CN107101154A - 设有光源矩阵的光束投射装置、照明和前照灯模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种尤其是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在沿光线的传播方向的上游包括主光源(8)的矩阵(2)，所述主光源能够发射光线，并且在下游包括主光学系统(4)，所述主光学系统设置有被配置为形成主光源(8)的虚像(6)的多个会聚光学器件，所述虚像(6)形成在主光源(8)的矩阵(2)的上游，使得虚像(6)的尺寸大于主光源(8)的尺寸。本发明的另一个主题是包括所述装置的光学模块和机动车辆的前照灯。

Description

设有光源矩阵的光束投射装置、照明和前照灯模块
技术领域
本发明涉及尤其是用于机动车辆的光束投射装置以及设置有该投射装置的近光或远光类型的光束前照灯。
背景技术
机动车辆的前照灯设置有布置在被前透镜密封的壳体中的一个或多个光学模块，以在前照灯的输出端获得一束或多束光束。简单地说，壳体的光学模块具体地包括发射光线的光源(例如一个或多个发光二极管)和包括一个或多个透镜的光学系统，以及反射器(在适用的情况下)，以从光源定向光线，以便形成光学模块的输出光束。
已知的是，一些机动车辆的前照灯能够根据车辆的驾驶员的需要改变光束的定向。因而，当车辆进行转弯时，车载的电子系统指挥光束的定向的改变，以使其在机动过程中适应于驾驶员的视场。然后前照灯使光束的轴线沿车辆的转动方向移位，以照亮道路，而不是向正前方投射光束。
其它现有的前照灯可以使用相同的光源实现近光和远光功能。为此，前照灯使用机械设备截取一部分光束，所述机械设备表现为被称为光束弯曲器的元件。此外，也具有被设计为用于高速公路的近光类型的照明，所述照明的光束稍稍在通常的近光束的截止线之上穿过，以便当车辆在高速公路上移动时改善道路可见性。
此外，某些技术能够检测在对向移动的车辆，并且投射具有阴影区域的光束。换句话说，投射的光束在检测到的车辆的方向上具有光洞，以避免使行驶而来的车辆的驾驶员炫目，同时在车辆的两侧保持宽照明。当使用该第四功能时，一个或多个光洞跟随行驶而来的车辆的移动；因此，它们在投射的光束内部移位。
因而，希望能够控制光源发射的光线以改变离开前照灯的光束的尺寸并设法执行所有上述功能。
为达到该目的，文献DE 102008 061 556描述了一种设置有发光二极管矩阵的照明装置，每一个二极管独立地可寻址。二极管布置在彼此旁侧，每一个二极管发射离开前照灯的光束的一个分量。因而，该装置能够通过激活对应于期望的光束尺寸的一部分发光二极管而控制光束的尺寸。
然而，目前的二极管矩阵不能获得均匀的光束。实际上，由于二极管以最小距离间隔开，在组成光束的不同的光束之间出现间隙，所述间隙对应于二极管的间距。
发明内容
因此，本发明旨在获得一种被配置为投射光束的光学模块，所述光束的尺寸和定向可以被改变，并且所述光束的光分布确实是均匀的。
为此，本发明涉及一种尤其是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在沿光线的传播方向的上游包括主光源的矩阵，所述主光源能够发射光线，并且在下游包括主光学系统，所述主光学系统设置有被配置为形成主光源的虚像的多个会聚光学器件，所述虚像形成在主光源的矩阵的上游，使得虚像的尺寸大于主光源的尺寸。
此外，相比于在主光源的下游产生主光源的实像的装置，虚像的形成能够沿装置的光轴获得更好的紧凑性。
因而，通过在光源的矩阵的上游形成虚像，它们被放大，并且因此最小化了不同的光源产生的光束之间的间隙。在优选实施例中，主光学系统被配置为使得虚像并置或基本上并置，因而形成光分布的较好的均匀性。
根据本发明的能够一起或单独地采用的不同实施例：
-会聚光学器件被布置在每一个主光源的下游；
-每一个会聚光学器件包括会聚的输入微屈光部；
-每一个会聚光学器件包括具有至少一个凸部的输入微屈光部；
-会聚的输入微屈光部具有平坦的表面；
-所述主光学系统被布置为使得主光源的虚像基本上相邻以形成均匀的光分布；
