CN110573796B - 用于产生输出光发射的设备和方法以及头灯 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于产生输出光发射的设备（5、6），该设备具有：用于发光的光源（11、21、31）；和第一偏振分光元件（13、23a、33），该第一偏振分光元件布置为使得所发射的光的至少一部分射到该第一偏振分光元件上，其中能产生第一偏振状态的被反射的第一光束和第二偏振状态的被透射的第二光束。该设备还包括第一液晶元件（14、15、24、25、34），该第一液晶元件具有至少两个状态，所述至少两个状态能借助于控制单元（2）来操控。在此，第一液晶元件（14、15、24、25、34）被设立为至少部分地反射第一光束，其中第一光束的偏振状态能根据第一液晶元件（14、15、24、25、34）的状态来改变。在此，第一偏振分光元件（13、23a、33）还布置为使得第一光束在第一液晶元件（14、15、24、25、34）上反射之后射到该第一偏振分光元件上。为了产生输出光发射，第一光束能至少部分地被耦合输出。本发明还涉及一种具有至少一个按照本发明的设备的头灯（3、4）以及一种用于产生输出光发射的方法。

Description

用于产生输出光发射的设备和方法以及头灯
技术领域
本发明涉及一种用于产生输出光发射的设备和一种尤其是用于机动车的具有这种设备的头灯。本发明还涉及一种用于产生输出光发射的方法。
背景技术
使用液晶来控制光分布广泛流行而且能够针对各种各样的应用领域灵活地并且简单地产生和适配光分布。因而，存在也将其应用领域扩展到头灯、尤其是车辆的头灯的目标。例如，使用来自液晶显示器（liquid crystal display，LCD）或者液晶覆硅（liquidcrystal on silicon，LCoS）的领域的技术。
在DE 20 2016 102 988 U1中所描述的头灯中，光源的光经过偏振片并且被分成不同的偏振的两个部分。这两个部分借助于LCoS芯片来调制并且射到第二偏振片上，该第二偏振片将光束合并并且使光的至少一部分偏转到成像光学器件上。
在WO 2015/018729 A1中所描述的照明装置包括发光的光源，该光射到根据偏振来进行反射的薄膜上。穿过薄膜的偏振光射到二维成像仪上，该二维成像仪例如可以构造为LCoS。在这种情况下，光通过偏振分光器被偏转到成像仪上，通过该成像仪来调制并且被投射回到分光器上。根据该光的偏振，被投射回的光透射经过分光器或者朝着光源的方向被反射。
在按照DE 10 2008 008 664 A1 的车辆头灯中，使用LCoS显示器，以便使由光源所产生的光反射并且产生与驾驶行为适配的光分布。
发明内容
本发明所基于的任务在于：提供开头提到的类型的设备和方法以及一种头灯，所述设备和方法以及头灯允许对光源的光发射的尽可能高效的使用而且在所需的结构空间、尤其是在车辆中所需的结构空间的情况下提供了特别大的灵活性。
按照本发明，该任务通过按照本发明的设备、按照本发明的头灯和按照本发明的方法来解决。有利的设计方案和扩展方案从从属权利要求中得到。
按照本发明的用于产生输出光发射的设备包括：用于发光的光源；和第一偏振分光元件，该第一偏振分光元件布置为使得所发射的光的至少一部分射到该第一偏振分光元件上。在此，能产生第一偏振状态的被反射的第一光束和第二偏振状态的被透射的第二光束。该设备还包括第一液晶元件，该第一液晶元件具有至少两个状态，所述至少两个状态能借助于控制单元来操控。在此，液晶元件被设立为：至少部分地反射第一光束，其中第一光束的偏振状态能根据第一液晶元件的状态来改变。在此，第一偏振分光元件还布置为使得第一光束在第一液晶元件上反射之后射到该第一偏振分光元件上，而且为了产生输出光发射，该第一光束能至少部分地被耦合输出。
由此，有利地，可以产生如下输出光发射，该输出光发射能与各种各样的需求特别轻易地适配而且该输出光发射特别高效地使用由光源所发射的光。该设备可以与所提供的结构空间灵活地适配。输出光发射还可以被产生为使得在角度范围大的情况下同时实现了高照明强度。例如，利用所提供的光可以产生分布，使得大的角度范围被照亮，而某些部分区域以特别高的强度被照亮。
不同于已知的系统，在本发明中，第一偏振分光元件不仅仅被用于将第一光束和第二光束分开，而且至少第一光束在第一液晶元件上反射之后又射到相同的第一偏振分光元件上。因而，该设备可以被设计为使得所使用的构件的数目可以被保持得尽可能少而且尤其是可以节省成本高的组件、比如其它偏振分光元件。
本发明针对了多个问题，这些问题在借助于微调制器、如DMD、LCD或者微扫描仪来产生高分辨率的光分布、尤其是高分辨率的头灯的高分辨率的光分布时得到。微调制器由于其结构尺寸小而需要光密度高的光源，以便可以借助于调制器来高效地提供和影响足够高的光通量。不过，如今的光源的光密度是有限的。为了尽管如此仍达到对照明强度、尤其是在汽车领域的照明强度的高要求，通常将光分布的角度范围缩小，使得光可以分布到更小的空间上而且所达到的强度可以被提高。
然而，这导致被照亮的空间小，小的被照亮的空间限制了在实现新的传感器控制的照明功能时的灵活性与可能性。导致照明强度更高的另一种方法是：比如通过使用大的液晶显示器（liquid crystal display，LCD）来使调制器增大。在此，虽然可以实现光分布的所希望的高照明强度，但是为了将光分布成像到调制器上，需要大的光学系统、尤其是具有大的透镜的光学系统。因为头灯结构尺寸由于设计要求而变得越来越小，所以这被认为是不利的。此外，LCD由于其透射率低而光效率低，而且高的光功率并不能在调制器的情况下完全地被使用，因为该调制器透射地被透视。此外，构件的过热可能导致其失灵。
