CN107850281B - 用于车辆大灯的激光照明装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于车辆的具有两个或更多个激光光源、分配给每个激光光源的光导体的激光照明装置，其中每个激光光源被设立用于产生初级激光光束，其中每个初级激光光束被耦合输入到光导体的第一端部中并且从光导体的第二端部中作为次级激光光束耦合输出并且每个次级激光光束被偏转到光转换机构上，以便在该光转换机构上产生预先给定的照明图像，该照明图像通过分配给光转换机构的投影系统作为光图像来投影到车道上，其中每个初级激光光束具有第一强度轮廓，每个次级激光光束具有与第一强度轮廓不同的第二强度轮廓，并且每个次级激光光束通过微扫描器偏转到光转换机构上。

Description

用于车辆大灯的激光照明装置

技术领域

本发明涉及一种用于车辆的具有两个或更多个激光光源、分配给每个激光光源的光导体的激光照明装置，其中每个激光光源被设立用于产生初级激光光束，其中每个初级激光光束被耦合输入到光导体的第一端部中并且作为次级激光光束从光导体的第二端部耦合输出并且每个次级激光光束被偏转到光转换机构上，以便在该光转换机构上产生预先给定的照明图像，该照明图像通过分配给光转换机构的投影系统作为光图像投影到车道上。

本发明还涉及一种具有至少一个这样的激光照明装置的大灯。

本发明还涉及一种具有至少一个这样的大灯的车辆。

背景技术

已知利用通过光转换机构进行扫描的激光束来工作的大灯。激光束通常在光转换机构（经常简称为“磷光体”）上产生照明图像，在该光转换机构上通过荧光将例如蓝色的激光转换成基本上“白色的”光。所产生的照明图像然后借助成像系统、例如透镜光学装置投影到车道上（例如参见US20150062943A1，JP2013232390A，US20120051074A1，JP2014010918A和US20130265561A1）。在许多这样的大灯中的问题是，照明图像经常仅仅光斑形式地、即以所谓的光点形式产生并且为了产生符合法律的例如动态的光分布而大量地是合适的。微扫描器通常是射束偏转机构、例如微镜，该微镜可以围绕着一个或两个轴运动，使得例如“写下”逐行的照明图像。激光光源的调制为照明图像的每个点或每个行确定所期望的光密度，该光密度一方面必须对应于所投影的光图像的法定的规定并且另一方面可以适配于相应的行驶状况。

微扫描器与一个或多个激光束的使用能够实现，产生近似任意的光分布，其中所述一个或多个激光束与镜振荡同步地调制。原则上，即使在所谓的同样使用被构造为MEMS（微机电系统）的微镜的微型投影仪和抬头显示器中也已知这样的方法。然而，相对于经常在娱乐电子装置中使用的这样的系统，在大灯中必须引入明显更高的激光功率。然而，在此不需要显示有色的光分布。如前面提及的，通常利用蓝色的例如来源于激光二极管的激光来工作。鉴于所需的5至30瓦特数量级的高激光功率，重要的是，最好可能地使用安装在大灯中的激光功率。

特别是所谓的1D微扫描器系统应用于大灯中。在此，多个蓝色激光二极管布置成，使得由所述激光二极管产生的激光束经由单独的1D微扫描器偏转到磷光体上。“1D微扫描器”在此理解为能够围绕着唯一的轴运动的微扫描器。每个激光二极管在此照明磷光体上的自身的区域，使得“写下”彼此分离的行。

如果行的高度在远场中应该不同（例如以便将光分布尽可能有效地分配到各个行上），则激光二极管的斑点直径、即由相应的激光二极管通过荧光产生的光斑必须在磷光体上相应地不同。例如当在磷光体上应该实现0.2mm和0.9mm之间的行高度时，根据应用情况，所述值可能强烈波动。

