CN108352671B - 用于车辆的前灯 - Google Patents

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Abstract

一种用于车辆的前灯，该前灯具有至少一个能借助于操控装置和计算单元来调制的激光光源（1），该激光光源的激光束（2）经由由激光转向控制装置所操控的射束转向装置（3）以扫描的方式被转向到至少一个光转换装置（7）上，并且该前灯具有用于将通过该光转换装置所生成的光亮图像（8）作为光图像（11）投影到车行道上的成像系统（10），其中所述至少一个光转换装置（7）被构造为光学谐振器，经调制的、扫描激光束（6）作为原始激光束提供具有泵浦波长的泵浦能量，并且该谐振器包含具有至少一种荧光染料的转换材料并在出射表面（7a）上发出出射射束（9），该出射射束通过该成像系统（10）在车行道上提供光图像（11）。

Description

用于车辆的前灯
技术领域
本发明涉及一种用于车辆的前灯，所述前灯具有至少一个能借助于操控装置和计算单元来调制的激光光源，所述激光光源的激光束经由由激光转向控制装置所操控的射束转向装置以扫描方式被转向到至少一个光转换装置上，并且所述前灯具有用于将通过光转换装置所生成的光亮图像作为光图像投影到车行道上的成像系统。
背景技术
具有经调制的扫描激光光源的前灯通常在光转换装置（常常简称为“磷光体”）上生成光亮图像，在所述光转换装置上，通过荧光将例如蓝色的激光转变成基本上“白色的”光。接着，所生成的光亮图像借助于成像系统、例如透镜光学装置被投影到车行道上。射束转向装置通常是微镜，所述微镜可以绕着一个轴或者绕着两个轴摇摆，使得例如“写下（schreiben）”以逐行方式的光亮图像。针对光亮图像的每一点或者每一行，对激光光源的调制确定所希望的亮度，所述亮度一方面必须符合于针对所投影的光图像的法律规定，而另一方面可以与相应的行驶情况相适配。这种类型的前灯例如是申请人于2014年6月23日的还没有被公开的专利申请AT 515 996 A1的主题。
公知的具体类型的前灯的问题之一在于光转换装置的辐射特性，所述光转换装置大多被构造为薄板，其中扫描激光束关于光亮图像的辐射方向而言要么从后面要么从前面射到该薄板上。不过，荧光或磷光不是定向地被辐射，而是基于在整个4π空间中的自发发射被辐射，这尤其是在使用具有小的有效直径的成像系统的光学装置情况下导致高的光损失。光转换装置的热负荷也是有问题的并且可能导致所述光转换装置的过早毁坏。因而，本发明的任务在于解决所提到的问题。
发明内容
所述任务利用开头所提到的类型的前灯得以解决，其中按照本发明至少一个光转换装置被构造为光学谐振器，其中经调制的、扫描激光束作为原始激光束提供具有激发波长的泵浦能量，而谐振器包含至少一种荧光染料并且在出射表面上发出出射射束，所述出射射束由成像系统在车行道上提供光图像。
本发明的一个优点在于定向发射，因为荧光辐射在紧密成束的射束中以垂直于谐振器的出射表面的方式被发出。也没有得到侧向光散射，而是所发射的光束的直径仅仅取决于原始激光束的、即泵浦光束的直径。不同于根据现有技术的解决方案（其中荧光沿所有方向辐射），可以将较小的并且因而特别是成本更低的光学装置用于在道路上生成光图像。因为激发光束沿传播方向更强烈地被散射,沿不同方向形成不同颜色印象，为了与蓝色光成分的相加式的混色（Farbmischung），所述不同颜色印象可供使用。
本发明的一种适宜的设计方案以此而出众：所述光转换装置/所述光学谐振器被构造为染料激光器。
