CN112400141A - 用于车辆的照明装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于车辆的照明装置的全息图(40)并且涉及对应的照明装置。全息图(40)具有多个全息结构(42、43)，多个全息结构各自为相关联的波长而设计，并且全息结构具有相同的衍射性质。

Description

用于车辆的照明装置

本发明涉及用于车辆的照明装置，特别是可以用作信号灯的照明装置，诸如指示器灯(闪烁的指示器)或制动灯或用作后灯(尾灯)。

照明装置用于车辆中首先为了照明车辆的环境以使即使在黑暗中也能够让车辆的驾驶员可见，并且其次以便使其他人或车辆意识到装备有照明装置的车辆。这样的照明装置的示例是前头灯、后灯、制动灯或指示器灯。

除了它们的技术功能以外，这样的照明装置也越来越多地用于为例如特定品牌的车辆提供区别性外观。在这种情况下，原理上这样的照明装置的外形最初已经用作设计特征。这样的照明装置的发光信号也越来越多地以特征方式来配置，即，光的“外观”用作设计特征。作为示例，在车辆尾灯中使用了特征性的发光信号。

申请人名下的德国专利申请DE 10 2016 117 969 A1描述了一种设备，其中全息图(特别是体全息图)可以用于产生发光信号。该申请描述了反射全息图和透射全息图两者的使用。在透射全息图中，从全息图的一个半空间(即，从全息的一侧)照明全息图，而从另一个半空间(从全息图的另一侧)观察该全息图。相比之下，在反射全息图中，照明是从与观察相同侧发生。如果存在极少可用的结构空间，特别是如果全息图必须布置在车辆的外部附近，则这可能难以实现。另一方面，反射全息图的优点在于，它们与透射全息图相比一般具有更多的波长选择性，即，取决于厚度，仅将窄波长范围的光成像为发光信号，如稍后将解释的。

在这方面，申请人名下的德国专利申请10 2017 124 296.1描述了一种包括光导主体的布置，该布置即使在反射全息图的情况下也能够实现紧凑布置。

在这样的照明装置中，将与期望的发光信号对应的物体“写入”到全息图中。在用所谓的照明光束进行照明时，所述物体则呈现为真实或虚拟的全息物体，其可以说表示全息图的真实或虚拟图像。该过程在图1中示意性图示。

图1示出了用照明光束10照明的全息层11。基本上将布拉格平面13写入到全息图中，在图1中出于阐明的目的图示所述布拉格平面13中的四个。所述布拉格平面具有距离D。布拉格平面13使照明光束10衍射以形成物体光束15。为此，照明光束10的小部分在每个布拉格平面13处反射，然后由此多个反射波的相长干涉产生物体光束15的方向。为此，布拉格平面13必须具有与要衍射的波长相适配的距离D，并且对于反射全息图，该距离D是材料中的半波长的最小值，这对于例如633nm的波长(例如在红色范围中，例如用于尾灯)和折射率n＝1.5而言产生等于211nm的布拉格平面距离D。在这种情况下，例如，633nm对应于可用于记录全息图的氦氖激光器波长。在图1中的示例中，所述物体光束15平行于全息层11的界面14的法线12。取决于照明装置的实现方式，界面14可以例如是连着光导主体的界面，如在引用的德国专利申请10 2017 124 269.1中所描述的，或者是连着空气的界面。

应注意，布拉格平面13的单个组的图示应理解为仅是示意性的，并且局部地应用于生成的全息物体的一个像点。对于全息物体的任何其他像点，布拉格平面的倾斜度不同。在扩展的全息物体，即如本申请的主题不仅由单个像点组成的物体的情况下，因此叠加不同倾斜度的布拉格平面的多个组，以便产生全息物体的多个像点。

作为数值示例，假设全息层11的折射率为1.5，并且照明光束10以70度的角(相对于表面法线12测量，如通常在光学件中)照射在全息层11上。忽略界面14处的折射效应，如果周围环境的材料的折射率实质上对应于全息层11的折射率，则该折射效应是可适用的。还可以通过几何考虑以简单方法来考虑引起角度改变的其他折射效应。

如已经解释的，这样的全息层是波长选择性的，即布拉格平面距离D适配于衍射特定波长的光。然而，相邻波长的光仍以某一程度衍射。在此波长选择性的“锐利”程度也取决于全息层11的厚度和布拉格平面13的相关联数目。现在，这将参考图2A至2C来说明。

