDA0001987518260000067
通过插入无热化方程(8)可产生下述在第一透镜2、12的和第二透镜3、13的
Figure GDA0001987518260000069
之间的关系式：
Figure GDA00019875182600000610
由阿贝方程(7)也可得到
Figure GDA0001987518260000071
和
Figure GDA0001987518260000072
之间的关系式：
Figure GDA0001987518260000073
通过将方程(13)、(14)、(15)插入用于总折光力
Figure GDA0001987518260000074
的方程(3)中可将该方程转换成
Figure GDA0001987518260000075
的形式：
Figure GDA0001987518260000076
相应地可计算其它折光力
Figure GDA0001987518260000077
如此计算的第一透镜2、12和第二透镜3、13能够补偿一级热影响和颜色影响。
根据图3的本发明另一种实施方式，校正装置1构造为副镜组20，其配置给多个矩阵状设置在支承板21上的光源22。这些光源22优选构造为LED光源，沿主照射方向H在这些光源前方分别设置一个主镜组23。
根据图4的本发明一种可选实施方式，校正装置1可以构造为主镜组24，其分别配置给光源22。在本发明的这种变型方案中，校正装置1的尺寸相对小于根据图1至3中的实施方式。沿主照射方向H在主镜组24前设有构造为透镜的副镜组25，该副镜组用于根据预定光分布成像。
根据本发明的一种未示出的可选实施方式，校正装置1也可以包括多于两个透镜。优选校正装置1具有至少两个折射透镜表面。
根据一种未示出的可选实施方式，第一透镜2、12的衍射结构或第二透镜3、13的衍射结构也可用于无热化。在这种实施方式中，折射折光力用于消色差。在方程(13)中表述λ被T代替并且在方程(14)中表述T被λ代替。在此相应地，阿贝方程(7)和无热化方程(8)相互代换。在该实施方式中虽然也补偿一级热影响和颜色影响。但为此需要较多的透镜材料，因此前述实施方式是优选的。
附图标记列表
1 校正装置
2 第一透镜
3 第二透镜
4 折射透镜表面
5 衍射透镜表面
6 折射透镜表面
7 衍射透镜表面
8 平坦表面
9 平坦表面
10 光轴
12 第一透镜
13 第二透镜
14 折射透镜表面
15 衍射透镜表面
16 折射透镜表面
17 衍射透镜表面
21 支承板
22 光源
23 主镜组
24 主镜组
25 副镜组
H 主照射方向
n、n1、n2 折射率

Claims (20)

1.用于车辆的照明装置，其包括多个基于半导体的光源和用于产生具有明暗界限的预定光分布的成像单元，其特征在于，
－该成像单元包括具有至少两个透镜(2、3；12、13)的校正装置(1)，所述至少两个透镜(2、3；12、13)的至少一个透镜表面构造为衍射透镜表面(5、7；15、17)以用于在可见波长范围内消色差，
－所述至少两个透镜(2、3；12、13)由不同透镜材料制成，
－所述至少两个透镜(2、3；12、13)包括第一透镜和第二透镜，
－第一透镜的朝向光源(22)的表面和第二透镜的背向光源(22)的表面均具有所述衍射透镜表面和具有折射透镜表面；或者第一透镜的和第二透镜的朝向光源(22)的表面均具有所述衍射透镜表面，而第一透镜的和第二透镜的背向光源(22)的表面均具有折射透镜表面，
－所述折射透镜表面的折光力
Figure FDA0002146373080000011
根据温度范围和/或根据所述至少两个透镜(2、3；12、13)的透镜材料的膨胀系数计算，以便通过将所述至少两个透镜(2、3；12、13)的各透镜表面的折光力相加来满足校正装置(1)的预定的总折光力
Figure FDA0002146373080000012
2.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于，所述折射透镜表面(4、6；14、16)成形为使得校正装置(1)是无热的。
3.根据权利要求1所述的照明装置，其特征在于，所述折射透镜表面(4、6；14、16)构造成非球面或球面的。
4.根据权利要求2所述的照明装置，其特征在于，所述折射透镜表面(4、6；14、16)构造成非球面或球面的。
5.根据权利要求1至4之一所述的照明装置，其特征在于，所述衍射透镜表面(5、7；15、17)结构化成使得校正装置(1)是消色差的。
6.根据权利要求1至4之一所述的照明装置，其特征在于，所述衍射透镜表面(5、7；15、17)具有菲涅尔结构。
7.根据权利要求1至4之一所述的照明装置，其特征在于，所述第一透镜(2)和第二透镜(3)在相互面对的侧面上直接贴靠。
8.根据权利要求1至4之一所述的照明装置，其特征在于，在第一透镜(2)和第二透镜(3)之间设有材料层，该材料层的折射率n介于第一透镜(2)的折射率n1和第二透镜(3)的折射率n2之间。
9.根据权利要求1至4之一所述的照明装置，其特征在于，a)所述校正装置(1)构造为一个副镜组(20)，该副镜组配置给多个矩阵状设置的光源(22)和主镜组(23)，所述主镜组分别配置给所述光源；或者b)校正装置(1)作为主镜组(24)分别配置给矩阵状设置的光源(22)，其中，沿主照射方向H在主镜组(24)前设置有配置给该主镜组的副镜组(25)。