-所述主光学系统被配置为在平面内形成虚像；
-会聚光学器件被布置在每一个主光源的下游；
-所述主光学系统对于所有的输入微屈光部包括单一的输出屈光部；
-所述输出屈光部被配置为修正光学像差；
-所述输出屈光部具有大致球面形状；
-所述输出屈光部具有细长形状，具有双焦点分辨率(bifocal definition)；
-所述主光学系统对于每一个输入微屈光部都包括输出微屈光部，以获得双凸透镜；
-所述主光学系统由单一的材料制成，也就是说它的各个构成要素都为相同的材料并且都为一体件；
-所述主光源为发光二极管。
在本发明的上下文中，微屈光部被用于指其外尺寸小于或等于关联的主光源的尺寸的5倍的屈光部。它们通常具有毫米级的数量级。因而，例如，对于其发光表面具有1mm的侧测量值的单个的发光二极管(LED)，关联的屈光部的尺寸落在5mm的最大侧直径的平方的范围内。如果主光源由LED的子矩阵组成，那么将考虑子矩阵的尺寸。
此外，在本申请中，主光源的矩阵应当被理解为是指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。
然后，由呈行或呈列布置的至少两个主光源构成的集合被称为子矩阵。例如，子矩阵可以包括一行两列的二极管。优选地，其可以包括至少两行和至少两列的二极管。有利地，实施的光源的矩阵可以由几个不同尺寸的子矩阵组成。
此外，如果主光源都具有相同的尺寸，将能够为所有屈光部设置具有相同的尺寸。然而有利地，也将能够为与在矩阵的边缘处(尤其是在横向末端处)的光源关联的屈光部设置具有比其它屈光部更大的尺寸，以形成横向和竖向细长的虚像，其将给出具有比其它更大尺寸的投射光图案，尤其是产生人行道的照明。
本发明还涉及一种包括该投射装置和投射设备(例如投射透镜或反射器)的光模块，所述投射设备沿光束的投射方向被布置在主光学系统的下游，所述投射设备能够从作为光源的虚像为聚焦在所述虚像上的投射设备投射光束。
本发明的该最后特征是特别引人关注和有益的。实际上，投射设备在虚像上的聚焦，尤其是在包含所述虚像的平面上的聚焦，使光学投射模块对主光学系统的产品缺陷不敏感：如果投射设备被聚焦在屈光部的表面上，那么该表面被成像并且因此所有其产品缺陷可见，这在投射光束中会产生均匀性或色差缺陷。此外，其使得能够使用与主光学器件关联的光源的子矩阵，每一个光源被单独地成像。
本发明还涉及一种设置有该光学模块的机动车辆的前照灯。
附图说明
通过辅以附图阅读下面的描述将更好地理解本发明，所述描述仅仅作为示例给出并且不意在限制本发明：
图1示意性地图示了根据本发明的投射模块的第一实施例的立体图；
图2示意性地图示了图1的投射模块的一部分的放大立体图；
图3示意性地图示了虚像在图2的投射模块的一部分上的形成的立体图；
图4示意性地图示了根据本发明的投射模块的第一实施例的侧视图；
图5示意性地图示了根据本发明的投射模块的第二实施例的第一变形例的侧视图；
图6示意性地图示了根据本发明的投射模块的第二实施例的第二变形例的侧视图；
图7示意性地图示了根据本发明的投射模块的第二实施例的第三变形例的侧视图；
图8示意性地图示了根据本发明的投射模块的第二实施例的第四变形例的侧视图；
图9示意性地图示了根据本发明的投射模块的第二实施例的第五变形例的侧视图；
图10示意性地图示了第一实施例的产品变形例的侧视图；
图11示意性地图示了第一类型的光源矩阵的正视图；
图12示意性地图示了第二类型的光源矩阵的正视图；
图13示意性地图示了第三类型的光源矩阵的正视图；
图14示意性地图示了第四类型的光源矩阵的正视图。
具体实施方式
图1-4示出了尤其是用于机动车辆的光学光束投射模块1的第一实施例。模块1沿光轴15在光线的传播方向上从上游到下游包括能够发射光线的主光源8的矩阵2、传输光线的主光学系统4和投射设备，所述投射设备被配置为从被主光学系统4传输的入射光线投射光束。
在图中，投射设备采取单一的投射透镜3的形式。然而，投射设备可以通过多个透镜、多个反射器或者甚至一个或多个透镜和/或一个或多个反射器的组合的关联而形成。