如果光转换装置是光学谐振器，所述光学谐振器在其入射表面上和/或在其出射表面上具有反射的表面覆层，那么例如可以降低在谐振器中所生成的辐射的损失。
在适宜的实施方式情况下，光转换装置/光学谐振器由转换器薄板组成。在此，所述转换器薄板的厚度优选地可以在100μm到1mm的范围内。
如果至少所述入射表面的表面覆层是二向色的并且在光学谐振器的发射波长情况下具有比在泵浦波长情况下更高的反射率，那么进一步提高效率是可能的。
切合实际的实施方式以此而出众：所述光转换装置/谐振器的有效转换材料具有1到2的折射率、优选1.4到1.8的折射率。
也已经表明为适宜的是，所述至少一个能调制的激光光源的波长在蓝色至紫外线的范围内。
如果所述光转换装置/所述谐振器包含至少两种不同荧光染料，那么得到对所发射的光的颜色的有利影响。在此，可以是有利的是，原始激光束的波长在可见蓝色之内并且所述谐振器包含至少一种用于黄色/绿色的荧光染料。
另一方面，以下构造方案可以是适宜的，在所述构造方案情况下，原始激光束的波长在紫外线之内，并且光转换装置/谐振器包含至少一种用于蓝色的荧光染料以及至少一种用于黄色/绿色的荧光染料。
然而在很多情况下都有意义的是，所述光转换装置/谐振器的反射和透射特性被选择为使得在所述光转换装置/谐振器的出射侧上存在经调制的并且扫描的出射射束，所述出射射束具有由原始激光束所构成的成分以及由在谐振器中所生成的至少一个次级激光束所构成的成分。
在本发明的切合实际的改进方案情况下可以规定，在射束转向装置与光转换装置/光学谐振器之间设置光学装置，所述光学装置引起原始激光束到谐振器的入射表面上的垂直的入射角。
在此提出的是，该光学装置是用于生成远心光路的透镜装置。
如果所述光转换装置/所述谐振器具有表面覆层，所述表面覆层以小规模的方式（kleinräumig）被结构化，使得相邻的区域反射不同波长，则可以得到对颜色再现的改善。
也可以是有利的是，所述光转换装置/所述谐振器是增益引导的激光器。即在这种激光器情况下，只有低阶的模式起振，使得到增益介质的小的侧面区域上的辐射有限。这在常规的激光装置情况下导致更好的射束质量，也就是说参数M2并不显著地大于1。在具有扫描激光束的前灯情况下，避免了所谓的“空间烧孔效应（spatial hole burning）”。在此，使用转换器体积的不同区域，使得不出现局部的吸收饱和效应。
附图说明
在下文，依据示例性的实施方式对本发明连同其他优点进一步予以阐述，所述实施方式在附图中阐明。在所述附图中：
图1以示意图示出本发明的第一实施方式，
图2示出在根据现有技术的光转换装置情况下原理性的、示意性的射束走向，
图3示出在按照本发明的被构造为光学谐振器的光转换装置情况下原理性的、示意的射束走向，
图4示出图3的细节，
图5、6和7示出具有不同的镜曲率的光学谐振器的实施方式，以及
图8以类似于图1的图示示出本发明的另一实施方式。
具体实施方式
现在，参考图1进一步阐述本发明的一种实施例。尤其是，示出了对于按照本发明的前灯来说重要的部分，其中清楚的是，机动车前灯还包含多个其他部分，所述其他部分能够实现其在机动车、诸如尤其是载客汽车、载重汽车或者摩托车中有意义的使用。前灯的光技术上的出发点是激光光源1，所述激光光源1发出激光束2，并且给所述激光光源1分配这里未示出的激光操控装置，所述激光操控装置用于供电以及用于监控激光发射或者例如用于温度控制，并且也被设立用于调制所辐射的激光束的强度。与本发明相关联地，“调制”被理解为：无论是连续的还是在接通和关断的意义上脉动的（gepulst），激光光源的强度可以被改变。重要的是，根据稍后进一步描述的镜处在哪个角位置上，可以类似地、动态地改变光功率。附加地，还存在在一定的时间内接通和关断的可能性，以便不照射或遮没所定义的位置。比如在申请人的文献AT 514633中描述了用于通过扫描激光束生成图像的动态的操控方案的例子。