另一方面，扫描法由于其取决于时间的曝光而需要极高的峰值功率，从而达到头灯的照明技术要求。具有这种峰值功率的光源目前、至少在汽车领域不可行。
因而，按照本发明的设备的一个设计方案，液晶元件构造为液晶覆硅（liquidcrystal on silicon，LCoS）。由此，有利地，可以使用本身公知的技术，以便影响光束的偏振状态。尤其是，LCoS的光效率超过LCD的光效率。与借助于数字微镜器件（digitalmicromirror device，DMD）的实施方案相比，LCoS元件提供了如下优点：可以使用更大的调制面积，从这些调制面积中得到更高的聚光率，使得更多光可以经由LCoS被成像。在使用LCoS时相对于DMD的另一优点是：可根据偏振来将光路分开的可能性。
在通过LCoS来反射光的情况下，光首先穿过液晶层并且射到反射层上，该反射层尤其是由硅形成。被反射的光紧接着再次穿过液晶层。在穿过液晶层时，光的偏振可能发生变化，其中尤其是光的偏振方向被旋转。由于液晶层而引起的偏振状态的该变化本身公知。还公知的是：通过施加电压来改变液晶层的状态，使得实现了偏振状态的确定的变化、例如偏振方向旋转了某个角度。在此，在使用LCoS时尤其应考虑：光两次穿过液晶层，也就是说，偏振的由此所获得的变化发生了两次。LCoS尤其被设立为：根据液晶元件的状态、也就是说尤其根据所施加的电压，在穿过液晶层一次的情况下实现对偏振方向的在0与λ/4之间的旋转，其中λ表示穿过的光的波长。
在另一构造方案中，该设备还包括至少一个冷却元件，通过该冷却元件能将第一和/或第二液晶元件冷却。由此，在该设备运行时积累的热量可以简单地被排出，使得有利地避免了由于过多的热量而引起的对液晶元件的损坏。尤其，可以使用主动和/或被动冷却元件。
以本身公知的方式来通过光源产生光发射，其中可以使用不同的技术。例如，光可以由白色LED（light emitting diode，LED）、RGB LED（具有红色、绿色和蓝色成分的LED）、激光激活的荧光物质或者RGB激光器来产生。替选地或附加地，由光源发射的光可以借助于光纤来耦合输入到该设备中。在使用蓝色激光器时，通过该设备产生的并且通过LCoS调制的输出光发射可以被射到处在投影光学器件前面的荧光物质层上，以便实现转换成可见光。
在此，由光源发射的光关于其偏振方面不受限制，但是尤其是未经偏振的或是圆偏振的。这种偏振在典型的白炽灯和LED中得到以及在常用的激光照明装置中得到，所述激光照明装置的光首先被偏转到磷光板上，以便产生多色的光发射。该设备还可以用线性偏振光源来运行。由光源发射的光也可以被多个按照本发明的设备使用，例如以便借助于多个按照本发明的设备依据由光源发射的光来产生确定的光分布。
在本发明中，由光源发射的光尤其借助于第一偏振分光元件被分解成两个线性偏振分量，其中尤其是基本上不发生对某个偏振的光的吸收。由此，有利地实现了系统的高效率。偏振分光元件以本身公知的方式形成，尤其是借助于薄膜或光学结构来形成，该薄膜或光学结构允许光根据其线性偏振的反射和透射。
由光源发射的光的两个被分解的分量、也就是说第一和第二光束，分别被偏转到自己的光路上，而且它们的偏振可以通过液晶元件、尤其是通过偏振方向的旋转而改变。可以使用该被改变的偏振，以便产生确定的输出光发射，该输出光发射的强度可以借助于液晶元件的状态以及偏振方向的与之相关联的旋转来控制。尤其是，为了将两条光束合并，可以使用第一或第二分光元件，其中输出光发射的不一样地偏振的分量可以叠加而且输出光发射可以被耦合输出。
在一个构造方案中，第一液晶元件还被设立为至少部分地反射第二光束。由此，有利地，单个的液晶元件可以被用来控制这两条光束的偏振状态的变化。
在本发明的这种实施方式中，液晶元件特别高效地被使用，因为该液晶元件被用于改变第一和第二光束的偏振状态。尤其可以使用反射元件，以便将光束偏转到光路上，使得这些光束可以彼此分开地被引导并且尽管如此两者仍都射到该液晶元件上。
在另一构造方案中，第一和第二光束射到液晶元件的同一区域上。尤其是，第一和第二光束的部分分别射到液晶元件的同一区域上。由此，有利地，使用液晶元件的同一表面，以便调制光的不一样地偏振的部分的偏振方向。这还允许节省成本高的光学构件或者将成本高的光学构件设计得更小，而且允许更紧凑的、更简单的光学构造。就本发明而言的“同一区域”尤其被理解为：光束基本上射到相同的区域上。替选地，液晶元件可具有彼此分开的区域，光束分别射到这些彼此分开的区域上。
液晶元件还可以构造为使得在其表面的不同的位置，入射的和反射的光不一样地被调制，比如由于如下区域的矩阵而不一样地被调制，这些区域能单独地操控而且可以彼此无关地对入射光的偏振进行调制。尤其是，光的两个不一样地偏振的部分中的部分在此分别射到液晶元件的表面的相同的区域上。
在另一构造方案中，该设备还包括第二液晶元件，其中第二液晶元件被设立为至少部分地反射第二光束，其中第二光束的偏振状态能根据第二液晶元件的状态来改变。通过使用至少两个液晶元件，通过第一偏振分光元件依据所发射的光来产生的两条光束可以彼此分开地在它们的偏振状态方面被影响。因而，这种实施方式允许产生特别复杂的输出光发射。
