CN107101150A - 设置有光源的子矩阵的光束投射装置、设置有该装置的照明和前灯模块 - Google Patents

设置有光源的子矩阵的光束投射装置、设置有该装置的照明和前灯模块 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种尤其地用于机动车辆的光学光束投射装置，其特征在于：所述光学光束投射装置包括在光线传播方向上的上游的一组至少两个相关联的子矩阵(20)以及在下游的设置有多个会聚光学部件的主光学系统(4)，每个子矩阵都设置有能够发射光线的主光源(8)，至少一个会聚光学部件与每个子矩阵(20)相关联并且布置在其下游，两个相邻会聚光学部件的光学轴线之间的间隔分别地与对应相邻子矩阵的中心之间的间隔对应。本发明的另一主题是包括所述装置的光学模块和机动车辆前灯。

Description

设置有光源的子矩阵的光束投射装置、设置有该装置的照明 和前灯模块
技术领域
本发明涉及尤其地用于机动车辆的光束投射装置，和设置有该投射装置的近光束或远光束类型的光束前灯。
背景技术
机动车辆前灯设置有一个或多个光学模块，一个或多个光学模块布置在由前透镜密封的壳体中以在前灯的输出端处获得一个或多个光束。简单的说，壳体的光学模块特别包括例如一个(或多个)发光二极管的光源和光学系统，所述光源发射光线，所述光学系统包括一个或多个透镜并且如果适当还包括反射器，以定向来自光源的光线以形成光学模块的输出光束。
已知一些机动车辆前灯能够根据车辆的司机的需要改变光束的定向。因而，当车辆执行转向时，车载电子系统命令改变光束的定向以在操作过程中使定向适应司机的视场。前灯然后在车辆的转动方向上移动光束的轴线以照明道路而不是向前笔直地投射光束。
其它已知的前灯可以用相同的光源执行近光束和远光束功能。为此，前灯使用机械装置，所述机械装置显示称为光束弯曲器的元件以截止光束的一部分。此外，还具有针对高速公路设计的近光束类型的照明，当车辆在高速公路上移动时，所述照明光束稍微地高于通常的近光束的截止部来传输以改善道路能见度。
因而，期望能够控制由源发出的光线以改变离开前灯的光束的尺寸并且管理以执行所有上述功能。
为实现该目的，文件DE 102008 061 556描述设置有发光二极管的矩阵的照明装置，每个二极管是可单独访问的。二极管在彼此旁边布置，每个二极管发射离开前灯的光束的一部分。该装置因而使得可以通过激活发光二极管的与需要光束尺寸对应的比例来控制光束的尺寸。
然而，当前的二极管矩阵使得不可以获得均一的光束。实际上，因为二极管间隔开最小距离，因此在构成总光束的不同光束之间出现间隙，该间隙对应于二极管的间隔。
此外，在当前的照明系统中，需要光束的增加的分辨率，对于像素数量的需要因此是极大的。因而，范围从100到600甚至更多的光源的数量必须足够多以满足该需要。
现在，包括该多个源的二极管矩阵具有多个额外的缺点。第一缺点在于该组件的生产成本，因为一方面，不大量地生产组件，并且另一方面，因为组件是较复杂的，所以其产品是更昂贵的。第二缺点源于该矩阵的易碎性，该矩阵要求处理时特别小心以避免任何损坏。
发明内容
本发明因此旨在获得被构造成投射其尺寸和定向可以被改变并且避免上述缺陷的光束的光学模块。
为此，本发明涉及尤其地用于机动车辆的光学光束投射装置，所述光学光束投射装置包括在光线的传播方向上的上游的一组至少两个相关联的子矩阵以及在下游的设置有多个会聚光学部件的主光学系统，每个子矩阵都设置有能够发射光线的主光源，至少一个会聚光学部件与每个子矩阵相关联并且布置在其下游，两个相邻会聚光学部件的光学轴线之间的间隔分别地对应于对应相邻子矩阵的中心之间的间隔。
