CN109958966A - 具有光束扫描、特别用于机动车辆、含小尺寸聚焦系统的光模块和包括其的机动车辆灯装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有光束扫描、特别地用于机动车辆的照明光模块(1)，其包括构造成产生具有慢轴和快轴的光束(4)的光源(3)、具有转换表面的波长转换元件(7)和用光束(4)扫描转换表面的扫描装置(5)，光模块(1)还包括聚焦系统(2)，其布置成将光束(4)聚焦到转换元件(7)上，并将光束(4)的宽度调整到扫描装置(5)的尺寸，聚焦系统(2)包括沿着快轴和慢轴会聚的透镜(8)，所述透镜(8)设置有光束(4)的输入屈光镜和输出屈光镜，输入屈光镜基本上是圆柱形的，以使光束(4)仅沿着快轴会聚，直到在光束(4)到达输出屈光镜之前在透镜(8)中产生光源(3)的图像的反像点(9)。

Description

具有光束扫描、特别用于机动车辆、含小尺寸聚焦系统的光模 块和包括其的机动车辆灯装置
技术领域
本发明涉及一种具有光束扫描、特别地用于机动车辆、设置有具有小尺寸的聚焦系统的光模块。本发明还涉及一种包括这种光模块的机动车辆灯装置。
背景技术
机动车辆前照灯设置有一个或多个光模块，该光模块布置在由外透镜封闭的壳体中，以在前照灯的输出处获得一个或多个照明和/或信号光束。这同样适用于尾灯。以简化的方式，壳体的光模块特别地包括光源，例如发射光束的一个(或多个)发光二极管；用于投射照明和/或信号光束的光学系统，该光学系统包括一个或多个透镜；以及如果需要的话，用于定向来自光源的光线以形成光学模块的输出光束的光学元件，例如反射器。
在机动车辆工业中，机动车辆制造商和机动车辆零件制造商不断寻求通过技术创新来提高车辆的性能和安全性。因此，提供特定优点的新技术元件被结合到这些车辆中。例如，在用于诸如前照灯或后灯的车辆光装置的光模块的情况下，存在激光二极管，其可以有利地代替发光二极管来产生光束，该光束将用于形成照明和/或信号输出光束。
然而，通常的激光束具有与这种光装置的调节颜色不对应的颜色。因此，光模块包括波长转换元件，其具有转换表面。转换元件接收来自激光源的光束，并且将其一部分(例如构成白光的成分)转到光学投影系统。因此，激光束不直接用于形成照明和/或信号光束，而是首先投射到波长转换元件上，该波长转换元件例如是磷光和/或荧光的类型。
应当注意，在本申请中，“光束”的概念包括人眼可见和不可见的电磁束。
扫描装置是必要的，以使用来自激光源的光束照亮大面积的转换元件。从转换元件的区域的一个边缘到另一边缘进行光束的扫描，优选地该扫描的频率足够高，以至于人眼不能察觉该移动，而看到该装置产生的照明光束的连续照明。扫描幅度限定了光束在空间中的移动，由此限定了转换元件上的照明区域的尺寸。
已知的扫描装置例如是MEMS(代表“微电子机械系统”或机电微系统)类型的元件，其包括一个或多个将激光束反射到区域上的微镜。例如通过至少一个围绕轴线的旋转运动来驱动这些微镜，该旋转运动在第一方向上产生对区域的扫描。第二微镜或第一镜围绕垂直于第一轴线的第二轴线的另一旋转运动使得可以在两个方向上产生扫描。
这些元件的尺寸对它们中的每一个在光模块中的布置形成限制。实际上，假定扫描幅度取决于扫描装置的构型，则转换元件的扫描装置之间的距离限定了由光束扫描的区域的尺寸。另外，寻求在转换元件(称为靶)上获得激光的特定宽度。光束和靶的交叉点称为“光斑”(spot)。因此，光斑扫描转换元件的区域。