在一个扩展方案中，为了产生输出光发射，第一和第二光束射到第一偏振分光元件上并且被合并。由此，有利地，两条依据由光源发射的光来产生的具有不同的偏振状态的光束可以被用于产生输出光发射，而且尤其可以实现在输出光发射之内的特别高的光强度。
在就本发明而言的光束的合并的情况下，将光叠加，使得在这些光束之间不再存在空间隔离。即输出光发射的光并不是与不同的光束相对应地空间上分开地离开，而是可以将具有两条在第一分光元件上分开的光束的光叠加的一条光束耦合输出。通过将这些光束合并，可以实现：使所产生的输出光发射的聚光率并非不必要地增大。
在不同的实施方式中，第一和第二光束可以在合并之前以不同的方式来调制，使得例如可以使不一样地形成的强度分布叠加。在这种情况下，可以形成输出光发射，其方式是针对第一或第二光束分别形成不同的强度分布，比如依据借助于液晶元件对偏振状态进行不同的调制来形成不同的强度分布。
按照一个构造方案，该设备还包括第二偏振分光元件，被透射的第二光束射到该第二偏振分光元件上，而且为了产生输出光发射，第二光束能通过该第二偏振分光元件来至少部分地耦合输出。由此，有利地，由光源发射的光的通过第一分光元件来分开的部分可以单独地耦合输出并且例如被用于不同的照明功能或者被用于输出光发射的更灵活的造型。
在这种实施方式中可以规定：第一和第二光束尤其没有被合并，而是耦合输出，使得输出光发射包括至少两条空间上分开的光束。例如，输出光发射可包括朝着不同的方向延伸的光束。替选地或附加地，这些光束可以并排地或者以其它方式彼此分开地延伸。此外，输出光发射的光束可具有重叠区，例如在图像平面的区域内具有重叠区，其中这些光束在该区域内通过叠加来产生图像。
在一个扩展方案中，输出光发射包括第一分量和第二分量，其中第一分量能通过第一偏振分光元件来耦合输出而第二分量能通过第二偏振分光元件来耦合输出。在此，第一和第二分量能在彼此间隔开的位置耦合输出。尤其是，输出光发射的第一分量包括被反射的第一光束的至少一部分，而第二分量包括被透射的第二光束的至少一部分。
由此，有利地，第一和第二光束的光可以特别高效地被调制，使得输出光发射的不同的分量灵活地并且与需求适配地来构造。
尤其是，在此可以规定：第一分量不包括第一光束的光和/或第二分量不包括第二光束的光。
在另一构造方案中，第一和/或第二液晶元件构造为图像点的第一和/或第二矩阵。尤其是，这些图像点构造为像素（picture elements（图像元素））。
尤其是，在图像点的区域内，液晶元件的液晶层能单独地来操控，也就是说，在图像点的区域内射到液晶元件上的光的偏振状态以特定的方式根据对图像点的操控来变化。尤其是借助于电压来进行操控，该电压在LCoS的液晶层上在相应的图像点的区域内被施加。
在一个扩展方案中，为了产生输出光发射，第一和第二光束能借助于投影光学器件来耦合输出。由此，有利地，被耦合输出的输出光反射可以由投影光学器件来形成和调制。
投影光学器件可以被用于根据投影光学器件的成像特性以确定的方式来形成投影的特性。例如，投影光学器件可以引起光束的聚焦或者发散。
在此，投影光学器件以本身公知的方式形成，例如以物镜的形式形成。该投影光学器件可以构造为使得其成像特性可以被调整，例如其方式是调整焦距或者改变失真的成像特性。为此，该投影光学器件例如可以包括透镜和/或反射元件，所述透镜和/或反射元件的布置可以是能改变的，比如以便使投影光学器件针对某个设备、比如在车辆中的某个设备适配或者以便进行成像特性与发生变化的周围环境条件的自动适配。
在一个构造方案中，为了产生输出光发射，第一光束能借助于第一投影光学器件至少部分地耦合输出，而第二光束能借助于第二投影光学器件至少部分地耦合输出。有利地，通过将单独的投影光学器件用于不同的光束，可以产生更灵活的并且能以更多样的方式造型的输出光发射。在这种实施方式中，输出光发射包括两个空间上分开的部分、尤其是两条空间上分开的光束。
尤其是，通过投影光学器件来对图像进行投影。例如，图像可以在将该设备用在车辆中时被投影在行车道上和/或被投影到车辆的周围。例如，可以实现该布置，使得对象平面由液晶元件、尤其是LCoS形成而且在那里被调制的光分布的图像被投影到图像平面上。液晶元件尤其包括多个图像点，这些图像点例如依据矩阵来布置，其中对于每个图像点来说都可以单独地调制相应入射的光的偏振状态。
通过光路径的适当的引导、例如在将偏振滤光镜和/或偏振分光元件包括在内的情况下光路径的适当的引导，可以对偏振状态进行调制从而产生光的强度分布。通过投影光学器件，可以对这种强度分布进行成像，例如在道路上或者在图像平面内成像，其中输出光发射的特点尤其可在于在该图像平面内的特定的强度分布。例如，对于在机动车中使用头灯的法律要求规定了某些光分布，这些光分布在相对于头灯或相对于具有头灯的车辆的确定的图像平面内被评价。
尤其是，输出光发射的所产生的图像包括在相对于该设备布置的确定的图像平面内的强度分布。在此，该强度分布可以通过被耦合输出的第一或第二光束来产生，替选地或附加地可以使用这些光束的叠加，其中这些光束在此可以被合并。替选地或附加地，这些光束可以单独地耦合输出并且为了成像而被叠加。
在另一构造方案中，第一和/或第二投影光学器件被设立为：依据耦合输入的光束来产生输出光发射，使得该输出光反射包括具有至少一个内部区域和至少一个外部区域的图像，其中该图像被构造为使得内部区域具有比外部区域更高的光强度。由此，有利地，在输出光发射的内部区域可以实现特别高的光强度，这对于很多应用、尤其是在车辆头灯中的应用来说是非常重要的。