主光源8例如为在矩阵2上形成阵列的发光二极管，如图2所示。这些发光二极管的矩阵2是已知的并且在市面上可获得。
图11示出了发光二极管类型的光源8的多芯片矩阵20，每一个光源8独立地可寻址。每一个光源8分开地制造在独立的芯片上，所述独立的芯片安装在保持元件18上，本身与其它光源组装在支撑件17上。图12图示第二类型的多芯片矩阵20，其中发光二极管彼此预组装在设置在支撑件17上的公共保持元件18上。
图13和14图示了单个芯片的矩阵20，其中光源8具有共用的电极。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，光源8通过激活第一电极19可独立地寻址，第二电极对于芯片的所有光源8为相同的电极。另一方面，图14的光源8具有被分成部分的第二电极19，以为每一个光源8提供独立的第二电极19，第一电极16可同时地激活。
根据特定的产品变形例，光子矩阵20可以基于半导体光源，所述半导体光源包括亚毫米尺寸的多个发光单元，所述单元分布在不同的、选择性激活的光区内。具体地，亚毫米尺寸的发光光单元中的每一个采用杆(rod)的形式。此外，所述杆在同一个基板上，所述基板优选地包括硅。
在图1-4中，主光学系统4的功能是从二极管传输光线，使得当与投射设备(这里为投射透镜3的形式)组合时投射出模块(例如投射到道路上)的光束是均匀的。为此，主光学系统4设置有多个会聚光学器件，所述多个会聚光学器件优选地为会聚输入微屈光部5。这里，输入微屈光部5具有凸表面，也就是说，它们朝向光源8向外隆起。然而，所述表面可以是平坦的、平坦-凸起或凹下-凸起的。输入微屈光部5有利地布置在每一个光源8的下游，也就是说在矩阵2的每一个发光二极管或二极管的子矩阵的下游，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，并且因而作为投射透镜的新光源。获得的虚像6是放大的，并且优选地基本上是相邻的。换句话说，它们没有被明显的空间分开。此外，相邻的虚像可以呈现轻微的彼此重叠，这将转化为在距离装置25m处放置的屏幕上测量的由投射设备进行的它们的对应的投射的重叠，其优选地将小于1°。实际上，在主光学系统的设计中，将试图保证从近轴的视点观察以一定公差界限是并置的，以保证相对于光源的定位精度和微屈光部的表面的缺陷的稳定性：每一个虚像的边缘将是模糊的，以获得该轻微的重叠，这将保证产生的光束的良好的均匀性。因此，主光学系统4能够形成主光源8的虚像6，以获得光束的均匀分布，也就是说，光束的分量被相对于彼此准确地调整，而在它们之间没有对驾驶舒适性有害的暗条和/或明条(过分强烈的)。
此外，虚像6相对于光源的实矩阵距离投射透镜3更远，这使得能够保持紧凑的光学模块。
主光学系统4有利地被配置为在平面61内形成虚像6，虚像6的尺寸大于主光源8的尺寸。如图4所示，虚像6的尺寸的放大允许虚像6在平面61内的并置，以便彼此相邻。为此，形成微屈光部的凸曲率和材料与主光源8的矩阵2的尺寸匹配，主光学系统4相对于矩阵2的定位也是这样，使得虚像6被准确地并置。有利地，主光源8与主光学系统4尽可能接近，例如在0.2至2mm的距离处，并且优选地为0.3至0.5mm。
为了更清楚起见，在图4至10中没有图示虚像6。只有这些虚像所位于的平面61已经被图示。
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和由投射透镜3形成的投射设备。主光学系统4还包括对于所有输入微屈光部5的单一的输出屈光部9。
输出屈光部9提供传输给投射透镜3的光束的光学修正。该修正尤其是起到提高装置的光学效率并且修正系统4的光学像差的作用。为此，输出屈光部9具有大致球面的圆顶形状。该形状几乎不使源自布置在光轴15上的光源的光束并且穿过输出屈光部9的光线的方向偏转。
在所图示的产品示例中，输出屈光部9具有大致球面的圆顶形状。