另外，出于效率的原因，希望以基本上完整的方式照亮微镜的表面，同时防止光束延伸超出微镜的边缘，这存在烧毁扫描装置的其它组成元件和浪费能量的风险。因此，必须校准光束，以将其宽度调整到微镜的尺寸。表述“光束的宽度”应理解成表示其与微镜平面相交的最大尺寸。
为此，可以使用用于聚焦光束的系统，其例如包括会聚透镜，以改变光束的尺寸，并将其调整到微镜的尺寸。
另一方面，在工业生产中非常有用的某些激光束，例如多模态型，不是“高斯的”，也就是说，它们产生不能通过单个高斯分布建模的光束。这些激光必须通过位于光束“腰部”处的大体上矩形形状的表面源建模，该表面源具有第一轴线和第二轴线，该源沿着该第一轴线较窄，该源沿着该第二轴线较宽。术语“腰部”指的是光斑中的光束的最小尺寸，光束看起来从所述光斑开始发散。它也被称为颈部或腰部。另外，沿着称为“快轴”的第一轴线，光束比沿着称为“慢轴”的第二轴线更强烈地发散。换句话说，激光束在近场和远场中的行为在两个方向上不相同。因此，在光源的水平处，光束沿着慢轴的方向的宽度比沿着快轴的方向更大。
因此，不可能用传统的旋转对称透镜正确地聚焦这种激光束，以将其调整到微镜的尺寸和在转换元件上获得所需尺寸的光斑。
在本申请的下文中，表述“沿着慢轴和/或沿着快轴的光束”应理解成意味着光束的分别平行于慢轴和/或平行于快轴的所有分量。
另外，存在激光类型的光源，该光源插入壳体中，并且被透明的外透镜保护，以保护它们免受可能导致其故障的灰尘。这些保护装置防止另一光学元件(例如聚焦系统)就位成非常靠近光源。因此，光学元件的第一屈光镜的水平处的光束的尺寸不能如期望的那样减小那么多。另外，无论微镜和靶关于光源的相对位置如何，光束的尺寸由此都不能被调整到微镜的尺寸。
发明内容
本发明的目的是克服该缺点，并且其目的在于提供一种光模块，其特别地用于照明和/或信号传输、具有光束扫描并且设置有聚焦系统，该聚焦系统能够改变光束的宽度，沿着大轴线和沿着小轴线将其调整到微镜的尺寸，该光模块还允许使用设置有保护装置的光源。
为此，本发明涉及一种光装置，其特别地用于照明、具有光束扫描、特别地用于机动车辆、包括光源、波长转换元件和扫描装置，该光源构造成产生具有慢轴和快轴的光束，该波长转换元件具有转换表面，该扫描装置布置成用光束扫描转换表面，该装置还包括聚焦系统，该聚焦系统布置成将光束聚焦到转换元件上，并将该光束的宽度调整到扫描装置的尺寸，该聚焦系统包括沿着快轴和慢轴会聚的透镜，透镜设置有光束的输入屈光镜和输出屈光镜，输入屈光镜基本上是圆柱形的，使得光束会聚仅沿着快轴进行，直到在到达输出屈光镜之前在透镜中产生光源的图像的反像点。
转换元件包括至少一种发光材料，该发光材料设计成吸收由光源发出的至少激发光的至少一部分，并且将所述吸收的激发光的至少一部分转换成具有与激发光的波长不同的波长的发射光。优选地，发光材料选自以下化合物：Y3Al5O12：Ce3+(YAG)、(Sr，Ba)2SiO4：Eu2+、Cax(Si，Al)12(O，N)16：Eu2+。
因此，透镜使整个光束朝向扫描装置会聚，也就是说沿着快轴和慢轴会聚。然而，基本上圆柱形的输入屈光镜使得可以更大程度地修改光束沿着快轴的宽度，以能够独立地沿着慢轴和快轴调节光束。由于输入屈光镜是圆柱形的，它仅沿着光束的快轴具有作用，而沿着光束的慢轴有很少或没有作用，该光线将仅被输出屈光镜聚焦。
根据本发明的有利实施例，反像点更靠近输出屈光镜而不是输入屈光镜。