该图像尤其包括强度分布，该强度分布依据在液晶元件的不同的区域内对光的偏振状态的调制来产生。尤其是，为此使用液晶元件的图像点的矩阵，这些图像点通过被反射的光的分别不同的偏振状态或对这些偏振状态的调制而产生。在液晶元件上反射之后，光穿过偏振分光元件、偏振滤光镜或者其它光学元件，该其它光学元件引起了将不同的偏振状态转化成强度分布。以这种方式，可以将在光束之内的偏振状态的分布成像为强度分布。
例如，至少一个投影光学器件构造为失真的投影光学器件，其中尤其是中间的图像点比布置得更外部的图像点成像得更小。经此，在光分布的图像中央的强度可以被提高，尤其是以便达到特定的照明技术要求，比如为了在机动车中使用该设备而达到特定的照明技术要求。
在此，内部和外部区域相对于图像平面内的光分布来定义，图像通过投影光学器件被投影到该图像平面上。此外，在该上下文中，更高或更低的光强度都应被理解为特定值。也就是说，通过投影光学器件来产生图像，使得在被成像的光分布的强度最初相同的情况下，在图像之内、尤其是在图像平面内达到了更高或者更低的强度。也就是说，投影光学器件的成像特性导致在所产生的图像之内的强度的发生变化的分布。与此无关，被成像的强度分布本身被考虑，在所述被成像的强度分布的区域之内，由于对偏振状态的调制、比如通过LCoS的图像点对偏振状态的调制而产生更高或更低的强度。
在其它实施例中，通过投影光学器件形成的强度分布也可以以其它方式实现，尤其是在以其它方式构造的失真的情况下实现，其中例如外部区域比内部区域强度更高地来成像。
在一个扩展方案中，输出光发射包括至少两个图像的叠加，其中所述至少两个图像借助于至少两个投影光学器件来产生。有利地，将两个图像叠加成输出光发射能够实现对输出光发射的更具差异化地设计的并且能特别轻易地改变的构造。
例如，本发明的实施方式可以规定：依据通过第一偏振分光元件形成的两条光束，为了产生输出光发射，通过单独的投影光学器件来将两条光束耦合输出。被耦合输出的光束可以彼此无关地被调制，例如通过分别在具有能单独操控的图像点的液晶元件上的反射来被调制。
按照本发明的头灯包括至少一个开头所描述的类型的设备。由此，有利地，本发明可以被用在特别相关的领域，尤其是被用于机动车。在此，该设备可以以不同的方式集成到头灯中。
在按照本发明的头灯的一个设计方案中，该头灯还包括至少一个投影光学器件，该投影光学器件具有如下成像特性，通过所述成像特性，第一和/或第二光束能耦合输出，用来产生输出光发射。在此，投影光学器件的成像特性能借助于控制单元来调整。以这种方式，可以特别简单地形成输出光发射。
例如，通过投影光学器件可以产生更小的以及更大的光分布，为了产生输出光发射，所述更小的以及更大的光分布被叠加。还可以产生和叠加空间上彼此错开的光分布。投影光学器件还可以形成为使得其成像特性能改变，例如通过改变光学上有作用的元件相对于彼此间和/或相对于头灯的其它组件的布置来改变。
尤其是规定：为了产生输出光发射，在本发明中使用由单个的光源发射的光，其中输出光发射可通过借助于多个投影光学器件耦合输出的光分布的叠加来产生。替选地或附加地，可以规定：使用按照本发明的设备中的多个设备，例如在具有两个头灯的车辆中使用按照本发明的设备中的多个设备，而且又将由这些设备所产生的输出光发射叠加。
在按照本发明的用于产生输出光发射的方法中，通过光源来发光。所发射的光的至少一部分射到第一偏振分光元件上，其中产生第一偏振状态的被反射的第一光束和第二偏振状态的被透射的第二光束。第一光束至少部分地被第一液晶元件反射，其中第一液晶元件具有至少两个状态，所述至少两个状态借助于控制单元来操控，而且其中第一光束的偏振状态根据第一液晶元件的状态来改变。第一光束在第一液晶元件上反射之后射到第一偏振分光元件上。为了产生输出光发射，第一光束至少部分地被耦合输出。
按照本发明的方法尤其被构造为：通过上文所描述的按照本发明的设备来实施。因此，该方法具有与按照本发明的方法相同的优点。
附图说明
现在，本发明参考附图依据实施例来阐述。
图1示出了具有按照本发明的头灯的实施例的车辆；
图2示出了按照本发明的设备的第一实施例；
图3示出了按照本发明的设备的第二实施例；
图4A和4B示出了按照本发明的设备的第三实施例；而
图5A、5B和5C示出了强度分布的示例性的模拟，如其可通过按照本发明的方法来产生的那样。
具体实施方式
参考图1，阐述了具有按照本发明的头灯的实施例的车辆。
车辆1包括两个头灯3、4，这两个头灯分别包括按照本发明的设备5、6。头灯3、4与控制单元2耦合，通过该控制单元尤其可以操控设备5、6，以便调整能由头灯3、4产生的输出光发射。
参考图2阐述了按照本发明的设备的第一实施例。
示意性地示出的设备包括光源11，该光源发射未经偏振的光、这里是具有圆（SP）偏振的光。在该示例中，光源11例如可以实施为发光二极管、白炽灯或者以其它的、本身公知的方式来实施。光源11还可以产生用于多个设备的光，其中所发射的光可以以不同的、本身公知的方式沿着光路被引导。
在该实施例中，由光源11发射的光射到照明光学器件12上并且通过该照明光学器件来集束以及被偏转到偏振分光元件13上。通常，由光源发出的光具有两个偏振方向，在图2中通过虚线和实线来阐明。在其它实施例中，不设置照明光学器件12或者设置具有类似功能的其它装置。