激光光源实际上常常包含多个激光二极管、例如四个各达到例如1瓦特的激光二极管，以便达到所希望的功率或所要求的光通量。
激光操控装置在自身方面又从中央计算单元得到信号，不同的传感器信号可以被输送给所述中央计算单元，所述传感器信号例如是用于将远光切换到近光的切换指令或者例如由如下传感器（如摄像机）所记录的信号，所述传感器检测照明情况、周围环境条件和/或在车行道上的物体。所述信号也可以来自车辆-车辆通信信息。
通常已经包含（未示出的）准直仪光学装置的激光光源1例如发出蓝色光。激光束2射到这里被构造为微镜3的射束转向装置上并且经由聚焦光学装置4和用于生成远心光路作为扫描激光束6的光学装置5被转向到光转换装置7上，在所述光转换装置7上或在所述光转换装置7中生成具有预先给定的光分布的光亮图像8。光转换装置7具有前面的入射面7e以及例如与此平面平行的后面的出射面7a用于光辐射，同样具有诸如前面的覆层7v和后面的覆层7h。下面进一步探讨光转换装置7的更详细的结构和功能，所述光转换装置7被构造为光学谐振器并且所述光转换装置的出射射束用9来表示。
微镜3可以是能绕着一个轴或者两个轴枢转的，其中所述微镜3经由光转换装置7以扫描的方式来引导激光束2，由此在所述光转换装置7上光亮图像8例如逐行地被写下。在图1A中示意性地示出光亮图像8，所述图1A沿图1的箭头A的方向示出光转换装置7的视图。光亮图像8经由成像系统（在当前情况下是透镜10）作为光图像11被投影到车行道（未示出）上。在图1中，用12来表示在透镜10后面的两个光束，并且用13来表示由所述光束在车行道上所生成的光斑。在此，光束对应于最大扫描范围的中间位置，所述最大扫描范围的扫描角度用α来表示并且绘制在图1中左侧，而在图1中上方绘制的另一光束对应于微镜3的最大偏转。遥测（telemetrisch）光路（沿偏转方向）的范围用T来表示。
激光光源1用高频率以脉动的或者连续的方式被操控，使得根据微镜3的位置，不仅能调整（例如远光/近光）任意的光分布而且还能迅速地改变任意的光分布，前提是特别的地形或者车行道情况要求这点，例如前提是由传感器检测到行人或者迎面而来的车辆并且与此相应地希望改变车行道照明的光亮图像8的几何形状和/或强度。应注意，尽管优选使用微镜，其他射束转向装置（诸如可移动的棱镜）也可以得到应用。术语“车行道”这里被用于简化地表示，因为这当然取决于地方性现实情况：光图像11是否确实处在车行道上或者也在车行道上延伸。原则上，光图像11对应于根据有关标准的到垂直表面上的投影，所述有关标准涉及机动车照明技术。
为了进一步阐述本发明，首先参考图2，所述图2示意性并且示例性地示出借助根据现有技术的传统的光转换装置14进行的光转换。激光光源15包含多个激光二极管16，所述激光二极管16优选地发出蓝色光并且所述激光二极管的光借助于多个光学元件17（也可被理解为多个光学元件的组合）被聚集成经准直的激光束18。在使用“蓝色的”激光器的情况下，例如可以考虑在波长为405到450nm、在UV范围内例如为365到375nm的情况下的在InGaN基质上的半导体激光器。光束18射到光转换装置14的前表面19上，并且穿过光转换装置14中所包含的光转换材料20（简称为“磷光体”）。磷光体例如将蓝色光或者UV光转变成“白色的”光。与本发明相关联地，“磷光体”相当普遍地被理解为如下物质或者物质混合物，所述物质或者物质混合物将一个波长的光转变成另一波长的或者波长混合的光、尤其是转变成“白色的”光，这可被归入术语“波长转换”。