此外，在本申请中，主光源的矩阵应该理解为表示根据至少两列乘以至少两行，优选地至少十列乘以至少三行布置的一组主光源。
由以行或列布置的至少两个主光源组成的组件然后称为子矩阵。例如，子矩阵可以包括一行和两列二极管。优选地，子矩阵可以包括至少两行和至少两列二极管。有利地，实现的源的矩阵可以由数个不同尺寸的子矩阵组成。
为测量间隔，将尤其地采用在与主光源的发射表面平行的平面上的正交投影中的位置。如果子矩阵定位在第一平面中，并且会聚光学部件使其光学轴线与穿过所述光学部件的、优选地平行于第一平面的第二平面成直角，将在每个考虑的平面上，或如果两个平面是平行的则在第一平面和第二平面中的仅一个上，的投影中测量相应的间隔。
有利地，会聚光学部件被构造成形成子矩阵的虚像，虚像形成在主光源的子矩阵的上游，使得虚像的尺寸大于子矩阵的尺寸。
另外，与在主光源的下游实现主光源的实像的装置相比，虚像的形成使得可以沿着装置的光学轴线获得更好的紧凑性。
因而，本发明使得可以使用和关联子矩阵以形成较大尺寸的光源的矩阵。制造该单件式矩阵(整体矩阵)的需要因而被避免，这使得可以降低生产成本，并且减少损坏情况下的损耗。此外，在无需每次制造适当尺寸的较大矩阵的情况下，通过根据需要并置子矩阵，子矩阵的组件的尺寸可以容易地被选择。
此外，因为虚像形成在光源的子矩阵的上游，因此虚像被放大并且因此最小化由不同子矩阵的源生成的光束之间的间隙。在优选的实施例中，主光学系统被构造成使得虚像被并置或大致地并置，因而生成光在子矩阵之间、并且在子矩阵内、在构成所述子矩阵的源之间的分布的良好均一性。
根据本发明的将能够一起或分别使用的不同实施例:
主光学系统被布置成使得子矩阵的虚像大致地相邻以形成均一的光分布，
主光学系统被构造成在平面中形成虚像，
会聚光学部件布置在每个主光源下游；
每个会聚光学部件都包括会聚输入微屈光部；
每个会聚光学部件都包括具有至少一个凸面部分的输入微屈光部；
会聚输入微型屈光部具有平坦表面，
主光学系统包括用于所有会聚光学部件或所有输入微屈光部的单个输出屈光部，
输出屈光部被构造成校正光学像差，
输出屈光部具有大致球面形式，
输出屈光部具有细长形式，具有双焦点清晰度；
主光学系统包括用于每个输入微屈光部的输出微屈光部，以获得作为光学部件的双凸面透镜，
主光学系统包括用于每个子矩阵的输出屈光部，
主光学系统由单种材料制成，即其各种构成元件都是相同材料的；
主光学系统包括两个分离的光学元件，每个光学元件由相同材料制成，第一光学元件包括输入屈光部，第二光学元件包括输出屈光部，
主光源是发光二极管。
在本发明的情况下，微屈光部用于指定屈光部，所述屈光部的外部尺寸小于或等于主光源的尺寸或主光源的相关联子矩阵的尺寸的5倍。它们通常是毫米量级的大小。因而，例如，对于其发射表面具有1mm的侧边测量值的单独发光二极管(LED)，相关联屈光部的尺寸在具有5mm的最大侧边直径的正方形中。如果主光源由LEDs的子矩阵组成，则将考虑子矩阵的尺寸。
此外，如果主光源都是相同尺寸的，则将可以为所有的微屈光部设置相同尺寸。有利地然而，还将可以提供与位于矩阵边缘、尤其地位于外侧末端处的源相关联的比其他屈光部尺寸更大的屈光部，以形成侧向地和竖直地细长的虚像，所述虚像将给出比其他光模式的尺寸更大的投射光模式，尤其地以产生人行道的照明。
本发明还涉及包括诸如投射透镜或反射器的该投射装置和投射构件的光学模块，投射装置和投射构件在光束的投射方向上布置在主光学系统的下游，投射构件能够投射来自虚像的光束，所述虚像用作用于投射构件的光源，并且所述投射构件聚焦在所述虚像上。
本发明的该最后一个特征是特别有趣的和有利的。实际上，投射构件在虚像上尤其地在包括所述虚像的平面上的聚焦，使得光学投射模块对主光学系统的生产缺陷不敏感:如果投射构件聚焦在屈光部的表面上，则该表面被成像并且因此所有其生产缺陷是可见的，生产缺陷可以在投射的光束中生成均一性的缺陷或色差的缺陷。此外，这使得可以使用与主光学部件关联的光源的子矩阵，每个源和/或源的子矩阵被分别成像。