在此，在这样的斑点中的光强度通常具有高斯形曲线并且随着斑点变化成指数下降（例如参见US20150062943A1和US20130265561A1）。

此外，由常规的激光二极管产生的激光束具有空间不对称性，因此斑点基本上是椭圆形的，其中椭圆主轴的长度可能与椭圆副轴的长度强烈不同。作为斑点的边界通常采用以下位置，在所述位置处强度下降到1/e或1/e²。此后，所采用的值定义与照明图像中的下一行的边界。

在此出现以下问题，即高斯分布的宽度不能使在行之间进行锐利地分界。

至少部分地应对该问题的一种可能性在于，改变为了确定行边界所采用的强度值（例如参见EP2690352A1）。然而，在此出现另一问题，即在过低安排的值的情况下在照明图像中并且因此也在光图像中形成在行之间的暗条带。

发明内容

本发明的任务在于，实现一种激光照明装置，在该激光照明装置的情况下能够实现具有改进的光技术特性的光图像。

该任务利用开头提及类型的激光照明装置来解决，其中每个初级激光光束具有第一强度轮廓，每个次级激光光束具有与第一强度轮廓不同的第二强度轮廓，并且每个次级激光光束通过微扫描器偏转到光转换机构上，第二端部彼此相邻地布置在一排中，并且光导体具有不同大的横截面。

在关于控制技术耗费适宜的实施方式中可以规定，微扫描器能够围绕着恰好一个轴来枢转。利用这样的1D微扫描器也可以应对EMV问题（EMV代表电磁兼容）。相较于1D微扫描器，在能围绕着两个轴枢转的微扫描器（简称2D微扫描器）中射束偏转机构（例如微镜）必须更快一些地振荡，以便能够实现统一的明亮的光图像，因为扫描图像所经过的路径明显更长。因此，必须能够十分快速地接通和切断激光光源本身。因此必须实现激光光源的极短的开关时间以及极陡的开关边沿，以便有效地调制激光光源。这特别是在渐隐情形中是重要的，即当车道的预先给定的区域由于例如对向的或附近行驶在前面的交通或在街边的对象而应该渐隐时是重要的。

关于在将初级激光束耦合输入到光导体中时减小光损耗而有利的是，附件光学装置后置于每个激光光源，该附件光学装置将初级激光光束耦合输入到分配给该激光光源的光导体的第一端部中。

关于紧凑的结构和能良好控制的散热而适宜的是，次级激光光束被细分成两个或更多个激光光束分组，其中每个激光光束分组通过各一个微扫描器来偏转。

关于激光束的发散而能够有利的是，光导体的至少一个子集的光导体被布置成沿着光传播方向逐渐变成圆锥形。在此，光导体（例如玻璃棒）可以不弯曲地使用。使用弯曲的光导体（例如纤维）能够有助于激光束沿着一个轴或沿着其两个轴（椭圆主轴、椭圆副轴）的发散的放大并且影响激光束轮廓大小与微扫描器大小的协调。

关于次级光束的准直而能够有利的是，第二端部被布置和/或构造成，使得次级光束基本上彼此平行地延伸。

为了产生细分成行的照明图像而合乎目的的是，第二端部在一排中彼此相邻地布置。

关于聚焦或准直而能够有利的是，光学成像系统前置于每个微扫描器。

合乎目的的是，光学成像系统具有一个、两个或更多个透镜和/或一个、两个或更多个光圈和/或一个、两个或更多个反射器。

关于光导体的紧凑布置可以规定，初级激光光束的至少一个子集的初级激光光束通过至少一个射束偏转机构、例如镜或棱镜来耦合输入到第一端部中。

关于光束的强度轮廓的有效成形而适宜的是，光导体具有基本上矩形的横截面。

为了改变光斑大小而能够有利的是，光导体具有不同大的横截面。

关于光图像的质量和分辨率而特别有利的是，第一强度轮廓在每个空间方向上具有基本上高斯形形状并且第二强度轮廓在每个空间方向上具有基本上平顶形状（也已知为礼帽形状或礼帽强度轮廓）。

