CN110899963B - 用于准直光学机构与多模式激光源的位置优化的连接的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于准直光学机构（2）与多模式激光源（3）的位置优化的连接的方法，包括如下步骤：a）激活所述激光源（3）以放射激光，b）将所述准直光学机构（2）朝着能够预设的第一位置（P1）引向到所述激光源（3）处，其中，所述第一位置（P1）如下地选择，使得从所述激光源（3）出射的激光入射到所述准直光学机构（2）中，c）朝着经优化的最终位置改进所述准直光学机构（2）的第一位置（P1），d）建立位置稳定的连接以关于所述激光源（3）将所述准直光学机构（2）固定在所述经优化的最终位置中。

Description

用于准直光学机构与多模式激光源的位置优化的连接的方法
技术领域
本发明涉及一种用于准直光学机构与多模式激光源的位置优化的连接的方法。就此而言，作为多模式激光源例如提到公司欧司朗（OSRAM）的带有型号名称（Modellbezeichnung）PL 450B或PL TB450B的激光二极管。
此外，本发明涉及一种具有至少一个多模式激光源和各一（je einer）配属于所述至少一个多模式激光源的准直光学机构的光模块，其中，准直光学机构关于激光源根据本发明位置稳定地固定在经优化的最终位置中。
此外，本发明涉及一种具有至少一个根据本发明的光模块的车辆大灯、尤其机动车大灯。
背景技术
从现有技术中已知了用于将光源位置稳定地连接在载体处的各种方法。例如，从WO 2016/197166 Al中已知了一种用于给电路载体装备有光源、尤其LED光源的方法。
对于激光源的应用，所述激光源通常（regelmäßig）设有准直器光学机构，所述准直器光学机构将由激光源放射的光进行准直，所述光随后例如被转向到转换器材料、例如磷上，以便将激光转变到对于人眼可见的波长范围中。
准直器光学机构关于激光源的定位对于尽可能准确地实现期望的光分布是重要的。位置不准确性导致与期望的光分布的偏差。
发明内容
因此，本发明的任务在于，完成一种用于准直光学机构与多模式激光源的位置优化的连接的方法，所述方法克服之前提及的缺点。
所述任务以开头提及的类型的方法来解决，所述方法根据本发明包括如下步骤：
a） 激活激光源以放射激光，
b） 将所述准直光学机构朝着能够预设的第一位置引向到激光源处，其中，第一位置如下地选择，使得从激光源出射的激光入射到准直光学机构中，
c） 在实施子步骤c1）至c3）的情况下，朝着经优化的最终位置改进准直光学机构的第一位置，其中，在这些子步骤c1）至c3）中相应地
配属于准直光学机构的当前的实际位置的通过准直光学机构放射的实际激光分布被探测并且与能够预设的理论激光分布进行比较，其中，理论激光分布配属于准直光学机构的理论位置，其中，准直光学机构的实际位置反复地（iterativ）接近理论位置，方式为，实际位置取决于实际激光分布与理论激光分布的比较的结果地来改变，其中，子步骤c1）至c3）如下地实施：
c1） 将配属于第一位置的实际激光分布与理论激光分布进行比较并且取决于结果地改变第一位置直到得到同理论激光分布的能够预设的第一协调标准，其中，由此获得准直光学机构的经粗略调整的经改进的第二位置，
其中，准直光学机构的位置的改变仅仅在如下平面之内进行，所述平面通过法向于彼此定向的轴线x和y撑开（aufgespannt），其中，该平面法向于激光源的光学的轴线定向，
c2） 将配属于经粗略调整的经改进的第二位置的实际激光分布与理论激光分布进行比较并且仅仅在法向于轴线x和y定向的第三轴线z的方向上取决于结果地改变第二位置，直到得到同理论激光分布的能够预设的第二协调标准，其中，由此获得准直光学机构的经粗略调整的经改进的第三位置，