本发明还涉及设置有该光学模块的机动车辆前灯。
附图说明
将根据以下描述伴随附图更好理解本发明，所述描述仅作为指示给出并且所述描述的目标不受限于此:
-图1示意性地图示根据本发明的投射模块的第一实施例的透视图，
-图2示意性地图示图1的投射模块的一部分的放大透视图，
-图3示意性地图示在图2的投射模块的部分上的虚像的形成的透视图，
-图4示意性地图示根据本发明的投射模块的第一实施例的侧视图，
-图5示意性地图示根据本发明的投射模块的第二实施例的第一变化例的侧视图，
-图6示意性地图示根据本发明的投射模块的第二实施例的第二变化例的侧视图，
-图7示意性地图示根据本发明的投射模块的第二实施例的第三变化例的侧视图，
-图8示意性地图示根据本发明的投射模块的第二实施例的第四变化例的侧视图，
-图9示意性地图示根据本发明的投射模块的第二实施例的第五变化例的侧视图，
-图10示意性地图示第一实施例的产品变化例的侧视图，
-图11示意性地图示光源的矩阵的第一类型的正视图，
-图12示意性地图示光源的矩阵的第二类型的正视图，
-图13示意性地图示光源的矩阵的第三类型的正视图，
-图14示意性地图示光源的矩阵的第四类型的正视图。
具体实施方式
图1到图4示出尤其地用于机动车辆的光学光束投射模块1的第一实施例。在光线沿着光学轴线15的传播方向上从上游到下游，模块1包括，能够发射光线的主光源8的矩阵2、透射光线的主光学系统4、和被构造成投射来自被主光学系统4透射的入射光线的光束的投射构件。
在图中，投射构件采取单个投射透镜3的形式。然而可以通过配置有多个透镜、多个反射器的关联或甚至一个或多个透镜和/或一个或多个反射器的组合形成投射构件。
主光源8例如是在矩阵2上形成阵列的发光二极管，如图2所示。发光二极管的这些矩阵2是已知的并且可在市场上获得。
主光学系统4的功能是传输来自二极管的光线使得，当与此处成投射透镜3的形式的投射构件组合时，投射到模块外例如到道路上的光束是均一的。为此，主光学系统4设置有优选地是会聚输入微屈光部5的多个会聚光学部件。此处，输入微屈光部5具有凸表面，即输入微屈光部5朝源8向外成圆顶形。表面然而可以是平坦的、平坦-凸面的或凹面-凸面的。输入微屈光部5有利地布置在每个光源8下游，即每个发光二极管或矩阵2的二极管的子矩阵下游，如图2所示。输入微屈光部5形成主光源8的虚像6，如图3所示。
虚像6形成在主光源8的矩阵2的上游，并且因而用作用于投射透镜的新光源。获得的虚像6被放大和优选地大致地是相邻的。换句话说，虚像6不被极大的空间分离。此外，相邻的虚像可以与彼此轻微重叠，这将转换成投射构件的其相应的投影的重叠，该重叠在放置于距装置25m的屏幕上被测量，该重叠将优选地小于1°。实际上，在设计主光学系统时，将试图确保虚像从旁轴观察点并置，具有容限裕度以确保关于光源的定位精度和微屈光部的表面的生产缺陷的稳健性:每个虚像的边缘将被模糊，以获得该轻微的重叠，该重叠将确保生成的光束的良好均一性。主光学系统4因此使得可以形成主光源8的虚像6以获得光束的均一分布，即光束的部分相对于彼此被正确地调节，而在其之间没有(过于强烈的)黑暗的条带和/或明亮的条带，该条带对于驾驶舒适度可以是有害的。
此外，相对于光源的实矩阵，虚像6距离投射透镜3更远，这使得可以保持紧凑的光学模块。