因此，可以调整光束在输出屈光镜的水平处的尺寸，并且使该尺寸比在受保护装置约束的输入表面上的尺寸更小，该输出屈光镜使得光束会聚成光斑。换句话说，在输出屈光镜的水平处得到光束，该光束被调整到微镜的位置和尺寸以及靶的位置。
根据本发明的不同实施例，该实施例可以一起或单独使用：
-输出屈光镜沿着慢轴和快轴会聚，
-输出屈光镜具有凸曲率，也就是说正的光功率，
-输出屈光镜有双锥形曲面，
-双锥形曲面具有沿着慢轴的第一曲率半径和沿着快轴的第二曲率半径，
-第一曲率半径大于第二曲率半径，
-输入屈光镜沿着快轴具有凸曲率，也就是说正的光功率，
-输入屈光镜沿着快轴会聚，
-输入屈光镜的曲率具有基本上圆柱形的部分，其轴线基本上与慢轴平行，
-输入屈光镜沿着慢轴基本上是平的，以避免沿着该方向改变光束，
表述“基本上是平的”应理解成意味着该屈光镜的表面与垂直于快轴(由此平行于慢轴)的平面的相交线基本上是直线段。
-透镜布置在光源和扫描装置之间的光束的光路中，
-透镜是厚透镜，
表述“厚透镜”应理解成意味着透镜的厚度大于或等于输入和输出屈光镜的最大尺寸。
-扫描装置设置有一个或两个移动微镜，其构造成沿着第一方向和/或沿着基本上垂直于第一方向的第二方向用光束扫描转换元件的表面，
-光源包括至少一个半导体发光元件，特别地是发光二极管，优选地是激光二极管，
-光源产生的光束是激光束，
-转换元件包括至少一种发光材料，
-发光材料是磷光和/或荧光的，
-发光材料基本上存在于转换元件的整个表面上。
本发明还涉及一种包括这种光模块的机动车辆灯装置。
优选地，该机动车辆灯装置可以包括投影系统。投影系统可以包括例如透镜和/或镜子。
附图说明
根据以下结合附图的描述将更好地理解本发明，该描述仅通过指示给出，并且不旨在限制本发明，图中：
-图1以图解方式示出了根据本发明的一个实施例的光模块的剖视侧视图，
-图2以图解方式示出了穿过包含光源的快轴的平面的剖视图，
-图3以图解方式示出了穿过包含光源的慢轴的平面的剖视图，
-图4以图解方式示出了包括根据本发明的光模块的机动车辆光装置。
具体实施方式
如图1所示，光模块1特别地用于光装置、后灯和/或机动车辆内的照明装置，其包括能够产生光束4的相干光源3，该光束4具有沿着(Oz)的传播轴线、沿着(Ox)的慢轴和沿着(Oy)的快轴。三个轴线成对垂直，如参考系统(Oxyz)所示。慢轴和快轴限定了光束4在光源的平面(Oxy)上的宽度，传播轴线与光束4共线。光束4在光源的发射面的水平处在平面(Oxy)上具有矩形形状，该矩形沿着快轴的尺寸比沿着慢轴更小。在这种情况下，光源3是激光二极管，其产生激光束，该激光束的光波具有基本上相等的波长值，例如448nm，以得到蓝色。
光模块1还包括具有光致发光转换表面的波长转换元件7，该光致发光转换表面构造成转换光束的波长，例如通过将光波的分布扩展到对应于不同颜色的波长值。因此，由于转换元件7，从初始光束4得到另一种颜色(例如白色)的光束。白色光束例如用作机动车辆的光装置中的照明光束。因此，可以通过由光源发射的光的一部分和由转换元件转换的光的一部分的加法合成来得到白色光束。
光模块1还包括通过光束4扫描转换元件7的表面的装置5。扫描装置5是MEMS(微电子机械系统或机电微系统)类型的元件，在这种情况下，其包括两个微镜6、12。第一微镜6布置在光束4的传播轴线上。第一微镜6将光束4反射向第二微镜12，该第二微镜12将光束反射向转换元件7的转换表面。通过围绕轴线的旋转运动来驱动这些微镜6、12，该旋转运动根据方向产生对转换元件7的表面的扫描。光束4在转换表面上整个所选区域上进行扫描，该扫描的频率足够高(例如200Hz)，以至于人眼不能察觉该移动，而看到由转换元件7产生的光束的连续照明。光模块1可以包括用于保护组件的壳体，该壳体包括一片玻璃，以允许光束4射出。