10.根据权利要求1至4之一所述的照明装置，其特征在于，第一透镜(2、12)的折射透镜表面(4、14)的折光力
Figure FDA0002146373080000021
与第二透镜(3、13)的折射透镜表面(6、16)的折光力
Figure FDA0002146373080000022
的比值和/或第一透镜(2、12)的衍射透镜表面(5、15)的折光力
Figure FDA0002146373080000023
与第二透镜(3、13)的衍射透镜表面(7、17)的折光力
Figure FDA0002146373080000024
的比值通过阿贝方程中和无热化方程中的代换求出，第一透镜(2、12)的折射透镜表面(4、14)的折光力
Figure FDA0002146373080000025
与第一透镜(2、12)的衍射透镜表面(5、15)的折光力
Figure FDA0002146373080000026
的比值以及第二透镜(3、13)的折射透镜表面(6、16)的折光力
Figure FDA0002146373080000027
与第二透镜(3、13)的衍射透镜表面(7、17)的折光力
Figure FDA0002146373080000028
的比值通过阿贝方程中的代换和无热化方程中的代换求出，从而用于总折光力
Figure FDA0002146373080000029
的方程能求解折射透镜表面(4、6；14、16)和衍射透镜表面(5、7；15、17)的折光力
11.用于车辆的照明装置，其包括多个基于半导体的光源和用于产生具有明暗界限的预定光分布的成像单元，其特征在于，
－该成像单元包括具有至少两个透镜的校正装置，所述至少两个透镜的至少一个透镜表面构造为衍射透镜表面以用于无热化，
－所述至少两个透镜由不同透镜材料制成，
－所述至少两个透镜包括第一透镜和第二透镜，
－第一透镜的朝向光源的表面和第二透镜的背向光源的表面均具有所述衍射透镜表面和具有用于在可见波长范围内消色差的折射透镜表面；或者第一透镜的和第二透镜的朝向光源的表面均具有所述衍射透镜表面，而第一透镜的和第二透镜的背向光源的表面均具有用于在可见波长范围内消色差的折射透镜表面，
－所述折射透镜表面的折光力根据温度范围和/或根据所述至少两个透镜的透镜材料的膨胀系数来计算，从而通过将所述至少两个透镜的各透镜表面的折光力相加来满足校正装置的预定的总折光力。
12.根据权利要求11所述的照明装置，其特征在于，所述折射透镜表面(4、6；14、16)成形为使得校正装置(1)是无热的。
13.根据权利要求11所述的照明装置，其特征在于，所述折射透镜表面(4、6；14、16)构造成非球面或球面的。
14.根据权利要求12所述的照明装置，其特征在于，所述折射透镜表面(4、6；14、16)构造成非球面或球面的。
15.根据权利要求11至14之一所述的照明装置，其特征在于，所述衍射透镜表面(5、7；15、17)结构化成使得校正装置(1)是消色差的。
16.根据权利要求11至14之一所述的照明装置，其特征在于，所述衍射透镜表面(5、7；15、17)具有菲涅尔结构。
17.根据权利要求11至14之一所述的照明装置，其特征在于，所述第一透镜(2)和第二透镜(3)在相互面对的侧面上直接贴靠。
18.根据权利要求11至14之一所述的照明装置，其特征在于，在第一透镜(2)和第二透镜(3)之间设有材料层，该材料层的折射率n介于第一透镜(2)的折射率n1和第二透镜(3)的折射率n2之间。
19.根据权利要求11至14之一所述的照明装置，其特征在于，a)所述校正装置(1)构造为一个副镜组(20)，该副镜组配置给多个矩阵状设置的光源(22)和主镜组(23)，所述主镜组分别配置给所述光源；或者b)校正装置(1)作为主镜组(24)分别配置给矩阵状设置的光源(22)，其中，沿主照射方向H在主镜组(24)前设置有配置给该主镜组的副镜组(25)。
20.根据权利要求11至14之一所述的照明装置，其特征在于，第一透镜(2、12)的折射透镜表面(4、14)的折光力
Figure FDA0002146373080000041
与第二透镜(3、13)的折射透镜表面(6、16)的折光力
Figure FDA0002146373080000042
的比值和/或第一透镜(2、12)的衍射透镜表面(5、15)的折光力
Figure FDA0002146373080000043
与第二透镜(3、13)的衍射透镜表面(7、17)的折光力
Figure FDA0002146373080000044
的比值通过阿贝方程中和无热化方程中的代换求出，第一透镜(2、12)的折射透镜表面(4、14)的折光力与第一透镜(2、12)的衍射透镜表面(5、15)的折光力
Figure FDA0002146373080000046
的比值以及第二透镜(3、13)的折射透镜表面(6、16)的折光力
Figure FDA0002146373080000047
与第二透镜(3、13)的衍射透镜表面(7、17)的折光力
Figure FDA0002146373080000048
的比值通过阿贝方程中的代换和无热化方程中的代换求出，从而用于总折光力
Figure FDA0002146373080000049
的方程能求解折射透镜表面(4、6；14、16)和衍射透镜表面(5、7；15、17)的折光力
Figure FDA00021463730800000410
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