图2A至2C在各个情况下示出了以百分比表示的衍射效率η与以纳米为单位的照明光束10的波长λ的关系。在此，图2A示出了全息厚度为2.5μm的示例，图2B示出了全息厚度为25μm的示例，图2C示出了全息厚度为250μm的示例。在此为所有厚度配置全息图，使得在633nm处的峰值效率为0.1％，即，入射照明光束10的0.1％在所考虑的全息图的区域中被衍射以形成物体光束15。例如，在德国专利申请10 2017 124 296.1中的布置的情况下，照明光束10的其余部分在光导主体中被反射且被引导至全息层11的其他位置，使得全息层11总体上被照明且在较大的区域之上发射物体光束15。实现0.1％的相同峰值效率需要取决于全息厚度的折射率的不同调制Δn，即，折射率的改变，以便形成布拉格平面13。在该方面，对于2.5μm的全息厚度(图2A)Δn＝1.49·10^-3，对于25μm的全息厚度Δn＝1.49·10^-4，并且对于250μm的全息厚度Δn＝1.49·10^-5。因此，取得特定峰值效率所需的Δn随着全息厚度的减小而增大。Δn“保留”(即在全息图中总体上可实现的折射率变化)在此是有限的，并且必须可以“分布”在要生成的全息像的所有虚像点之中。

如图2A至2C看出，对于较薄的全息图，出现衍射效率的较宽分布，该分布随着全息图厚度的增加而变窄。换言之，在较薄全息图的情况下，与633nm的波长相邻的波长也在较宽的范围中衍射。在该方面，在图2A的情况下在597nm和695.7nm处，在图2B的情况下在629.5nm和636.5nm处以及在图2C的情况下在632.64nm和633.36nm处，衍射效率下降至0.05％(0.1％的最大值的50％)。

特别是在汽车行业，优选地将发光二极管用作生成照明光束10的光源。这样的发光二极管具有某一光谱宽度。典型的发光二极管的这样的光谱分布的一个示例由图2A至2C中的曲线20指示。

这具有以下的效果，在具有高波长选择性的图2C的情况下，仅衍射发光二极管的强度的很小部分，这导致图像的光强度相对较小。在用于车辆的照明装置的情况下，这可能是不期望的或需要对应的强烈照明，其中光的大部分然后保持未使用。

在图2A的情况下，相比之下，由于衍射效率η(λ)的分布较宽，因此使用可用光谱的较大部分。然而，尽管光谱的较大部分被衍射，但是衍射角是波长相关的。换言之，在图2A至2C的示例中，仅波长λ＝633nm恰好在期望方向上(例如图1中平行于表面法线12)被衍射，而相邻的波长以轻微偏离的角度衍射。现在这将更具体详细地解释。

使入射在全息图上的光偏转的相互作用机制是衍射。光相互作用后产生的衍射角可以通过光栅等式计算：

n′·sin(α′)＝n·sin(αin)+m·λ/p

在这种情况下，n是入射束的折射率，n′是出射/衍射束的折射率，αin是入射角，α′是出射角或衍射角，λ是波长，m是级数(在体积光栅的情况下一般为-1或+1)，并且p为光栅周期。

对于物体光束15，在图1中的示例中，发生从照明光束10的70°的入射角到0°的出射角或衍射角(反射中)的偏转。通过上述关于折射率和波长的假设，因此光栅周期的计算为：

为了进一步计算，假设发光二极管(LED)的中心波长为633nm，该发光二极管的发射光谱根据曲线20配置，使得其对于623nm和643nm的发射的功率降低至50％。因此，降低准则对应于上述用于全息效率的准则。

为了评估辐射的可见性，为简化起见假设，如果朝向车辆的外部发射的功率低于最大发射的功率的50％，则从其明显地发射物体光束15的生成的虚拟物体的虚拟发光斑不再可见。这是人为选择的并且非常乐观的假设，因为人眼作为对数检测器，甚至对少量的残留光仍然会敏感地作出反应。同样地，出于简化的原因，还忽略人眼的光谱敏感度曲线。

对于2.5、25和250μm的上述选择的三个全息图厚度，则可以估计反射到观察者的光谱波长带：

-2.5μm全息图厚度(图2A)：全息图的sinc²形效率曲线显著地比LED的发射曲线更宽，使得50％的限制波长实质上由LED主导。因此，可以假定LED的50％限制波长为623nm和643nm作为良好的估计。