此外能够有利的是，第二强度轮廓在每个空间方向上具有基本上平顶形状并且次级光束的射束横截面基本上矩形地构造。

附图说明

本发明连同其他优点在下文中借助示例性的实施方式来详细阐述，所述实施方式在附图中示出。在该附图中：

图1以示意图示出常规类型（AT514834A2）的激光照明装置的对于本发明重要的组件和其相互关系，

图1a示出两个叠加的通过常规类型的激光照明装置产生的光斑和其强度轮廓，

图2以示意图示出根据本发明的激光照明装置的重要组件和其相互关系，

图2a示出根据本发明的具有圆锥形布置的直的光导体和示意性示出的成像系统的激光照明装置，

图2b示出根据本发明的具有弯曲的光导体和示意性示出的成像系统的激光照明装置，

图2c示出两个通过根据本发明的激光照明装置产生的光斑和其强度轮廓，

图3示出通过激光照明装置产生的静态照明图像，

图4示出图2a中的光导体端部的示例性布置，以及

图5示出初级射束通过偏转镜来耦合输入到光导体中的示意图。

具体实施方式

现在借助图1和图1a来阐述待利用本发明来解决的问题。在此示出的激光照明装置的光技术上的起点是各四个激光光源11、12、13、14或21、22、23、24的两个在此相叠的组1和2，所述激光光源可以发出各一个利用11p至18p来表示的激光束。激光控制装置3分配给激光光源11至18，其中该控制装置3用于电流供应并且也被设立用于调制各个激光的射束强度。“调制”在本发明的上下文中理解成，可以改变激光光源的强度，调制可以是连续的或脉冲的，在接通和切断的意义上是脉冲的。重要的是，根据射束偏转向哪个位置可以类似动态地改变光功率。附加地，还存在在一定时间内接通和切断的可能性，以便不照明所定义的位置。

激光控制装置3在其侧又包含中央大灯控制装置4的信号，传感器信号s1…si…sn可以输送给该中央大灯控制装置。所述控制和传感器信号可以一方面例如是用于将远光切换到近光的切换指令或者另一方面是由光传感器或摄像机所记录的信号，所述光传感器或摄像机检测车道上的照明情况并且例如应该使照明图像中的确定区域渐隐或变弱。优选构造为激光二极管的激光光源11至18例如发出蓝色光或UV光。

每个激光光源11至18之后布置自己的准直光学装置21至28，所述准直光学装置将首先强烈发散的激光束11p至18p集束。随后，第一组1或第二组2的激光束的间距分别通过共同的凸透镜31或32来减小并且利用随后的散射透镜41或42将激光束的出射角尽可能小地保持。

第一组1的四个以所描述方式“集束的”激光束11p、12p、13p和14p射到第一微扫描器51上并且类似地，第二组2的激光束15p、16p、17p和18p射到第二微扫描器52上，并且共同地被反射到在当前情况下构造为发光面的光转换机构60上。术语“微扫描器”在此理解为能围绕着一个或两个空间轴枢转的普通的射束偏转机构，该射束偏转机构大多构造为微镜，不必一定构造为这样的微镜，而是例如可以构造为棱镜。光转换机构60以已知方式具有用于光转换的磷光体，该磷光体例如将蓝色光或UV光转换成“白色”光。“磷光体”在本发明的上下文中一般理解为一种物质或物质混合物，其将一种波长的光转换成另一波长或混合波长的光，特别是转换成“白色”光，这能够归入术语“波长转换”。在此，“白色”光理解成以下这样的谱组成的光，即该光对于人来说引起颜色印象为“白色”。术语“光”自然不限于对于人眼可见的辐射。对于光转换机构也可以考虑光电陶瓷，其是透明的陶瓷、诸如YAG-Ce（用Cer掺杂的钇铝石榴石）。