使用发光染料，其中初始波长通常较短并且因此比所发射的波长混合更富有能量。在此，通过相加方式的混色形成所希望的白色光印象。在此，“白色光”被理解为如下这种光谱组成的光，所述这种光谱组成的光在人类处引起颜色印象“白色”。当然，术语“光”并不限于对于人眼来说可见的辐射。对于光转换装置来说例如可以考虑光陶瓷（Optokeramiken），所述光陶瓷是透明陶瓷，诸如YAG:Ce（一种掺杂有铈的钇铝石榴石）。可替代地，可以使用具有被嵌入的量子点的半导体材料。
除了轻微散射的蓝色光束22之外，经转换的辐射23以遵循朗伯特（Lambertsch）辐射特性的方式在后表面21、即光转换装置14的光出射面上射出。于是，通过蓝色的激发光束22和经转换的荧光辐射23以相加方式的混色，形成“白色”光的印象，其中所述颜色印象按照蓝色光的优选传播方向是不均匀的。除了已经提及的明显的光损失之外，这是现有技术的一个缺点。
现在，依据图3和4（所述图3和4示出它们的示例性的实施方案中的一个）进一步对本发明予以阐述，其中相同或者类似的要素这里以及在下面的附图中配备有相同的附图标记。在此，图4以更详细的细节示出所述光学谐振器或所述光转换装置7的区域。被绘制为简单的透镜的附加的聚焦单元24布置在激光光源15后面，所述聚焦单元使经准直的蓝色的激光束18聚焦，使得经聚焦的原始激光束25在光转换装置7的中间平面26的区域内具有其最小光束直径、也就是说具有最小射束腰（Strahlentaille），其中所述光转换装置7被构造为光学谐振器。更准确地说，激发光束应该在光转换装置的体积内实现其最高的强度，其中所述最高强度的区域不必强制性地处在所述中间平面内。
在附图中仅仅勾画出的光转换材料27包含至少一种荧光染料，其中所述光转换材料27也可以被称为增益介质。在光出射面7a上存在出射射束9，所述出射射束9的光由原始激光束25的例如蓝色的成分28和在光学谐振器中所生成的转换光的成分29（例如绿颜色或者黄颜色）组成，其中所述原始激光束也可以被称作泵浦射束或者激发光束。在光转换材料中的转换可以基于荧光和/或磷光，其中在下文中简单提及荧光。
为了得到在本发明的意义上的光学谐振器，需要足够强度的激发，以便产生粒子数反转。为此，泵浦光射束、这里是激光束25必须足够地被聚焦。此外，必须存在在谐振器意义上的反馈，在这里，这意味着：具有典型厚度或在100μm到1mm范围内的谐振器长度L的薄板形谐振器的正面和背面的反射率必须足够大。在需要情况下，可以通过适合的覆层来提高对于发射波长的反射率。在此，入射面7e的二向色覆层是特别适宜的，所述入射面7e的二向色覆层对于激发波长来说具有尽可能低的反射，相反对于发射波长来说具有非常高的反射。在这里论及的是覆层7v。另一方面，出射面7a也可以被覆层。在典型的几何形状情况下，以按量级的方式应预期约十次谐振器循环，这足以使通过谐振器所形成的激光器起振。横向的激光模式通过泵浦光的强度分布并因此通过粒子数反转的空间上的分布来被确定。原则上，光学谐振器可以被构造为染料激光器，不过其中术语“染料激光器”在另一意义上应被理解为通常所使用的。在传统的染料激光器的情况下，使用溶解在液体中的染料并且附加地在光路中使用波长可选择的光学元件，以便经确定的波长范围提供可调节的激光光源。在当前情况下缺乏这种功能性，而增益介质通常是固体的，其中固体染料激光器是公知的，例如参见DE 101 56 842 A1。