-25μm全息图厚度(图2B)：全息图的sinc²形曲线在此是主导的，使得LED的光谱宽度几乎没有作用。因此，50％的限制波长近似为629.5和636.5nm。

-同样的适用于250μm厚的全息图，其中50％的限制波长由全息函数确定，并且为632.64nm和633.36nm。

然而，如已经提及的，根据光栅等式全息图的偏转角也是波长相关的。对于50％限制波长的物体光束15的角度，根据全息图厚度获得以下值：

-2.5μm全息图厚度：对于623nm为+0.851°，对于643nm为-0.851°

-25μm全息图厚度：对于629.5nm为+0.298°，对于636.5nm为-0.298°

-250μm全息图厚度：对于632.64nm为+0.031°，对于633.36nm为-0.031°

例如，全息图将写入的图像再现为虚拟物体，使得向观察者呈现该物体好像真实存在在全息图的后面或全息图的前面。严格来说，这仅应用于全息图的记录波长，在上述示例中为633nm。

然而，上述提及的所有限制波长仍然足够接近633nm的记录波长，使得由于与记录波长偏差而引起的虚像的畸变可以被忽略，而不会大量损失准确度。通过此近似，因此计算的偏转角，以及在全息图的后面32cm的全息物体(在这种情况下为虚拟的)的虚拟像点的距离(选择作为示例)，可以计算虚拟物体的虚拟像点的光谱上发生的移位。该移位在图1的图示中向上或向下发生，在此处指示为在633nm的波长处距目标位置的距离。向上的移位为正，向下的移位为负。

对于所考虑的全息图厚度，因此出现以下作为移位：

-2.5μm全息图厚度：对于623nm为+4.8mm，对于643nm为-4.8mm

-25μm全息图厚度：对于629.5nm为+1.7mm，对于636.5nm为-1.7mm

-250μm全息图厚度：对于632.64nm为+0.2mm，对于633.36nm为-0.2mm。

对于观察者，这实际上意味着在2.5μm厚的全息图的情况下，例如图像中水平地(即，垂直于图1中的绘图的平面)延伸的非常细的线被加宽到1cm。实际上，由于人眼作为对数检测器即使仅在最大强度的1％或0.1％处也能够捕获由全息图提供的发光信号，因此该效果更为显著。因此，减少50％的考虑仅用于阐明，而不能重现生理感知过程。

因此，在薄全息图的情况下，特别地虚拟物体的精细结构被加宽，使得虚拟物体可能不会如预期那样被感知，而是或多或少地被模糊。另一方面，如上所解释，在厚全息图的情况下，如图2C所示，在诸如由发光二极管进行相对宽带照明的情况下实际使用的照明束10的光的比例非常小，这同样是不期望的。

因此，本发明的目的是提供用于车辆的照明装置的全息图以及对应的照明装置，通过它们首先确保甚至再现相对精细的结构，其次提供照明光的改进的利用。

通过如权利要求1所主张的用于车辆的照明装置的全息图来实现该目的。从属权利要求限定全息图的其他实现方式以及具有对应的全息图的用于车辆的照明装置。

本发明提供了用于车辆的照明装置的全息图，该全息图包括多个叠加的全息结构，其中多个全息结构中的每一个对于相应相关联的重构波长具有用于重构扩展的全息物体的相同的衍射方向(特别是全息物体每个像点的一个衍射方向)，其中相关联的重构波长是不同的。如已经解释的，扩展的全息物体是不仅由一个像点构成而是具有空间范围的物体。在此重构波长是为重构全息物体而照明全息图所用的光的波长。

通过对于不同的重构波长提供多个全息结构，在此整体上可以更好地利用照明光束。

多个叠加全息结构中的每一个(特别是对于全息物体的每个像点)可以局部地具有布拉格平面的相关联的组，其中与全息物体的像点相关联的不同结构的组的布拉格平面局部地彼此平行，并且具有与与相应结构相关联的波长对应的布拉格平面之间的距离。通过具有不同布拉格平面距离的平行布拉格平面，实现相应重构波长的相同衍射方向。在此重构波长是相应的组具有最大衍射效率的波长。

全息图的活性层的厚度可以大于50μm，特别是大于或等于140μm或甚至更大，例如大于200μm或大于250μm。

这样的全息图厚度与高的波长选择性相关联，这减少由全息图的照明生成的虚拟物体中的结构的加宽。

重构波长中的至少三个可以位于50nm，特别是25nm的波长区间中，就是说其实质上在诸如发光二极管的典型的光源的光谱范围中或有些在光谱范围之外，以便很好的利用光源的光谱。