偏振分光元件13以本身公知的方式来实施，例如实施为偏振分光器（polarizingbeam splitter，PBS），而且用于将未经偏振的或圆偏振的光分解成两条分别线性偏振的光束。在此，具有确定的线性偏振状态的光束被反射，具有相对应的互补的线性偏振的另一光束可穿过偏振分光元件13。在此，基本上没有光被吸收，而是未经偏振的或圆偏振的光被分解并且产生两条S或P偏振的光束。
不同于已知的方法、例如利用LCD的方法，在这些已知的方法中，线性偏振光借助于偏振滤光镜来得到，该偏振滤光镜吸收确定的偏振状态的光并且使互补地线性偏振的光透射。而在按照本发明的方法中，可以使用两条彼此互补地偏振的光束而且避免了显著的光损失。这导致在使用光源11时的效率显著提高。
在该实施例中，被反射的光束射到第一液晶元件14上，被透射的光束射到第二液晶元件15上。液晶元件14、15构造为LCoS14、15。这些液晶元件分别包括在尤其是由硅形成的反射层之上的液晶层。射到LCoS 14、15上的光首先穿过液晶层，被反射层反射并且第二次穿过液晶层。在此规定：液晶层可以通过施加电压来达到不同的状态，在这些不同的状态下，穿过的光的偏振以确定的方式被改变。尤其是，在穿过时，偏振方向旋转了确定的角度，其中由于穿过了两次，所调整的旋转角度加倍。例如，通过所施加的电压，可以在穿过一次液晶层时调整偏振方向在0与λ/4之间的旋转，这造成了通过LCoS 14、15反射的光的偏振方向在0与λ/2之间的整体旋转。
在该实施例中，液晶层包括多个能单独操控的区域，这些能单独操控的区域布置成矩阵。这些能单独操控的区域形成相应的LCoS元件14、15的图像点的矩阵，其中这些图像点中的每个图像点都能单独地来操控。为此，可以在图像点的区域内对液晶层施加单独的电压。因此，射到LCoS 14、15上的、线性偏振的光束可以根据该光束射到LCoS 14、15的液晶层上的位置来在该光束的偏振方向方面不一样地被调制。
在该实施例中，通过偏振分光元件13产生的光束分别射到LCoS 14、15上而且由该LCoS 14、15投射回到偏振分光元件13上。如果LCoS元件14、15处在它们没有引起入射光的偏振的变化的状态下，则光束在偏振分光元件13上被反射或透射，使得这些光束朝着光源11的方向投射。然而，如果这些光束中的至少一条光束的偏振被LCoS元件14、15改变了，则被投射回的光束又经由偏振分光元件13被分成该光束的两个线性偏振的部分，这两个线性偏振的部分相对应地被透射或者反射。以这种方式，被投射回的光的至少一部分可以朝着投影光学器件16的方向传导而且在那里耦合输出，以便产生输出光发射。
例如，通过偏振分光元件13可以反射S偏振的光（虚线）并且可以使P偏振的光（实线）透过。在这种情况下，S偏振的光束射到第一LCoS 14上。如果LCoS 14引起了偏振方向的旋转，则被投射回的光至少部分地P偏振。光通过LCoS 14被投射回到偏振分光元件13上，在那里，P偏振的部分现在被透过并且被耦合输入到投影光学器件16中。而S偏振的部分被反射并且朝着光源11的方向投射回。反过来，在该示例中，由光源11发射的光的P偏振的部分透射经过偏振分光元件13并且射到第二LCoS 15上，通过该第二LCoS又可以使入射光的偏振方向旋转，使得被投射回到偏振分光元件13上的光至少部分地S偏振而且现在可以被反射并且被耦合输入到投影光学器件16中。
因此，在该实施例中规定：由光源11发射的光的不同的偏振状态首先通过偏振分光元件13来分离，必要时被调制并且紧接着重新被合并。因此，视LCoS元件14、15的配置而定，输出光发射可包括不同的偏振方向的部分。
在另一实施例中，可以设置仅仅一个LCoS 14、15，而且相应另一偏振状态的光束可以以其它方式来耦合输出或者丢弃，比如通过吸收来丢弃。这种情况类似于在已知的设备中的做法，在所述已知的设备中，使用由光源11发射的光的仅仅一个偏振方向来产生输出光发射。在这种情况下，由光源11发射的光并不完全被使用而且尤其是达到了约50%左右的较低的效率。也就是说，通过在图2中图解说明的设计，可以使用两个偏振方向，而且借此可以实现相对于已知的设备被提高的效率。
在该实施例中，LCoS元件14、15分别包括图像点的矩阵，在这些图像点的区域内，液晶层可以分别单独地被操控。以这种方式，可以借助于偏振方向的变化并且根据LCoS元件14、15的分辨率来对图像进行调制，其中入射光的偏振方向根据对图像点的操控来改变。
在另一实施例中，可以使用具有所限定的线性偏振的激光光源，作为光源1。在这种情况下，只需要一个LCoS 14、15。如果使用尤其是发射在紫外线、也就是说不可见光范围内的电磁辐射的蓝色激光器，则借助于LCoS 14、15通过对偏振的调制来产生的图像可以被投影到荧光物质上，该荧光物质处在投影光学器件前面并且通过该荧光物质可以产生并且成像在可见光范围内的光反射。
替选地或者附加地，可以使用RGB光源（比如激光器或者LED）。还可以产生多色图像，其中这里尤其可以借助于多个光通道来设置按顺序的构造，例如通过光源的相对应的切换来设置按顺序的构造。然而，这可能伴随有输出光发射的更低的输出功率，因为必须依次针对红色、绿色和蓝色的颜色通道。
照明光学器件12和投影光学器件16以本身公知的方式形成而且尤其可包括多个透镜。投影光学器件例如可以以物镜的形式来构造，而且可以规定：该投影光学器件的成像特性可调。例如可以设置可变的或可调的焦距。还可以设置比如导致成像失真的成像特性。对此的示例在更下面详细地予以阐述。投影光学器件还可包括反射元件和/或其它光学元件。光学元件、尤其是透镜和平面镜的布置可以是能改变的。还可以规定：通过控制单元2，可以进行对照明光学器件12和/或投影光学器件16的调整。