c3） 将配属于经粗略调整的经改进的第三位置的实际激光分布与理论激光分布进行比较并且在x、y和z方向的方向上取决于结果地改变第三位置直到得到同理论激光分布的能够预设的第三协调标准，其中，由此获得经优化的最终位置，
d） 建立位置稳定的连接以关于激光源将准直光学机构固定在经优化的最终位置中。
在步骤c1）和c2）中的前面的预先定位引起如下实际光分布，所述实际光分布已经接近理论光分布并且已经在一定程度上具有配属于理论光分布的表示特性的（charakteristische）特征。基于此，能够在步骤c3）中有效率地实行精细调整。此外，在步骤c3）中能够适宜的是，在位置沿x、y或z方向改变时的步幅（Schrittweite）相对于前面的步骤c1）和c2）的步幅减小。
在改进第一位置时，例如大约1°的角度偏差是可能的，并且在Z方向上的位置在该时间点上还没有被优化。在x和y方向上的位置的分析在这种被散焦的位置中是较简单的。光源能够具有参考点，根据所述参考点能够确定定向（典型地机械的止挡部，从而在抓握器（Greifer，有时称为夹具）或冷却体中能够精确地定位到所述止挡部中）。
尤其能够设置成，根据子步骤c1）的第一协调标准涉及关于准直光学机构的光学的轴线的x和y分布的最大值的位置的协调。这呈现出用于透镜关于激光轴线的取向的调整步骤。由此，调整时间能够被最小化，因为生成能够被简单地探测的大的激光点。
在此优选地，激光源如下地定向，使得源的轴线与传感器的轴线重合。
此外能够设置成，根据子步骤c2）的第二协调标准涉及在激光源的快轴的方向上的表示特性的激光分布的构造。这呈现出用于测定透镜（取决于公差、二极管、透镜）的焦点的第二调整步骤。根据子步骤c3）的第三协调标准能够一方面简单地处于根据第一和/或第二标准的界限（Schwelle）的提高中，另一方面这些标准能够同样进行组合或能够完成新的标准。尤其能够设置成，在子步骤c3）中，在x、y和/或z分布中的位置以相比于子步骤c1）和c2）减少的步幅来进一步优化。在随后的附图说明中更详细地探讨示例性的标准。
此外，尤其能够设置成，在子步骤c3）中，准直光学机构的定向通过围绕x轴线转动准直光学机构来改变。此外能够设置成，在子步骤c3）中，此外，准直光学机构的定向通过围绕y轴线转动准直光学机构来改变。以这种方式使得准直光学机构的定向能够得到优化。
此外能够设置成，激光源形状配合地容纳在金属的冷却体中。以这种方式，激光源的冷却能够得到改进。同时由此保证激光源的位置得到固定并且另外的构件如例如准直光学机构关于激光源的定位通过与冷却体的连接和/或参考（Referenzieren）来进行。“形状配合地容纳”这种表达被理解为如下布置，在所述布置中，相应的元件侧向被包围，从而该相应的元件被保持稳定。光学相关的面、如例如激光源的光出射面和/或准直器光学机构的入射和出射面在此没有被遮盖。
有利地能够设置成，准直光学机构形状配合地容纳和固定在金属的载体中。在此，能够尤其设置成，根据步骤d）的位置稳定的连接通过在金属的冷却体与金属的载体之间建立至少一个激光焊接连接来构造。激光焊接的使用就此而言由于高的位置准确性以及短的加工持续时间是有利的。准直光学机构能够在激光焊接过程的持续时间期间通过机器人臂固定保持在所述准直光学机构的位置中，所述激光焊接过程例如为在4与10秒之间。由于硬化过程所引起的连接的可能的扭曲（Verziehen）被避免。
对此备选地或补充性地能够设置成，在步骤d）中的位置稳定的连接通过粘接建立。在此能够尤其设置成，粘接剂是UV硬化的粘接剂，所述UV硬化的粘接剂在步骤d）中为了建立位置稳定的连接而以UV光来照射。通过使用UV硬化的粘接物能够建立迅速硬化的连接，其中，例如通过与较慢硬化的结构粘接物的组合（所述结构粘接物在硬化了的状态中具有较高的负载能力），快硬化的和能够持久负载的连接能够被建立。
为了克服准直光学机构的通过硬化过程引起的不均匀的偏离（Versatz），能够设置成，为了建立根据步骤d）的位置稳定的连接而使用的连接手段（Verbindungsmittel）（也就是说，例如所提及的类型的焊接和/或粘接连接）围绕激光源的光学的轴线对称地布置。