为了能够实现净增益（其中在转换材料27中的、尤其是由于散射和吸收所引起的损失比由于受激发射所引起的信号增加更小），必须选择损失尽可能少的材料，其中首先可以考虑陶瓷材料。对转换材料和荧光材料的大量选择例如在“LED应用的最优荧光材料”，Thomas Jüstel，第2次会议：在光技术中的LED，埃森，2013年3月12日-13日（www.fh-muenster.de/juestel）中找到和在DE 10 2008 021 438 A1中找到。
在图4中，识别出原始激光束25的具有散度Θb的包络线30以及转换光成分29的具有散度Θg的包络线31。转换光的基于受激发射的定向辐射用32来表示。箭头33应该表示经转换的光的谐振器循环。
图5、6和7例如示出了长度L的光学谐振器34、35、36的可能的几何形状中的其中三种几何形状，其中应在该处注意，为了更好可见性的目的，尤其是光转换装置7的光学谐振器并不是以按比例的方式被示出，而是以鉴于其厚度、更准确地说长度L方面强烈放大的方式被示出。原则上，谐振器应被视为法布里-珀罗（Fabry-Perot）谐振器。
根据图5的谐振器34具有两个平面平行的（部分可穿透的）镜34v、34h，所述镜34v、34h对应于图1、3和4的前表面7a或后表面7e或它们的覆层7v、7h。与此相对应，镜34v、34h的曲率半径Rv、Rh无穷大并且平面驻波（stehende Plan-Welle）的所产生的强度分布的包络线用37来表示。
在图6的谐振器35的情况下，镜35v、35h的曲率半径Rv、Rh对应于谐振器的长度L；球面驻波（stehende Kugel-Welle）的所产生的强度分布的包络线用38来表示。
在图7的谐振器36的情况下，镜36v、36h的曲率半径Rv、Rh对应于谐振器的长度L；球面驻波的所产生的强度分布的包络线用39来表示。
对于激光谐振器适用如下稳定性标准：0 ≤ g1*g2 ≤ 1，其中g1= 1 – L/Rv并且g2= 1 – L/Rh。
识别出：平面平行的谐振器实施方案虽然是伪稳定的，使得只有小数目的谐振器循环是可能的，而且小的倾斜或不平坦导致在谐振器中不产生稳定的驻波并且相干性因此是微小的。然而，对于当前应用来说，该情形是没有问题的，因为具有有限的散度的优选传播方向对于转换光来说是重要的。
应注意：如果谐振器具有表面覆层，所述表面覆层例如在拜耳滤色器（Bayer-Farbfilter）的意义上以小规模的方式被结构化，使得相邻的区域反射不同波长，则可以实现对颜色再现的改善。如果所述结构化小于原始（泵浦）激光束的直径，那么同时发射不同波长，使得对颜色再现的有针对性的改善是可能的。
光转换装置或光学谐振器的其他可能的实施方案之一从根据本发明的前灯的在图8中所示出实施方式得知。在这里，存在光转换装置/谐振器40，不同于很上面所描述的实施方式，所述光转换装置/谐振器40不具有薄板形状，而是所述光转换装置/谐振器40的几何形状例如对应于三角形棱镜的几何形状。同样被构造为光学谐振器的光转换装置40具有三个起光学作用的表面：具有前覆层40v和后覆层40h的前面的入射面40e和与之成直角的后面的出射面40a，以及与所述两个表面成大约45°地延伸的反射面40r。最后所述的表面40r具有覆层40t，其中所述覆层（不同于覆层40h和40v）不仅对于激光光源1的蓝色光来说而且也对于通过在光转换装置/谐振器40的内部中的受激发射所生成的、例如黄色/绿色的或者红色的光来说都应该具有尽可能高的反射率。在所示出的实施方式情况下，射入的射束在表面40a与40e之间被折叠（falten）。为了领会反射面，还应注意，光转向也可以经由全反射来被实现。

Claims (17)