根据未图示的变形例，其将具有圆柱型的细长形状，具有双焦点分辨率。从前面观察，输出屈光部9比它的高更宽。根据该变形例的产品的优选示例，输出屈光部9在水平段以及因此在宽度方向上具有较大的曲率半径，偏差小于5mm。在水平段中的表面可以为凸的或凹的，也就是说，输出屈光部9分别为会聚的或发散的，后一替代方案对于减小光学装置的体积是特别引人关注的。再次根据该优选的产品示例，在竖直段上——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，其具有介于5mm至10mm(并且包括5mm和10mm)之间的半径。
在该第一实施例中，主光学系统4由单一的材料制成。换句话说，输入微屈光部5和输出屈光部9形成同一个元件主光学系统4的输入面和输出面，所述主光学系统像复合透镜一样。
在第一实施例的变形例中，如图10所示，主光学系统4对于每一个输入微屈光部5都包括输出微屈光部9。主光学系统4然后形成一组双凸微透镜，每一个微透镜布置在主光源的前方。然而，微透镜不能够像设置有单一的输出屈光部9的主光学系统4一样修正传输的整体光束。这些微透镜与下面描述的图6中所示的第二实施例的第二变形例的那些微透镜相似。它们具有提供虚像的更好的均匀性和虚像的更小的变形的优点。
在第二实施例中，如图5至8所示，装置包括多个主光源8的子矩阵20，取代前述实施例的矩阵2。发光二极管的子矩阵20比较大尺寸的矩阵更容易处理并且成本更低。因而，通过关联多个子矩阵20获得较大尺寸的矩阵是更成本有效的。该复合可以获得从100到600个发光二极管。
根据特定的变形实施例，光子矩阵20可以基于包括亚毫米尺寸的多个发光单元的半导体光源，所述单元布置在不同的、选择性激活的光区中。具体地，亚毫米尺寸的发光光单元中的每一个采取杆的形式。此外，所述杆在同一个基板上，优选地包括硅。
主光学系统4与来自子矩阵20的光线关联，以形成具有与设置有单一的矩阵的实施例相同的特性的单一的光束。因此，本发明不仅能够使用市面上出现的标准部件，而且能够避免在较大尺寸的部件上出现的热膨胀问题。
由不同的子矩阵20形成的光束彼此互补，有利地光束的轻微叠加不超过1°的每一束的张角。使不同的光束以较大角度叠加被避免，以保持部件的离散化并且保留其外轮廓被很好限定的投射光束。
图5示出了光学投射模块1的第一变形实施例，所述光学投射模块在上游包括多个子矩阵20，并且在下游包括诸如为投射透镜的投射设备3。光学装置还在子矩阵20和投射透镜3之间包括主光学系统4，所述主光学系统设置有多个会聚输入微屈光部5并且被配置为在同一个平面61内形成虚像6，这里多个会聚输入微屈光部具有凸表面。输入微屈光部5布置在子矩阵20的下游，输入微屈光部对应于主光源8的子阵列20。
光源的虚像6形成在子矩阵20的上游的同一个平面61内，虚像6作为投射透镜3的光源。
正如图4的实施例，图5的主光学系统4具有单一的输出屈光部9，所述单一的输出屈光部被形成为提供传输给投射透镜3的光束的光学修正，所述输出屈光部9还具有凸的圆顶形状。此外，主光学系统4也为由单一的材料制成的光学元件。
在第二实施例的第二变形例中，如图6所示，主光学系统4对于每一个输入微屈光部5都包括输出微屈光部9。这里，输出屈光部9的功能不是修正传输的光束。然后，主光学系统4形成一组双凸微透镜。在该实施例中，模块包括主光源8的子矩阵20，每一个双凸微透镜布置在子矩阵20的下游。
图7示出了根据本发明的光学模块1的第二实施例的第三变形例，并且其包括设置有输入微屈光部5的主光学系统4，所述输入微屈光部布置在主光源8的子矩阵20的下游。输入微屈光部5与每一个子矩阵20的主光源8对应。在该变形实施例中，主光学系统4对于每一个子矩阵20包括输出屈光部9。每一个透镜的输出屈光部9和输入微屈光部5材料连续，使得它们形成复合透镜。主光学系统4的复合透镜也可以彼此相连。因而，输出屈光部9产生子矩阵的放大虚像，以便相对于彼此调整每一个子矩阵20的光束。
此外，输出屈光部9和输入微屈光部5形成由单一件制成的主光学系统4的一部分。换句话说，主光学系统4仅包括单一的元件。
图8描述了与图7的第三变形例相似的第二实施例的第四变形例，差别在于主光学系统4被分成两个元件12、13。第一元件12包括输入微屈光部5和对于所有输入微屈光部5基本上平坦的单一的输出面。第二元件13设置有针对每一个子矩阵20的具有凸屈光部14的输入面和也针对每一个子矩阵20的输出屈光部9。