微扫描器51由微扫描器控制装置5来控制并且被置于恒定频率的振荡，其中所述振荡特别是可以对应于微扫描器的机械固有频率。微扫描器控制装置5在它那方面也由大灯控制装置4来控制，以便可以调节微扫描器51、52的振荡幅度，其中也能够调节关于轴的非对称的振荡。微扫描器的控制是已知的并且可以以多种多样的方式进行，例如电磁地、静电地、热电地和压电地进行。在本发明的测试的实施方式中，微扫描器51、52例如以几百赫兹的频率来振荡并且其最大的振幅根据其控制为少量几度直至60°。微扫描器51、52的位置适宜地反馈给微扫描器控制装置5和/或大灯控制装置4。两个微扫描器可以同步振荡，但是也可以应用不同的振荡，例如以便更均匀地设计发光面或光转换机构的热负荷。

在保持静止、即未置于振荡中的微扫描器的情况下，集束的激光束11p至18p在光转换机构60、即通常为平的但是不必为平的发光面上产生光斑，所述光斑分别具有一个光通量分布，其对应于所属的激光光束的强度轮廓。在图1a中示意性示出两个光斑71p和72p，其通过图1的激光照明装置产生。在此，每个光通量分布基本上是高斯形的并且对应于两个“相邻的”激光束、例如11p和12p的强度轮廓。沿着线AA的截面示出光通量曲线73并且对于待借助投影系统PS成像到车道上的照明图像来说是高度相关的。在此描述的光通量曲线73不能实现在光斑之间的锐利的分界并且导致在光图像中的大的光强度波动。

术语“车道”在此用于简化表示，因为显然与局部情况有关的是，光图像实际上是位于车道上还是也此外延伸。例如为了测试所辐射的光分布，根据有关的标准产生光图像到垂直面上的投影，所述标准涉及KFZ照明技术。

根据本发明，该问题通过激光光束的射束轮廓的成形来解决。根据本发明的具有用来实现解决方案的技术机构的激光照明装置的主要组件借助图2中的非限制性的实施例来示出。在此，出于简洁，仅仅考虑图1的两个激光光源分组中的一个。每个激光光源11至14之后布置自己的附件光学装置81至84，所述附件光学装置将首先强烈发散的初级激光束11p至18p集束并且随后聚焦到光导体91至94的第一端部91e至94e上，使得初级激光光束基本上无损耗地耦合输入到光导体中。激光光束在此有利地耦合输入到光导体中，使得例如在矩形的光导体的情况下由激光光源发射的典型地具有椭圆形的射束横截面的激光束的纵轴平行于矩形光导体的横截面纵轴伸展。一般，耦合输入的类型取决于，激光光束在耦合输出（次级激光光束）时应该沿着哪个轴（椭圆主轴或椭圆副轴）具有更小的发散。

应该在此注明，术语“光导体”也归入所有适合于成形射束轮廓（激光束的强度轮廓和横截面）的技术机构。因此在本发明的具体的技术实施方案中可以应用所有的“射束轮廓成形器”。例如可以使用不同类型的多模纤维或玻璃棒。在此，射束轮廓成形器的类型涉及其折射率的表现。例如在阶跃折射率纤维、梯度折射率纤维或均匀的射束轮廓成形器（具有恒定的折射率）之间进行区分。此外，射束轮廓成形器可以具有不同的横截面大小（数百微米至若干毫秒）。由此可以改变光转换机构上的光斑的大小并且因此改变光图像的分辨率。此外，这样的射束轮廓成形器例如可以实现为光学装置、例如透镜、镜和光圈的布置。

术语“附件光学装置”在本发明的上下文中理解为一种光学系统，该光学系统适合于将初始发散的初级激光光束11p至14p聚焦到所属的第一端部91e至94e上。该附件光学装置可以如在所示出的实施例中那样具有准直透镜和凸透镜，但是也可以替代地包括其他为专业人员可用的光学机构，所述光学机构适合于聚焦初级激光光束。