光模块1还包括聚焦系统2，该聚焦系统2布置在光源3和扫描装置5之间，以一方面将光束4聚焦在扫描装置5上，从而覆盖微镜6、12的较大部分，同时避免延伸超出其表面，也为了在转换元件7的转换表面上得到所需的光斑尺寸。
扫描装置5、转换元件7和聚焦系统2布置成使得由光源3产生的光束4首先遇到扫描装置5，然后遇到转换元件7。
根据本发明，聚焦系统2包括会聚透镜8，该会聚透镜8设置有用于光束4的输入屈光镜10和输出屈光镜11。透镜8布置在光源和扫描装置5之间的光束的光路中。换句话说，由光源3产生的光束4在到达扫描装置5之前穿过透镜8。透镜8布置成使其与沿着轴线Oz的光束的光轴同轴，使得光束4穿过透镜8，并且基本上居中。
如图2和3所示，透镜8构造成使光束4沿着快轴和慢轴会聚。特别地，它设置成将光束4的沿着快轴和沿着慢轴的宽度调整到扫描装置5(在这种情况下是在第一镜6处)的尺寸，并且调整到转换元件上的所需光斑尺寸。
为此，输入屈光镜10基本上是圆柱形的，以使光束4沿着快轴会聚，直到它在该光束4到达输出屈光镜之前在透镜8中产生光源3的图像的反像点9。换句话说，光束4仅沿着快轴会聚在反像点9上，光束的边缘位置在反像点9之后沿着快轴反转。输入屈光镜10包括具有基本上圆柱形部分的凸曲率，该圆柱形部分的轴线基本上与慢轴平行。术语“凸”表示输入屈光镜10的曲率朝向透镜的外部凸起，表述“基本上圆柱形”表示屈光镜具有表现出圆柱形的至少一部分或接近圆柱形一部分的曲率。在这种情况下，它是数学意义上的圆柱体，也就是说，圆柱体的横截面不一定是圆形的。因此，仅改变了光束4沿着快轴的宽度。
透镜8的输入屈光镜10具有足够短的焦距，以使反像点9在透镜8内部，也就是说在光束穿过输出屈光镜11之前，并且使得在输出屈光镜11上得到所需的宽度。根据输出屈光镜11的焦距和扫描装置5的尺寸以及它们相对于透镜和相对于转换元件7的位置来选择沿着快轴的所需宽度。因此，当光束4到达输出屈光镜11时，光源3沿着快轴的图像被反转。这样的反转对此后光束的使用没有影响，因为光源的图像在这里没有特别的意义。另一方面，由于光源的图像的反像点9的位置尽可能靠近输出屈光镜11，因此与其输入屈光镜不使图像反转的透镜的情况相比，该透镜可以距离光源3更远。因此，透镜8使得可以使用设置有保护装置的激光源。该效果与反转有关，但不是其结果；重要的是在装置内部的有限距离处成像或会聚点9的存在。
另外，透镜8的输入屈光镜不改变光束4沿着慢轴的宽度，因为输入屈光镜10沿着慢轴基本上是平的，如图3所示。因此，透镜8的输入屈光镜10仅设置有单个曲率，以不改变将由输出屈光镜11调整的光斑尺寸。
透镜8的输出屈光镜11沿着慢轴和快轴会聚。为此，输出屈光镜11具有凸曲率。另外，输出屈光镜11具有双锥形曲面。换句话说，输出屈光镜11的表面具有两个曲率半径，优选地是对于慢轴的第一曲率半径和对于快轴的第二曲率半径。因此，可以单独调整输出屈光镜11沿着各轴线的会聚。
因此，如图2所示，由于输入屈光镜10和输出屈光镜11产生的会聚的组合，透镜8将光束4的沿着快轴的宽度调整到扫描装置5的微镜6的尺寸。