主光学系统4有利地被构造成在平面61中形成虚像6，虚像6的尺寸大于主光源8的尺寸。如图4所示，虚像6的尺寸的增大允许虚像6在平面61中的并置以相邻彼此。为此，凸曲率和形成微屈光部的材料与主光源8的矩阵2的尺寸匹配，这是主光学系统4相对于矩阵2的定位，使得虚像6被正确地并置。根据子矩阵的尺寸和增大意图，子矩阵和主光学系统4之间的距离将是，子矩阵的尺寸的25％到200％，优选地50％到100％，包括上下限，例如距离为1mm到7mm，包括上下限。
为了更加清楚，图4到10中不示出虚像6。仅这些虚像6位于的平面61已经被表示。
图4的光学模块1包括主光源8的矩阵2、设置有输入微屈光部5的主光学系统4和通过投射透镜3形成的投射构件。主光学系统4还包括用于所有输入微屈光部5的单个输出屈光部9。
输出屈光部9提供被传输到投射透镜3的光束的光学校正。校正尤其地用于改善装置的光学效率并且校正系统4的光学像差。为此，输出屈光部9具有大致球面圆顶部形式。该形式仅偏转来自布置在光学轴线15上的源的光束的光线的方向，并且光线穿过输出屈光部9。
在表示的产品示例中，输出屈光部9具有大致球面圆顶部形式。
根据未示出的变化例，其将具有包括双焦点清晰度的圆柱形类型的细长形式。从前部看到，输出屈光部9比其高度更宽。根据该变化例的产品的优选示例，输出屈光部9在水平截面中并且因此在横向方向上具有较大的曲率半径和小于5mm的偏转。水平截面中的表面可以是凸面的或凹面的，即输出屈光部9相应地是会聚的或发散的，发散的输出屈光部9特别有利于减少光学装置的体积。仍然根据该优选的产品示例，在竖直截面中并且因此在其高度方向上，输出屈光部9的表面是非球面的，具有一阶球面近似，所述近似具有5mm和10mm之间并且包括5mm和10mm的半径。
在该第一实施例中，主光学系统4由一种材料即相同材料制成。换句话说，输入微屈光部5和输出屈光部9形成主光学系统4的一个和相同元件的输入面和输出面，这类似于复合透镜。
在图10示出的第一实施例的变化例中，主光学系统4包括用于每个输入微屈光部5的输出微屈光部9。主光学系统4然后形成一组双凸面微透镜，每个微透镜布置在主光源前方。然而微透镜不可以校正被传输的整个光束，像设置有单个输出屈光部9的主光学系统4。这些微透镜类似于图6示出的第二实施例的第二变化例的那些微透镜，如下所述。它们具有提供虚像的更好均一性和图像的更小变形的优点。
在第二实施例中，如图5到8所示，装置包括主光源8的多个子矩阵20，以代替先前实施例的矩阵2。发光二极管的子矩阵20更容易处理并且比较大尺寸的矩阵更便宜。因而，更便宜的是通过关联多个子矩阵20来获得较大尺寸的矩阵。该构成可以包括从100到600个发光二极管。
图11到14表示可以用作根据本发明的装置的子矩阵的不同类型的矩阵。该矩阵包括可分别访问的至少两个不同的光发射区域。
图11示出发光二极管类型的光源8的多芯片矩阵20，每个源8都是可分别访问的。每个源8都在独立的芯片上分别制成，芯片安装在保持元件18上，源8自身与支撑件17上的其他源组装。图12表示多芯片矩阵20的第二类型，其中在布置在支撑件17上的共用保持元件18上，发光二极管与彼此预组装。
图13和14图示单个芯片矩阵20，其中光源8具有共用电极。二极管具有接触的两个电极16、19，第一点电极19和第二表面电极16。在图13中，通过激活第一电极19，可分别访问源8，第二电极对于芯片的所有源8是相同的。另一方面，图14的光源8具有第二电极19，第二电极19分成多个部分以具有用于每个源8的独立第二电极19，第一电极16可同时地激活。
根据特定的变化实施例，光子矩阵20可以基于包括多个亚毫米尺寸的发光单元的半导体光源，发光单元分布在不同的可选择性激活的光区域。特别地，每个亚毫米尺寸的发光单元成棒的形式。此外，棒在一个且相同的基板上，基板优选地包括硅。
主光学系统4关联来自子矩阵20的光线以形成具有与设置有单个矩阵的实施例相同性质的单个光束。本发明因此使得可以不仅使用市场上的标准构件，还避免在较大尺寸的构件上发生的热膨胀问题。