此外，本发明涉及一种具有至少一个多模式激光源和各一配属于至少一个多模式激光源的准直光学机构的光模块，其中，在应用根据本发明的方法的情况下，准直光学机构关于激光源位置稳定地固定在经优化的最终位置中。此外，光模块能够具有光转换器用于将激光转换为可见光。光模块还能够具有微镜用于将光转向和/或具有成形光的元件用于产生期望的光分布、例如近光分布或远光分布。
此外，本发明涉及一种具有至少一个根据本发明的光模块的车辆大灯、尤其机动车大灯。
就此而言提到的是，本发明同样涉及光模块的构建的程序，所述光模块由激光源、静态的和动态的光学的元件构成。
1） 准直器透镜在激光二极管前的定位（特征）
a. 透镜、二极管到功能上的支架中的嵌入
b. 透镜保持件相对于激光二极管以6个自由度的取向
c. 激光射束借助于射束分析器的测量
d. 测量大小 激光点的强度分布、强度截面（Intensitätsschnitten）的曲线形状
e. 透镜（粘接剂、激光焊接）到二极管的接合
f. 多个激光元件相对于彼此的定位，以产生特殊的光图像
g. 动态的光学的元件的定位，MEMS到光图像
h. MEMS元件的接合。
本发明通过透镜的μm准确的定位允许激光二极管的光学的功率的最优的使用以及通过根据测量大小的定位允许结构部件公差的影响的减少。
为此，能够将混合六足（100nm分辨率、机器人系统）应用于以六个自由度来操纵元件，其中，能够取决于测量结果地设置有测量和再定位的递归的流程。
激光点的测量能够借助于射束分析器进行。点的图示和强度测量通过沿垂直的轴线的截面来进行。透镜的理论位置的确定能够通过分析强度曲线来进行。
定位过程的划分能够成不同的部分，即
• 预先定位X、Y、Z、C
• 精细定位X、Y、Z、A、B
（A、B、C为以笛卡尔坐标的旋转的运动，X、Y、Z为平移的运动）来进行。
在此，测量通过准直透镜落下的激光射束。透镜例如离开理论位置以大约0.2mm地处于X、Y中并且离开理论位置以大约1mm地处于Z中。原因是为了预先定位在传感器的测量区域中产生大的点。激光点的轴线（慢和快轴）与传感器轴线平行地取向。
左边的图像通过在X和Y中的相交曲线（Schnittkurven）示出激光点的偏离。高斯分布的最大值的确定提供点在传感器上的位置并且因此提供必要的运动以到达到理论位置（例如：传感器的中间）中。右边的图像示出在X和Y中的在预先定位之后的点。此后，在保持不变的（bleibender）X、Y位置的情况下，透镜的理论位置在Z中移动（angefahren）到大约200μm上（auf）（从X、Y测量的之前的预先位置出发的固定地界定的行驶路径）。
示例 精细定位：从在预先定位中找到的最后的位置出发，在50μm步距（Schritten）中进行到精确的Z位置处的触及，直到用于想要的表示特性的点形状的标记被找到。相比于模拟的值的点形状的标记：在激光点的左边的和/或右边的边缘处的陡的边、高的顶端，以及在点的中心中的平稳水平（Plateau）。
如果模式特征被找到了，那么能够进行精细定位的另外的步骤。
X轴线面向顶端边的对称性和陡度进行优化，其中，对称性说明关于行驶方向以及要行驶的距离的结论。并行于此地，从Y轴线测定关于Z位置（激光点的宽度）和Y位置（边缘顶端的高度）的信息。在到达理论位置之后的结果在接下来的测量中可见。取决于需要的准确性，在旋转轴线中的定位步骤能够被忽略。对于对激光点的高的要求，另外的元素、如A和B轴线的、围绕X和Y的旋转的匹配还能够一起被容纳到精细调整中。
顶端的位置和幅度给出关于可能适宜的角度校正的方向和大小的信息。
附图说明
在下面根据示例性的且非限制性的实施方式更详细地阐释本发明，所述实施方式在图中进行说明。在其中
图1示出光模块的示意性的图示，其中，在其中示出的准直光学机构被引向到激光源处，其中，所述准直光学机构处于原始位置中，