另外，透镜8是厚透镜，使得输入屈光镜10和输出屈光镜11彼此相距足够远。术语“厚”表示它不是传统的薄透镜。透镜的厚度限定了输出屈光镜11和输入屈光镜10之间的距离，使得光源3的实像相对于输出屈光镜11的焦距就位成实现对光束的沿着快轴的宽度的正确调整。沿着慢轴，屈光镜10和11一起构成聚焦在光源上的平凸透镜，并且对于给定的透镜靶距离，输入屈光镜与光源的距离(考虑到由光源的保护装置施加的约束，该距离选择成尽可能短)加上透镜的厚度确定了放大倍率，调整该放大倍率以在靶上得到所需尺寸的光斑。
由于本发明，这种聚焦系统设置有厚的会聚透镜8，其输入屈光镜10沿着快轴是圆柱形的，并且使得一方面可以沿着所有方向在转换元件7上得到符合需要的光斑尺寸，另一方面可以得到适合扫描装置5的光束区段。
图4示出了例如设置有如上所述的光模块1的机动车辆灯装置15，该装置结合在壳体17中。灯装置15还包括投影系统16，该投影系统16构造成确定灯装置15外部的光束的方向。投影系统16例如设置有放置在光模块1下游的投影透镜，以传输旨在照亮道路的光束。

Claims (12)

1.一种具有光束扫描、特别地用于机动车辆的照明光模块(1)，包括光源(3)、波长转换元件(7)和扫描装置(5)，所述光源(3)构造成产生具有慢轴和快轴的光束(4)，所述波长转换元件(7)具有转换表面，所述扫描装置(5)布置成用所述光束(4)扫描所述转换表面，所述光模块(1)还包括聚焦系统(2)，所述聚焦系统(2)布置成将所述光束(4)聚焦到所述转换元件(7)上，并且将所述光束(4)的宽度调整到所述扫描装置(5)的尺寸，所述聚焦系统(2)包括沿着所述快轴和所述慢轴会聚的透镜(8)，所述透镜(8)设置有所述光束(4)的输入屈光镜(10)和输出屈光镜(11)，所述输入屈光镜(10)基本上是圆柱形的，以使所述光束(4)仅沿着所述快轴会聚，直到在所述光束(4)到达所述输出屈光镜(11)之前在所述透镜(8)中产生所述光源(3)的图像的反像点(9)。
2.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于，所述输出屈光镜(11)沿着所述慢轴和所述快轴会聚。
3.根据权利要求2所述的光模块，其特征在于，所述输出屈光镜(11)具有双锥形曲面。
4.根据上述权利要求中任一项所述的光模块，其特征在于，所述输入屈光镜(10)沿着所述快轴具有凸曲率，所述凸曲率具有基本上圆柱形部分，所述圆柱形部分的轴线基本上与所述慢轴平行。
5.根据上述权利要求中任一项所述的光模块，其特征在于，所述输入屈光镜(10)沿着所述慢轴基本上是平的，以避免沿着该方向改变所述光束(4)。
6.根据上述权利要求中任一项所述的光模块，其特征在于，所述透镜(8)布置在所述光源(3)和所述扫描装置(5)之间的所述光束(4)的光路中。
7.根据上述权利要求中任一项所述的光模块，其特征在于，所述透镜(8)是厚透镜。
8.根据上述权利要求中任一项所述的光模块，其特征在于，所述扫描装置(5)设置有一个或两个移动微镜(6、12)，所述移动微镜(6、12)构造成沿着第一方向和/或基本上垂直于所述第一方向的第二方向用所述光束(4)扫描所述转换表面。
9.根据上述权利要求中任一项所述的光模块，其特征在于，所述光源(3)包括至少一个激光二极管，所产生的所述光束(4)是激光束。
10.根据上述权利要求中任一项所述的光模块，其特征在于，所述转换元件(7)包括磷光材料。
11.一种机动车辆光装置，包括根据上述权利要求中任一项所述的、具有光束扫描的光模块(1)。
12.根据前一权利要求所述的机动车辆光装置，还包括投影系统(16)。
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