图9的第五变形例与第四变形例基本上相同。第一元件12的形成的差别在于它以与图6的第二变形例相似的方式包括一组双凸微透镜。
第三、第四和第五变形例的光学系统4特别好地适于在其中主光源8彼此分开的子矩阵20。多于主光源8的宽度的5％的距离可以被视为明显的距离。因而，放在每一个主光源8的下游的输入微屈光部5使得能够在子矩阵内根据前述的过程使由主光源8供应的光更均匀。放在每一个子矩阵20的下游的输出屈光部9的功能是使第二虚像位于平面11内，第二虚像在这些子矩阵之间是均匀的。
当具有专用于每一个子矩阵的输入屈光部14时(图8和9的实例)，输出屈光部9和输入屈光部14的关联在子矩阵之间形成虚像。有利地，因而形成更少的图像的几何变形。该子矩阵20之间的标准化在子矩阵之间的距离大于分开光源8的距离的情况下是尤其有用的。
在第一实施例中描述的借助于本发明获得的优点也同样在第二实施例的变形例中获得。

Claims (13)

1.一种尤其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在沿光线的传播方向的上游包括主光源(8)的矩阵(2)，所述主光源能够发射光线，并且在下游包括主光学系统(4)，所述主光学系统设置有被配置为形成主光源(8)的虚像(6)的多个会聚光学器件，所述虚像(6)形成在主光源(8)的矩阵(2)的上游，使得虚像(6)的尺寸大于主光源(8)的尺寸。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述主光学系统(4)被布置为使得主光源(8)的虚像(6)基本上相邻以形成均匀的光分布。
3.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于：所述主光学系统(4)被配置为在平面内形成虚像(6)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于：会聚光学器件被布置在每一个主光源(8)的下游。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：每一个会聚光学器件包括具有至少一个凸部的输入微屈光部(5)。
6.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于：所述主光学系统(4)对于所有的会聚光学器件或所有的输入微屈光部(5)包括单一的输出屈光部(9)。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述输出屈光部(9)被配置为修正光学像差。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述输出屈光部(9)具有大致球面形状。
9.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述主光学系统(4)对于每一个输入微屈光部(5)都包括输出微屈光部(9)，以获得双凸透镜。
10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于：所述主光学系统(4)由单一的材料制成。
11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于：所述主光源(8)为发光二极管。
12.一种尤其是用于机动车辆的照明的光学光束投射模块，包括根据前述权利要求中任一项所述的光学装置和诸如为投射透镜(3)或反射器的投射设备，所述投射设备沿光束的投射方向被布置在主光学系统(4)的下游，所述投射设备能够从作为光源的虚像(6)将光束投射给聚焦在所述虚像的平面上的投射设备。
13.一种机动车辆的前照灯，包括根据权利要求12所述的光学光束投射模块(1)。
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