多个叠加的全息结构可以包括多于三个，尤其是多于五个的全息结构。在各个情况下，通过具有不同相关联的重构波长的较大数目的结构可以实现对光源的光谱的较大利用。

此外，提供用于机动车辆的照明装置，其包括：

用于生成照明光束的光源布置，

如上所描述的全息图，以及

用于将照明光束指引到全息图上的光学布置。

相关联的重构波长可以分布在比光源布置的光谱的半峰全宽更大的光谱范围之上。因此，可以至少部分地补偿光源布置的光谱的漂移，例如热漂移。

与重构波长相关联的全息图的衍射效率的半峰全宽值可以至少对于某些波长重叠。

借助于位于相对较小范围中的多个全息结构的重构波长，可以很好地利用典型使用的光源布置(诸如发光二极管)的光谱。

下面基于参考附图的实施例更详细地解释本发明。附图中：

图1示出了根据现有技术的全息图，

图2A至2C示出了用于阐明各种厚度的全息图的衍射效率的曲线图，

图3示出了根据一个实施例的照明装置的截面图，

图4示出了根据一个实施例的全息图的示意图，以及

图5A至5C示出了用于阐明各种实施例的全息图的衍射效率的曲线图。

下面参考附图解释各种实施例。应注意，这些实施例仅用于说明，而不应解释为限制性的。此外，不同实施例的元件可以彼此组合以便形成其他实施例。对于实施例中的一个的部件所描述的变化、修改和细节也可适用于其他实施例的对应部件。

图3示出了根据实施例的照明装置的截面图。

图3的照明装置包括光源布置30，该光源布置例如可以具有一个或多个发光二极管。如果图3中的照明装置是尾灯，则所述发光二极管可以特别是红色发光二极管，即在红色光谱范围中发射。对于其他类型的照明装置，可以对应地使用在光谱的不同部分(例如，指示器灯为黄色)或宽带白光(例如，前头灯)发射的光源。此外，图3中的照明装置具有反射全息图35，该反射全息图在由来自光源布置30的光照射时产生发光信号，即，衍射或方向性地散射光，以便再现在反射全息图35中储存的虚拟物体，然后光从该虚拟物体明显地发出。所述虚拟物体特别地可以位于安装图3的照明装置的车辆外部，以便因此带来照明装置在车辆外部的印象(例如，在尾灯的情况下在车辆后面)。

在这种情况下，反射全息图35是对于多个重构波长(以下也简称为波长)具有全息结构的根据本发明的反射全息图。稍后将更详细地解释根据本发明的这样的全息图的实现方式。

在图3的实施例的情况下，光束32通过光导主体34的光束偏转区域31。光束32在束偏转区域31中偏转，使得它们照明反射全息图35。光导主体34的折射率在此优选地接近反射全息图35的折射率，以便最小化内部界面处的反射损耗。

除了使用根据本发明的全息图35以外，图3中的照明装置对应于引言中引用的德国专利申请10 2017 124 296.1中描述的照明装置，并且将不再进一步详细描述。所述照明装置用作根据本发明的全息图35的使用的一个示例。然而，根据本发明的这样的全息图还可以用于车辆的其他照明装置中，例如申请人名下的德国专利申请10 2017 124 296.1、或者德国专利申请DE 10 2016 117 969 A1中描述的照明装置，或者用于全息图由光源布置照明的车辆的其他照明装置。

如申请人名下德国专利申请10 2017 124 296.1中解释的，光束32还可以通过在面向外的外表面处多次反射被引导在光导主体34中，以便因此照明整个反射全息图35，其中入射在反射全息图上的光的部分在各个情况下被衍射或方向性地散射，以便生成扩展的虚拟全息物体(以下也简称为虚拟物体)。局部地，将考虑生成虚拟物体或者整个虚拟物体的区域38(图示为拼图件)的区域33，用于以下解释。虚拟物体具有虚拟像点37，每个像点发出虚拟束36。在这种情况下，“虚拟”是指对于观察者而言，光束显然是从重构的虚拟物体发出，但是实际上，由全息图35将光束衍射或方向性地散射朝向观察者，使得衍射或散射的束叠加以便给出虚拟物体的印象。即使在此虚拟物体作为全息物体的示例来使用，在此图示的技术也可以应用于生成实全息物体或位于全息的平面中的物体的全息图。

应注意到，储存虚拟全息物体然后被再现的这样的全息图应与用于提供诸如反射镜功能的光学功能的全息图区分。在前者的情况中，例如在空间中出现具有限定尺寸的虚拟的(特别是三维的)扩展物体，而在第二情况中，全息图重建光学元件(例如反射镜(平面反射镜、抛物面反射镜等)的效应。