图2示出根据图1的光模块，其中，准直光学机构处于第二位置中，
图3示出根据图1和2的光模块，其中，准直光学机构处于第三位置中，
图4示出根据图1至3的光模块，其中，准直光学机构处于最终位置中，
图5示出根据图1至4的光模块，其中，准直光学机构与激光源固定地连接，
图6a和6b示出通过准直光学机构放射的光的示例性的光分布，
图7a至7e示出通过准直光学机构放射的光的另外的示例性的光分布。
具体实施方式
只要没有其它说明的话，在下面的图中，相同的附图标记表示相同的特征。
图1示出光模块1的示意性的图示，所述光模块包括准直光学机构2和激光源3。例如能够构造为透镜的准直光学机构2处于原始位置中，所述原始位置在下面被称为第一位置P1。在此，准直光学机构2形状配合地保持在透镜保持件4中。激光源3形状配合地容纳在冷却体5中。
定位装置、尤其机器人的抓握臂6抓握在透镜保持件4处并且使该透镜保持件固定保持在其位置中。定位装置能够例如涉及混合六足机器人，所述混合六足机器人例如具有100nm的分辨率。
在此，第一位置P1如下地选择，使得能够从激光源3放射的光行进穿过准直光学机构并且碰上到竖直地（senkrecht）在激光源之上布置的传感器7上，所述传感器设立成用于探测激光。
在下面，根据图1至5来讨论从根据图1的位置P1出发的并且用于改进的位置的固定的根据本发明的优化方法的实施例，其中，为了较好的概览，在图2至5中的附图标记很大程度上被删去了：
该方法包括如下步骤：
a） 激活激光源3以放射激光，
b） 将准直光学机构2朝着能够预设的第一位置P1引向到激光源3处，其中，第一位置P1如下地选择，使得从激光源3出射的激光3入射到准直光学机构2中，
c） 在实施子步骤c1）至c3）的情况下，朝着经优化的最终位置P4（见图4和5）改进准直光学机构2的第一位置P1，其中，在这些子步骤c1）至c3）中相应地
配属于准直光学机构2的当前的实际位置的通过准直光学机构2放射的实际激光分布（例如见图6a）被探测并且与能够预设的理论激光分布（见图6b）比较，其中，理论激光分布配属于准直光学机构2的理论位置，其中，准直光学机构2的实际位置反复地接近理论位置，方式为，实际位置取决于实际激光分布与理论激光分布的比较的结果地来改变，其中，子步骤c1）至c3）如下地实施：
c1） 将配属于第一位置P1的实际激光分布与理论激光分布进行比较并且取决于结果地改变第一位置P1直到得到同理论激光分布的能够预设的第一协调标准（例如在x和y方向上的激光分布的最大值的位置的粗略的协调，其中，激光源3的光学的轴线与法向平面的交点能够考虑作为原点，其中，所述法向平面通过轴线x和y撑开），其中，由此获得准直光学机构2的经粗略调整的经改进的第二位置P2（见图2），
其中，准直光学机构2的位置的改变仅仅在如下平面之内进行，所述平面通过法向于彼此定向的轴线x和y撑开，其中，该平面法向于激光源3的光学的轴线定向，
c2） 将配属于经粗略调整的经改进的第二位置P2的实际激光分布与理论激光分布进行比较并且仅仅在法向于轴线x和y定向的第三轴线z的方向上取决于结果地改变第二位置P2，直到得到同理论激光分布的能够预设的第二协调标准，其中，由此获得准直光学机构2的经粗略调整的经改进的第三位置P3（见图3），
c3） 将配属于经粗略调整的经改进的第三位置P3的实际激光分布与理论激光分布进行比较并且在x、y和z方向的方向上取决于结果地改变第三位置P3，直到得到同理论激光分布的能够预设的第三协调标准，其中，由此获得经优化的最终位置4（见图4），
d） 建立位置稳定的连接以关于激光源3将准直光学机构2固定在经优化的最终位置P4（见图5）中，其中，在当前的实施例中，所述连接借助于粘接连接建立，所述粘接连接在根据图5的最终位置中硬化（例如通过UV辐射）。为此使用的粘接材料优选地已经在定位开始时（见位置P1）被施加（angebracht），从而足够的量的粘接材料能够被施覆并且能够保证在最终状态中持久的连接。所述粘接连接在图1至5中纯示意性地示出并且在实践中与所示出的比例不同。