在另一实施例中规定：在LCoS元件14、15中的至少一个LCoS元件中布置冷却元件，使得热量可以从LCoS 14、15排出。以在图2中示出的方式使用LCoS 14、15通常导致加热，该加热在输入功率高的情况下、也就是说在通过照明光学器件12耦合输入的光的强度高的情况下可能导致LCoS 14、15的过热和损坏。如本发明能够实现的那样使用LCoS元件14、15的优点在于：可以特别简单地实现冷却，尤其是通过将背后的、背离液晶层的一侧布置得与冷却元件热接触可以特别简单地实现冷却。冷却元件可以以本身公知的方式被动地或主动地来构造。
参考图3阐述了按照本发明的设备的第二实施例。在此，尤其是探讨与上文所阐述的第一实施例的区别。
在图3中示出的实施例中，使用两条偏振方向不同的光束的分离，以便借助于两个投影光学器件26a、26b来产生输出光发射。
由光源21发射的光借助于照明光学器件22对准第一偏振分光元件23a，并且在那里如上文依据图2已经描述的那样被分成两条彼此间互补地线性偏振的光束。为此，第一偏振方向的第一光束被反射，而互补的第二偏振方向的第二光束被透射。
第一光束（虚线）射到第一LCoS 24上而且可能在其偏振方面受到LCoS 24的液晶层的状态影响。第一光束在LCoS 24上被反射并且再一次射到偏振分光元件23a上，在该偏振分光元件23a处，第一偏振方向的在LCoS 24上调制之后剩余的部分朝着光源的方向反射而互补的第二偏振方向的部分朝着第一投影光学器件26a的方向偏转。根据第一投影光学器件26a的成像特性，产生输出光发射的第一分量。
互补的第二偏振方向的第二光束（实线）射到第二偏振分光元件23b上，在该实施例中，该第二偏振分光元件以与第一偏振分光元件23a相同的方式来构造。也就是说，第二光束也在第二偏振分光元件23b中被透射并且射到第二LCoS 25上。类似于上文所描述的第一LCoS 24，该第二LCoS 25可以对入射的和反射的光的偏振方向进行调制。现在，在第二LCoS 25上被反射的光具有根据第二LCoS 25的液晶层的状态来调制的偏振，而且可以部分地在第二偏振分光元件23b上被反射或透射。被反射的部分被偏转到第二投影光学器件26b上并且可以通过该第二投影光学器件来耦合输出。通过第二投影光学器件26b来产生输出光发射的第二分量，该第二分量又取决于第二投影光学器件26b的成像特性。
类似于参考图2所阐述的第一实施例，在图3中示出的实施例中也规定：LCoS元件24、25分别具有图像点的矩阵，在这些图像点的区域内，液晶层能单独地被操控。也就是说，对于每个图像点来说，在LCoS 24、25上反射的光的偏振状态都可以单独地被调制。
可以规定：两个投影光学器件26a、26b具有不同的成像比例尺。例如通过投影光学器件26a、26b以不同的比例尺来使依据在LCoS 24、25上的调制所产生的图像成像，可以在成像的位置实现光的更高或更低的强度。为此进行投影，使得成像到更小或更大的表面上并且这里所得到的光通量相对应地更大或更小。这样，投影光学器件26a、26b之一例如可以实现为一种增强器，以便在输出光发射的较小的区域内实现确定的高的照明强度。那么，输出光发射尤其包括光强度较低的区域和光强度较高的另一区域。
此外，投影光学器件26a、26b可以涉及在输出光发射之内的不同的区域，其中尤其是将空间上分开的区域照亮。此外，这两个投影光学器件26a、26b可以被实施得具有不同的成像特性，例如具有不同的失真、不同的成像比例尺和/或不同的焦距。
参考图4A和4B阐述了按照本发明的设备的第三实施例。在此，尤其是探讨与上文所阐述的第一和第二实施例的区别。
在该实施例中，本发明借助于单个的偏振分光元件33和单个的LCoS 34来实现。也就是说，由光源31产生的光的不一样地线性偏振的部分单独地光学引导并且可以共同被用于产生输出光发射。然而，偏振方向不同的两个部分在此可以借助于其中一个LCoS 34来调制。尤其是，光的不一样地偏振的部分在此在同一区域射到LCoS 34上，也就是说，使用LCoS34的同一表面，以便对偏振方向进行调制。由此，可以节省成本高的光学构件并且可以特别简单地实现光学构造。
LCoS 34还可以构造为使得入射的和反射的光在LCoS 34的表面的不同的位置不一样地被调制。例如，在LCoS 34的表面之内，可以构造以图像点（picture elements（图像元素），Pixel（像素））为形式的矩阵，其中每个图像点都对应于一个能单独操控的表面，而且对于矩阵的每个图像点来说都可以进行与其它图像点无关的调制。尤其是，光的两个不一样地偏振的部分中的部分在此分别射到LCoS 34的相同的图像点上。
图4A示出了按照该实施例的在ON（打开）状态下的设备，而图4B示出了在OFF（关闭）状态下的设备。也就是说，在该实施例中，这里示出了极端状态，而中间状态如上文依据图2和3已经阐述的那样当然同样是可设想的。
由光源31发射的光借助于照明光学器件32被偏转到偏振分光元件33上，在该偏振分光元件33处，第一和第二光束通过两个能彼此互补的偏振方向的反射或透射来产生。这两条光束分别通过平面镜37被偏转到LCoS 34上，在该LCoS 34处，这两条光束穿过LCoS 34的液晶层，在该液晶层背后被反射并且再一次穿过该液晶层。如已经在上文阐述的实施例中的那样，在该实施例中规定：液晶层包括图像点，这些图像点能借助于所施加的电压分别单独地来操控。视图像点的状态而定、也就是说根据所施加的电压，穿过液晶层的光的偏振发生变化，其中尤其是使偏振方向旋转了确定的角度。