由不同子矩阵20形成的光束彼此互补，有利地形成光束的不超过每个光束的1°孔径角的轻微叠加。用较大角度叠加不同的光束被避免以保持构件的离散化并且保持其轮廓被很好地限定的投射光束。
图5示出光学投射模块1的第一变化例，光学投射模块1在上游包括多个子矩阵20并且在下游包括诸如投射透镜的投射构件3。光学装置还在子矩阵20和投射透镜3之间包括设置有多个会聚光学部件的主光学系统4，此处多个会聚光学部件具有会聚输入微屈光部5，此处具有凸表面并且被构造成在一个和相同平面61中形成虚像6，。输入微屈光部5布置在子矩阵20下游，输入微屈光部5对应于主光源8的子矩阵20。
在子矩阵20的上游，光源的虚像6形成在一个和相同平面61中，使得虚像6的尺寸大于子矩阵20的尺寸，虚像6然后用作用于投射透镜3的光源。
如图4的实施例，图5的主光学系统4具有单个输出屈光部9，输出屈光部9形成为提供被传输到投射透镜3的光束的光学校正，输出屈光部9还具有凸面圆顶部形式。此外，主光学系统4还是由单种材料制成的光学元件。
在图6示出的第二实施例的第二变化例中，主光学系统4包括用于每个输入微屈光部5的输出微屈光部9。此处，输出屈光部9的功能不是校正被传输光束。主光学系统4然后形成一组双凸面微透镜。在本实施例中，模块包括主光源8的子矩阵20，每个双凸面微透镜布置在子矩阵20下游。
图7示出根据本发明的光学模块1的第二实施例的第三变化例，并且第三变化例包括主光学系统4，主光学系统4设置有具有凸面输入微屈光部5的会聚光学部件，该会聚光学部件布置在主光源8的子矩阵20下游。输入微屈光部5对应于每个子矩阵20的主光源8。在该变化例中，主光学系统4包括用于每个子矩阵20的输出屈光部9。每个透镜的输出屈光部9和输入微屈光部5是材料连续的，使得其形成复合透镜。主光学系统4的复合透镜还可以连接到彼此。因而，输出屈光部9生成子矩阵的放大虚像，使得每个子矩阵20的光束相对于彼此被调节。此外，用于每个子矩阵20的输出屈光部9避免来自不同子矩阵的光束之间的寄生光线。
此外，在这种情况下，输出屈光部9和输入微屈光部5形成由单个工件制成的主光学系统4的部分。换句话说，主光学系统4仅包括单个元件。
图8描述了第二实施例的第四变化例，第四变化例类似于图7的第三变化例，区别在于分离成两个元件12、13的主光学系统4。第一元件12包括输入微屈光部5和用于所有输入微屈光部5的大致平坦的单个输出面。第二元件13设置有输入面，所述输入面具有用于每个子矩阵20的凸面屈光部14和也用于每个子矩阵20的输出屈光部9。
图9的第五变化例大致地与第四变化例相同。第一元件12的形式在如下方面不同，即第一元件12包括一组双凸面微透镜，以类似于图6的第二变化例的方式。第二部件13与第四变化例中的第二部件大致地相同。
第三、第四和第五变化例的光学系统4特别适合于其中主光源8彼此远离的子矩阵20。超过主光源8的宽度的5％的距离可以被认为是极大的距离。因而，放置在每个主光源8下游的输入微屈光部5使得由主光源8提供的光可以在根据前述过程的子矩阵中形成为均一的。放置在每个子矩阵20下游的输出屈光部9的功能是在平面11中形成在这些子矩阵之间均一的第二虚像。
当具有用于(图8和9的情况的)每个子矩阵的输入屈光部14时，输出屈光部9和输入屈光部14的关联在子矩阵之间产生虚像。有利地，因而生成图像的较少几何变形。由于子矩阵之间的距离大于分离光源8的距离，所以子矩阵20之间的该标准化尤其是有用的。
凭借在第一实施例中描述的本发明获得的优点也在第二实施例的变化例中获得。

Claims (16)

1.一种光学光束投射装置，尤其地是用于机动车辆的光学光束投射装置，其特征在于：