激光分布的探测能够例如通过测量激光的强度进行。
图7a和7b示出通过准直光学机构放射的光的另外的示例性的光分布。
在下面描述用于确定激光的实际分布与理论分布的协调的示例性的标准。
对于步骤C1）
实际激光分布呈现出穿过所测量的激光点的截面。调整的品质通过两个最大值相对于彼此的偏差给出并且是用于机器人的调整路径的成比例的度量。
理论激光分布通过对于慢（X）和快（y）轴的曲线的最大值的尽可能好的叠加来实现（见图6a）。对于第一（erste）调整，所述两个最大值应该得以处于慢轴（x曲线）的半值宽度的大约10%的大小的间隔之内（见图6b）。
对于步骤C2）
透镜的法向于x-y轴线的调整取决于激光二极管的种类地引起表示特性的激光点分布（见图7a）。在到达期望的最终位置时，激光点的特性出现（见图7b）。对于多模式二极管，示例性地实施由两个侧最大值包围的、具有局部的最小值和最大值的强度平稳水平。
对于步骤C3）
曲线的宽度呈现出用于z调整的度量。以+或–的偏差引起曲线作为整体的加宽或变细。透镜以y（快轴）和角度b的位置通过两个侧最大值和内部的局部的最大值和最小值的高度来描述。侧向的最大值的差给出用于y轴线的调整路径的直接的度量，高度差应该为<5%。根据激光的期望的品质和可行的调整时间能够选择高度差。角度a对高度差有较小的影响，但尽管如此仍然对内部的局部的极端部位有影响。最好的调整位置说明最大值相对于彼此和最小值相对于彼此的最小的高度差（见图7c）。
在x（慢轴）和a中的调整通过比较第二强度曲线进行。通过拟合的（gefitteten）高斯曲线（圈）与实际激光点（X点）的比较来确定最优的位置。所述两个曲线（叉）的相减得出用于偏差和偏差的定向的度量。在以+x的偏离中产生在激光点的下降的强度沿处的最大值，在以–x的偏离中产生最小值。在点的上升沿上，最大值和最小值相反地表现。最大值或最小值的高度给出用于调整路径的度量。差-最大值\最小值的高度应该低于\超过主最大值的小于5%。根据激光的期望的品质和可行的调整时间能够选择极值高度（见图7d和7e）。
考虑到本教导，本领域技术人员能够在没有有创造力的帮助的情况下得到本发明的其它的、未示出的实施方式。因此，本发明不受限于示出的实施方式。本发明或实施方式的各个方面还能够得以考虑并且与彼此组合。

Claims (13)

1.用于准直光学机构（2）与多模式激光源（3）的位置优化的连接的方法，包括如下步骤：
a） 激活所述激光源（3）以放射激光，
b） 将所述准直光学机构（2）朝着能够预设的第一位置（P1）引向到所述激光源（3）处，其中，所述第一位置（P1）如下地选择，使得从所述激光源（3）出射的激光入射到所述准直光学机构（2）中，
c） 在实施子步骤c1）至c3）的情况下朝着经优化的最终位置改进所述准直光学机构（2）的第一位置（P1），其中，在所述子步骤c1）至c3）中相应地
配属于所述准直光学机构（2）的当前的实际位置的通过所述准直光学机构（2）放射的实际激光分布被探测并且与能够预设的理论激光分布比较，其中，所述理论激光分布配属于所述准直光学机构（2）的理论位置，其中，所述准直光学机构（2）的实际位置反复地接近所述理论位置，方式为，所述实际位置取决于所述实际激光分布与所述理论激光分布的比较的结果地来改变，其中，所述子步骤c1）至c3）如下地实施：
c1） 将配属于所述第一位置（P1）的实际激光分布与所述理论激光分布进行比较并且取决于结果地改变所述第一位置（P1）直到得到同所述理论激光分布的能够预设的第一协调标准，其中，由此获得所述准直光学机构（2）的经粗略调整的经改进的第二位置（P2），