在初级激光光束11p至14p在光导体91至94中传播时，所述初级激光光束多次全反射。这导致，光“充满”光导体的整个横截面。在此，从光导体中作为次级光束11s至14s岀射的光束的射束轮廓基本上具有光导体的横截面的形状。在本发明的上下文中使用的光导体具有基本上矩形形状的横截面。与此相应地，次级光束11s至14s具有基本上矩形的强度轮廓。在图2c中示出两个在光转换机构60上通过次级光束中的两个、例如通过11s和12s产生的矩形光斑71s和72s，所述光斑对应于次级激光束的基本上矩形的射束横截面和基本上矩形的强度轮廓（在专业文献中也称为平顶或礼帽形状或简称礼帽）并且沿着截面BB具有基本上矩形的光通量曲线73a和73b。横截面的大小可以在光导体之间变化并且因此导致在光转换机构60上的不同大的光斑。由此也可以调整光斑中的光通量密度（照明强度）并且因此调整该光斑的光强度。这在图3中作为题目，该图3示出八个不同大的并且不同强发光的光斑100至107。当微扫描器51、52不振荡时形成这样的光斑。如果所述微扫描器由微扫描器控制装置5置于振荡中，使得微扫描器51、52围绕着轴枢转，则在光转换机构上形成发光带z0至z8。

虽然优选的实施例示出仅仅围绕着一个轴振荡的微扫描器，但是也可以使用围绕着两个轴振荡的微扫描器。在该情况下，多个激光束可以对准这样的微扫描器，其中产生彼此直接相邻的光带。也可以设想具有仅仅一个唯一的微扫描器的实施方案，其中例如次级激光束对着大灯的主辐射方向直接射到微扫描器上，该微扫描器然后将激光束偏转到透光的磷光体上。

图2a和图2b示出本发明的两个实施方式，其中次级激光光束11s至14s通过光学成像系统6到达微扫描器51。成像系统6在此示意性地作为凸透镜示出。一般涉及一种光学系统，该光学系统包括一个、两个或更多个透镜和/或反射器，所述透镜依次布置和/或分配给各一个光导体，并且所述光学系统将次级光束11s至14s经由微扫描器51准直/聚焦到光转换机构60上。

在此，图2a示出作为沿着光传播方向逐渐变成圆锥形来布置的光导体91至94。在该布置中，光导体91至94可以“直地”伸展。

图2b示出特别适用于被构造为多模纤维的光导体91至94的光导体布置。在此，光导体可以弯曲和布置成，使得第二端部91z至94z彼此相邻地布置在一排中。因此，次级激光光束11s至14s基本上平行地伸展，其中光转换机构60上的光斑之间的间距可以通过光学成像系统6来最小化。

图4示出图2a中的光导体端部的布置。虽然光导体91至94彼此逐渐变成张角α的圆锥形，但是端部91z至94z例如通过磨削来构造，使得次级光束11s至14s基本上彼此平行地伸展。在此，张角α不允许任意变大，因为这要求第二端部91z至94z的相应磨削并且将导致照明图像和因此光图像中的不期望的失真。

在此应该注明，在图4中示出的布置是特殊情况。实际上绝对可能出现，第二端部91z至94z不处于一个平面中。在此，磨削角通过折射定律和通过张角α来预先给定。第二端部91z至94z（通过磨削）的构型用作技术机构，使得在光转换机构上产生光斑的次级激光光束以预先给定的角度、优选彼此平行地射到光转换机构上。

在图5中示意性示出的实施方式中，初级激光光束经由镜200至207（经由所谓的“镜阶梯”）耦合输入到第一端部中。由此不仅可以缩小张角α而且可以实现激光二极管的优化的冷却，因为这些激光二极管可以布置在一个平面中并且由此可以更简单地接合到共同的冷却体上。虽然在该实施例中使用镜阶梯，但是该镜阶梯可以通过其他技术机构（一般射束偏转机构）来代替，其适合于偏转光。因此，镜200至207例如可以部分地或完全地通过棱镜来代替。同样可以设想以下布置，其中两个或更多个初级激光束通过同一射束偏转机构来偏转。