所述光学光束投射装置包括在光线传播方向上的上游的一组至少两个相关联的子矩阵(20)以及在下游的设置有多个会聚光学部件的主光学系统(4)，每个子矩阵都设置有能够发射光线的主光源(8)，至少一个会聚光学部件与每个子矩阵(20)相关联并且布置在其下游，两个相邻的会聚光学部件的光学轴线之间的间隔分别地与对应的相邻子矩阵的中心之间的间隔对应。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述光学部件被构造成形成子矩阵(20)的虚像(6)，所述虚像(6)形成在主光源(8)的子矩阵(20)的上游，使得虚像(6)的尺寸大于子矩阵(20)的尺寸。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：
主光学系统(4)被布置成使得子矩阵(20)的虚像(6)大致地相邻以形成均一的光分布。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于：
主光学系统(4)被构造成在平面中形成虚像(6)。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于：
会聚光学部件布置在每个主光源(8)下游。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于：
每个会聚光学部件都包括具有至少一个凸面部分的输入微屈光部(5)。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：
主光学系统(4)包括用于主光学系统的所有会聚光学部件或所有输入微屈光部(5)的单个输出屈光部(9)。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：
输出屈光部(9)被构造成校正光学像差。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：
输出屈光部(9)具有大致球面形式。
10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：
主光学系统(4)包括用于每个输入微屈光部(5)的输出微屈光部(9)以获得作为光学部件的双凸面透镜。
11.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：
主光学系统(4)包括用于每个子矩阵(20)的输出屈光部(9)。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于：
主光学系统(4)由一体单件式材料制成。
13.根据权利要求6到10中的任一项所述的装置，其特征在于：
主光学系统包括两个分离的光学元件，每个光学元件由一体单件式材料制成，第一光学元件(12)包括输入屈光部(5)，并且第二光学元件(13)包括输出屈光部(9)。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于：
主光源(8)是发光二极管。
15.一种光学光束投射模块，尤其地是用于机动车辆照明的光学光束投射模块，包括根据前述权利要求中的任一项所述的光学装置和诸如投射透镜(3)或反射器等投射构件，投射构件在光束的投射方向上布置在主光学系统(4)的下游，投射构件能够投射来自虚像(6)的光束，所述虚像用作用于投射构件的光源，所述投射构件聚焦在所述虚像的平面上。
16.一种机动车辆前灯，包括根据前一权利要求所述的光学光束投射模块(1)。
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