其中，所述准直光学机构（2）的位置的改变仅仅在如下平面之内进行，所述平面通过法向于彼此定向的轴线x和y撑开，其中，该平面法向于所述激光源（3）的光学的轴线定向，
c2） 将配属于所述经粗略调整的经改进的第二位置（P2）的实际激光分布与所述理论激光分布进行比较并且仅仅在法向于所述轴线x和y定向的第三轴线z的方向上取决于结果地改变所述第二位置（P2），直到得到同所述理论激光分布的能够预设的第二协调标准，其中，由此获得所述准直光学机构（2）的经粗略调整的经改进的第三位置（P3），
c3） 将配属于所述经粗略调整的经改进的第三位置（P3）的实际激光分布与所述理论激光分布进行比较并且在x、y和z方向的方向上取决于结果地改变所述第三位置（P3）直到得到同所述理论激光分布的能够预设的第三协调标准，其中，由此获得经优化的最终位置（P4），
d） 建立位置稳定的连接以关于所述激光源（3）将所述准直光学机构（2）固定在所述经优化的最终位置中，其中，
此外在子步骤c3）中，所述准直光学机构（2）的定向通过围绕所述x轴线转动所述准直光学机构（2）来改变，并且
此外在子步骤c3）中，所述准直光学机构（2）的定向通过围绕y轴线转动所述准直光学机构（2）来改变。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，根据子步骤c1）的第一协调标准涉及关于所述准直光学机构（2）的光学的轴线的x和y分布的最大值的位置的协调。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，根据子步骤c2）的第二协调标准涉及在所述激光源（3）的快轴的方向上的表示特性的激光分布的构造。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，根据子步骤c3）的第三协调标准在于，在x、y和/或z分布中的位置以相比于所述子步骤c1）和c2）减小的步幅进一步优化，其中，考虑根据步骤c1）和/或c2）的协调标准。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述激光源（3）形状配合地容纳在金属的冷却体（5）中。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述准直光学机构（2）形状配合地容纳和固定在金属的载体（4）中。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，根据步骤d）的位置稳定的连接通过在所述金属的冷却体（5）与所述金属的载体（4）之间建立至少一个激光焊接连接来构造。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在步骤d）中的位置稳定的连接通过粘接建立。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述粘接通过粘接剂来执行，其中，所述粘接剂是UV硬化的粘接剂，所述UV硬化的粘接剂在步骤d）中为了建立所述位置稳定的连接而以UV光来照射。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其中，为了建立根据步骤d）的位置稳定的连接而使用的连接手段围绕所述激光源（3）的光学的轴线对称地布置。
11.光模块（1），具有至少一个多模式激光源（3）和各一配属于所述至少一个多模式激光源（3）的准直光学机构（2），其中，按照根据权利要求1至10中任一项所述的方法，所述准直光学机构（2）关于所述激光源（3）位置稳定地固定在经优化的最终位置中。
12.车辆大灯，所述车辆大灯具有至少一个根据权利要求11所述的光模块（1）。
13.根据权利要求12所述的车辆大灯，其中，所述车辆大灯是机动车大灯。
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