在图4A中作为ON状态来示出的情况下，不同于在图4B中作为OFF状态所示出的情况，射到LCoS 34上的光的偏振不受影响。
在图4A中所示出的ON状态下，表示为虚线的偏振的光首先射到偏振分光元件33上并且由该偏振分光元件偏转到平面镜37上。该平面镜将光继续反射到LCoS 34上，该LCoS34在这种情况下不影响偏振并且将光反射到另一平面镜37上。该另一平面镜将光反射到偏振分光元件33上，在该偏振分光元件上，光又被反射并且朝着投影光学器件36的方向偏转。
表示为实线的另一偏振方向的光透射经过偏振分光元件33并且通过平面镜37被反射到LCoS 37上。该LCoS 37在这种情况下不改变偏振特性而且使光经由另一平面镜37反射到偏振分光元件33上。光重新穿过并且被耦合输入到投影光学器件96中。
因此，在仅仅使用一个LCoS 34的情况下，可以使用光源31的两个偏振方向。
在图4B中示出的OFF状态下，射到LCoS 34上的光在其偏振方面发生变化，使得由光源31发出的光最终被反射回到该光源并且没有光到达投影光学器件36。尤其是，在此，在LCoS 34上实现了使偏振方向旋转90°或λ/2。
在中间状态下、也就是说当偏振方向被LCoS 34旋转了在0与90°之间的角度时，光的仅仅一部分通过投影光学器件36来耦合输出，而其余部分朝着光源31的方向投射回。
参考图5A至5C，阐述了强度分布的示例性的模拟，如其可通过按照本发明的方法来产生的那样。在此，尤其是以按照本发明的设备的上文所描述的实施例为出发点。
按照本发明，为了实现对于头灯、尤其是机动车中的头灯来说所需的高照明强度，尤其是规定对所示出的具有失真的投影光学器件的系统的实施。在这里所示出的示例性的情况下，投影光学器件16、26a、26b、36使光分布失真，使得LCoS 14、15、24、26、34的中央的图像点比布置得更外部的图像点成像得更小。经此，可以提高在中央的照明强度并且例如满足交通法规要求。
通过数字预修正，可以补偿成像的失真，例如以便以光分布的十分确定的形状来对输出光发射进行投影。为了该目的，在一个实施方式中还可以规定：检测投影光学器件的成像特性并且产生相对应的预修正。
图像的失真尤其导致：在不同的区域内能呈现的光分布的分辨率不一样大，因为被成像的图像点占据不同的面积。同时，在更小的面积上成像的图像点的光分布的照明强度相对于其它图像点的更大的面积被提高。
失真可以强烈地构造为使得达到交通法规和交通条件所要求的照明强度。光源11、21、31的光密度越高以及越可以向该设备提供其它光学元件，失真就可以被实施得越小。
图5A示例性地示出了失真的光分布的经模拟的照明强度分布。在此，出发点是：矩形地构造的LCoS 14、15、24、25、34的图像被成像，例如借助于垂直于该设备的中央发射方向的调焦屏来测量，如这被设置用于评价车辆头灯的那样。在该附图中示出的线应该显示光强度基本上相同的区域。在此，强度朝向中央变得越来越高。
图5B示出了4x6个图像点的规则网格41。该图像示例性地表示在矩形的LCoS 14、15、24、26、34上的图像点的布置。图5C示意性地示出了：在对象平面内的网格41可以如何借助于失真的投影光学器件16、26a、26b、36作为失真的网格42被成像在图像平面内。在这种情况下，布置在中心附近的图像点比外部的图像点成像得更小，使得在其中中间的图像点被成像的区域的光通量比在外部区域更高。
投影光学器件16、26a、26b、36的成像特性对在输出光发射的各个区域的光强度的影响应相对于会与未失真的成像相对应的强度来理解。根据LCoS元件14、15、24、25、34对偏振状态的改变，在输出光发射之内的光强度的分布可以附加地发生变化。然而，通过投影光学器件的成像特性，预先给定在确定的区域内能达到的最大光强度，以及根据光源11、21、31的强度和光系统的其它特性来预先给定在确定的区域内能达到的最大光强度。
由投影光学器件16、26a、26b、36所引起的失真可以以不同的方式来实现，其中在不同的区域内的图像点被成像得更大或者更小，这导致光通量相对应地更高或者更低。
替选地或附加地，通过多个调制和/或光分布的叠加，可以以其它方式来形成输出光发射。这可以通过两个或者更多个按照本发明的设备的输出光发射的叠加来实现。按照本发明的设备还可具有两个或更多个投影光学器件26a、26b，如上文参考图3所阐述的那样。此外，在其中设置有多个LCoS元件14、15、24、25、34的系统中，可以产生偏振状态的多个不一样地被建模的分布，例如在上文参考图2所阐述的情况下，其中通过两个LCoS元件14、15来使光的被透射的和被反射的部分彼此独立地被调制。
附图标记列表
1 车辆
2 控制单元
3、4 头灯
5、6 设备
11 光源
12 照明光学器件
13 偏振分光元件
14、15 液晶元件；LCoS
16 投影光学器件
21 光源
22 照明光学器件
23a、23b 偏振分光元件
24、25 液晶元件：LCoS
26a、26b 投影光学器件
31 光源
32 照明光学器件
33 偏振分光元件
34 液晶元件；LCoS
36 投影光学器件
37 平面镜
40 被模拟的亮度分布（图像）
41 网格