在本发明的示出的实施例中，不进行光带在发光面或光转换机构上的重叠并且如此产生的照明图像被投影到车道上。然而也可以的是，在大灯中设置有两个或更多个分离的根据本发明的激光照明装置，其中所述激光照明装置彼此定向成，使得进行光图像的重叠。虽然在示出的实施例中描述具有各四个激光光源的一个或两个组，但是专业人员应该清楚的是，根据相应的应用目的，也可以设想具有其他和不同数量的激光光源的多个组。

Claims (14)

1.用于车辆的激光照明装置，具有：

- 两个或更多个激光光源（11至18），其中每个激光光源被设立用于产生初级激光光束（11p至18p），

- 分配给每个激光光源的光导体（91至94），其中每个初级激光光束被耦合输入到光导体的第一端部（91e至94e）中并且从光导体的第二端部（91z至94z）中作为次级激光光束（11s至14s）耦合输出并且每个次级激光光束被偏转到光转换机构（60）上，以便在所述光转换机构上产生预先给定的照明图像，所述照明图像通过分配给光转换机构的投影系统（PS）作为光图像而投影到车道上，

- 其特征在于，

- 每个初级激光光束具有第一强度轮廓（71p，72p），

- 每个次级激光光束具有与第一强度轮廓不同的第二强度轮廓（73a，73b），并且

- 每个次级激光光束通过微扫描器（51，52）偏转到所述光转换机构上，

- 所述第二端部（91z至94z）彼此相邻地布置在一排中，并且

- 所述光导体具有不同大的横截面。

2.根据权利要求1所述的激光照明装置，其特征在于，所述微扫描器（51，52）能围绕着恰好一个轴枢转。

3.根据权利要求1或2所述的激光照明装置，其特征在于，每个激光光源之后布置有附件光学装置（81至84），所述附件光学装置将初级激光光束耦合输入到分配给所述激光光源的光导体（91至94）的第一端部（91e至94e）中。

4.根据权利要求1或2所述的激光照明装置，其特征在于，次级激光光束细分成两个或更多个激光光束分组，其中每个激光光束分组通过各一个微扫描器（51，52）来偏转。

5.根据权利要求1或2所述的激光照明装置，其特征在于，所述光导体的至少一个子集的光导体（91至94）被布置成沿着光传播方向逐渐变成圆锥形。

6.根据权利要求1或2所述的激光照明装置，其特征在于，所述第二端部被布置和/或构造成，使得次级光束基本上彼此平行地伸展。

7.根据权利要求1或2所述的激光照明装置，其特征在于，每个微扫描器之前放置有光学成像系统（6）。

8.根据权利要求7所述的激光照明装置，其特征在于，所述光学成像系统（6）具有一个、两个或更多个透镜和/或一个、两个或更多个光圈和/或一个、两个或更多个反射器。

9.根据权利要求1或2所述的激光照明装置，其特征在于，初级激光光束的至少一个子集的初级激光光束通过至少一个射束偏转机构（200至207）、例如镜或棱镜来耦合输入到第一端部中。

10.根据权利要求1或2所述的激光照明装置，其特征在于，所述光导体具有基本上矩形的横截面。

11.根据权利要求1或2所述的激光照明装置，其特征在于，第一强度轮廓在每个空间方向上具有基本上高斯形形状并且第二强度轮廓在每个空间方向上具有基本上平顶形状（73a，73b）。

12.根据权利要求1或2所述的激光照明装置，其特征在于，第二强度轮廓在每个空间方向上具有基本上平顶形状（73a，73b）并且次级光束的射束横截面基本上矩形（71s，72s）地构造。

13.一种大灯，具有至少一个根据权利要求1至12之一所述的激光照明装置。

14.一种车辆，具有根据权利要求13所述的大灯。

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