1.一种用于车辆的前灯，所述前灯具有至少一个能借助于操控装置和计算单元来调制的激光光源（1），所述激光光源的激光束（2）经由由激光转向控制装置所操控的射束转向装置（3）以扫描的方式被转向到至少一个光转换装置（7、40）上，并且所述前灯具有用于将通过所述光转换装置所生成的光亮图像（8）作为光图像（11）投影到车行道上的成像系统（10），
其特征在于，
所述至少一个光转换装置（7）被构造为光学谐振器，其中经调制的、扫描激光束（6）作为原始激光束提供具有泵浦波长的泵浦能量，并且所述谐振器包含具有至少一种荧光染料的转换材料（27）并且在出射表面（7a）上发出出射射束（9），所述出射射束通过所述成像系统（10）在所述车行道上提供所述光图像（11）。
2.根据权利要求1所述的前灯，其特征在于，所述光学谐振器/光转换装置（7、40）被构造为染料激光器。
3.根据权利要求1或2所述的前灯，其特征在于，所述光转换装置（7、40）是光学谐振器，所述光学谐振器在其入射表面上和/或在其出射表面上具有反射的表面覆层（7v、7h）。
4.根据权利要求1或2所述的前灯，其特征在于，所述光转换装置（7）/所述光学谐振器由转换器薄板组成。
5.根据权利要求4所述的前灯，其特征在于，所述转换器薄板的厚度在100μm到1mm的范围内。
6.根据权利要求1或2所述的前灯，其特征在于，至少所述入射表面的表面覆层是二向色的，并且在所述光学谐振器的发射波长情况下具有比在泵浦波长情况下更高的反射率。
7.根据权利要求1或2所述的前灯，其特征在于，所述光转换装置（7、40）/谐振器的有效转换材料具有1到2的折射率。
8.根据权利要求1或2所述的前灯，其特征在于，所述至少一个能调制的激光光源的波长在蓝色到紫外线的范围内。
9.根据权利要求1或2所述的前灯，其特征在于，所述光转换装置（7、40）/所述谐振器包含至少两种不同的荧光染料。
10.根据权利要求9所述的前灯，其特征在于，所述原始激光束（6）的波长在可见蓝色之内并且所述光转换装置（7、40）/所述谐振器包含至少一种用于黄色/绿色的荧光染料。
11.根据权利要求9所述的前灯，其特征在于，所述原始激光束的波长在紫外线之内，并且所述光转换装置（7、40）/所述谐振器包含至少一种用于蓝色的荧光染料以及至少一种用于黄色/绿色的荧光染料。
12.根据权利要求1或2所述的前灯，其特征在于，所述光转换装置（7、40）/谐振器的反射和透射特性被选择为使得在所述光转换装置/谐振器的出射侧上存在经调制的并且扫描的出射射束（9），所述出射射束具有由所述原始激光束所构成的成分以及由在所述谐振器中所生成的至少一个次级激光束所构成的成分。
13.根据权利要求1或2所述的前灯，其特征在于，在所述射束转向装置（3）与所述光学谐振器（7、40）之间设置光学装置（5），所述光学装置引起所述原始激光束（9）到所述光转换装置（7、40）/谐振器的入射表面（7e）上的垂直的入射角。
14.根据权利要求13所述的前灯，其特征在于，所述光学装置（5）是用于生成远心光路的透镜装置。
15.根据权利要求1或2所述的前灯，其特征在于，所述光转换装置（7、40）/所述谐振器具有表面覆层，所述表面覆层以小规模方式被结构化，使得相邻的区域反射不同的波长。
16.根据权利要求1或2所述的前灯，其特征在于，所述光转换装置（7、40）/所述谐振器是增益引导的激光器。
17.根据权利要求7所述的前灯，其特征在于，所述光转换装置（7、40）/谐振器的有效转换材料具有1.4到1.8的折射率。
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