42 失真的网格（图像）

Claims (13)

1.一种用于产生输出光发射的设备（5、6），所述设备具有：
用于发光的光源（11、21、31）；和
第一偏振分光元件（13、23a、33），所述第一偏振分光元件布置为使得所发射的光的至少一部分射到所述第一偏振分光元件上，其中能产生第一偏振状态的被反射的第一光束和第二偏振状态的被透射的第二光束；
第一投影光学器件（26a）和第二投影光学器件（26b）；以及
第一液晶元件（14、15、24、25、34），所述第一液晶元件具有至少两个状态，所述至少两个状态能借助于控制单元（2）来被操控；其中
所述第一液晶元件（14、15、24、25、34）被设立为至少部分地反射所述第一光束，其中所述第一光束的偏振状态能根据所述第一液晶元件（14、15、24、25、34）的状态来被改变；其中
所述第一偏振分光元件（13、23a、33）还布置为使得所述第一光束在所述第一液晶元件（14、15、24、25、34）上反射之后射到所述第一偏振分光元件上；
其中为了产生所述输出光发射，所述被反射的第一光束能借助于所述第一投影光学器件至少部分地被耦合输出，而所述被透射的第二光束能借助于所述第二投影光学器件至少部分地被耦合输出；而且
其中所述被反射的第一光束只借助于所述第一投影光学器件来被耦合输出，并且所述被透射的第二光束只借助于所述第二投影光学器件来被耦合输出。
2.根据权利要求1所述的设备（5、6），
其特征在于，
所述液晶元件（14、15、24、25、34）构造为LCoS。
3.根据权利要求1或2所述的设备（5、6），
其特征在于，
所述设备（5、6）还包括至少一个冷却元件，通过所述冷却元件能使第一和/或第二液晶元件（14、15、24、25、34）冷却。
4.根据权利要求1或2所述的设备（5、6），
其特征在于，
所述第一液晶元件（14、15、24、25、34）还被设立为至少部分地反射所述第二光束。
5.根据权利要求1或2所述的设备（5、6），
其特征在于，
所述设备（5、6）还包括第二液晶元件（14、15、24、25、34），其中所述第二液晶元件（14、15、24、25、34）被设立为至少部分地反射所述第二光束，其中所述第二光束的偏振状态能根据所述第二液晶元件（14、15、24、25、34）的状态来被改变。
6.根据权利要求1或2所述的设备（5、6），
其特征在于，
所述设备（5、6）还包括第二偏振分光元件（23b），所述被透射的第二光束射到所述第二偏振分光元件上，而且
为了产生所述输出光发射，所述被透射的第二光束能通过所述第二偏振分光元件至少部分地被耦合输出。
7.根据权利要求6所述的设备（5、6），
其特征在于，
所述输出光发射包括第一分量和第二分量，
其中所述第一分量能通过所述第一偏振分光元件（23a）来被耦合输出而所述第二分量能通过所述第二偏振分光元件（23b）来被耦合输出，其中
所述第一分量和所述第二分量能在彼此间隔开的位置被耦合输出。
8.根据权利要求1或2所述的设备（5、6），
其特征在于，
第一和/或第二液晶元件（14、15、24、25、34）构造为图像点的第一和/或第二矩阵。
9.根据权利要求1或2所述的设备（5、6），
其特征在于，
第一投影光学器件（16、26a、36）和/或第二投影光学器件（26b）被设立为：依据被耦合输入的光束来产生所述输出光发射，使得所述输出光发射包括具有至少一个内部区域和至少一个外部区域的图像，其中
所述图像被构造为使得所述内部区域具有比所述外部区域更高的光强度。
10.根据权利要求1或2所述的设备（5、6），
其特征在于，
所述输出光发射包括至少两个图像的叠加，其中所述至少两个图像通过至少两个投影光学器件（16、26a、26b、36）来形成。
11.一种头灯（3、4），其具有根据权利要求1至10之一所述的设备（5、6）。
12.根据权利要求11所述的头灯（3、4），
其特征在于，
所述头灯（3、4）还包括至少一个投影光学器件（16、26a、26b、36），所述投影光学器件具有如下成像特性，通过所述成像特性，第一和/或第二光束能被耦合输出，用来产生所述输出光发射，所述投影光学器件（16、26a、26b、36）的成像特性能借助于控制单元（2）来被调整。
13.一种用于产生输出光发射的方法，其中
通过光源（11、21、31）来发光；
所发射的光的至少一部分射到第一偏振分光元件（13、23a、33）上，其中产生第一偏振状态的被反射的第一光束和第二偏振状态的被透射的第二光束；
所述第一光束至少部分地被第一液晶元件（14、15、24、25、34）反射，其中所述第一液晶元件（14、15、24、25、34）具有至少两个状态，所述至少两个状态借助于控制单元（2）来被操控，而且其中所述第一光束的偏振状态根据所述第一液晶元件（14、15、24、25、34）的状态来被改变；
所述第一光束在所述第一液晶元件（14、15、24、25、34）上反射之后射到所述第一偏振分光元件（13、23a、33）上；
为了产生所述输出光发射，所述被反射的第一光束能借助于第一投影光学器件至少部分地被耦合输出，而所述被透射的第二光束能借助于第二投影光学器件至少部分地被耦合输出，
其中所述被反射的第一光束只借助于所述第一投影光学器件来被耦合输出，并且所述被透射的第二光束只借助于所述第二投影光学器件来被耦合输出。
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