图4示出了全息层40的一部分的示意性横截面图，作为来自图3的全息图35的实现方式示例，特别是考虑的区域33。与已经参考图1讨论的元件相对应的元件在此具有相同的附图标记，并且将不再进行解释。特别地，在图4中的实施例中，同样照明束10相对于法线12以例如70度的角入射在全息层40上，并且响应于该照明而生成衍射的物体光束15，所述物体光束为观察者带来虚拟物体的印象。

在这种情况下，全息层40对于虚拟物体的每个像点含有布拉格平面的至少两组作为全息结构，其中，所述组彼此平行，但是在布拉格平面之间的距离在组之间是不同的。因此，布拉格平面的每个组设计为用于不同波长，其中由于组彼此之间的平行过程，因此在各个情况下对于不同波长的衍射性质是相同的。图4中的示例中图示具有距离D1的布拉格平面的第一组42以及具有距离D2的布拉格平面的第二组43。如对于图1已经解释的，在图4中，同样可以提供在其他方向上延伸的布拉格平面的多个另外对应组，以便获得与全息层40中储存的物体对应的物体光束的对应发射特性。

换言之，对于不同的波长，将对于照明光束10的相同方向的相同物体重复地写入到全息层中。这样，多个波长以相同方式由全息层40衍射。在这种情况下，图4中所示的布拉格平面的多个组在全息图的每个点处且对于要表示的每个像点而存在，使得整个全息图具有用于重构虚拟物体的具有相同衍射性质的多个叠加结构，其中多个叠加结构中的每一个设计为用于不同的波长。

在这种情况下，全息层40优选是相对较厚的，例如比50μm或140μm更厚，以便实现对应的锐利衍射特性，如已经参考图2解释的。

在这种情况下，与不同组相关联的波长可以相对靠近，但也可以彼此远离。它们优选地位于近似地对应于所使用的光源的光谱的宽度的范围中或有些超出该范围。现在将参考图5基于各种实施例对此进行解释。

图5以与图2类似的方式示出了对于五个不同波长将物体写入到全息层中的情况的以百分比表示的衍射效率η。五个波长的数目在此应理解仅作为示例。换言之，在这样的情况下，存在对于布拉格平面的每个方向(就是说，对于相应的像点)的布拉格平面的五个组，其中，所述组在彼此之间是平行的但是根据不同的波长在组之间具有布拉格平面之间的不同距离。

此外，图5A至5C示意性地示出了发光二极管的光谱20，如已经参考图2A至2C解释的。

在图5A至5C的所有情况中，全息图的厚度为250μm，导致衍射效率η的对应锐利峰或窄峰。

在图5A的实施例中，单独峰彼此间隔相对较远并且在近似610的nm与655的nm之间等距地分布。因此，“外”峰值位于发光二极管的光谱20仅具有低强度的位置处。

只要发光二极管的光谱如由曲线20表示，原理上中心峰、中心峰左边的峰以及中心峰右边的峰就对衍射的光起主要贡献。由于峰非常锐利，因此几乎不会发生得到的虚拟物体的精细结构的任何加宽。另一方面，与图2C的情况相比较，借助于布拉格平面的其他组，因此总体上改进发光二极管的光谱的使用。

此外，可以由图5A中的布置来补偿光源布置的漂移，例如热漂移。热漂移或其他波动会导致光谱20朝向更高或更低的波长移位。在这种情况下，图5A中的两个外部峰中的一个作出较大贡献(在光谱移位的方向上的一个峰)，而其他峰作出较小贡献。以这种方法可以防止或至少减少由于热漂移的得到的发光信号的强度的降低。

为此，总体上可以将不同组的波长分布在更大的范围之上，特别是大于所用光源的光谱的半峰全宽。

在图5B中的实施例中，峰彼此靠近甚至重叠。以这种方法，可以很好地利用发光二极管20的光谱的中心部分，即具有最大强度的那部分。

在图5C中的示例中，峰近似地分布在光谱20的半峰全宽之上。在此，仍然很好地利用了光谱的中心范围，并且也至少在一定程度上近似地补偿了光谱的漂移。

应注意，图5A至5C所图示的可能性的组合也是可能的。作为示例，多个重叠峰可以以与平面距离彼此仅轻微不同的布拉格平面对应的方式布置在相应光源布置的光谱的中心范围中，并且其他峰可以较远离光谱的中心布置。

以这种方式，在各种实施例中，通过同时高的角度选择性且因此极少加宽要表示的虚拟物体的精细结构，实现对诸如发光二极管的光源布置或发光二极管布置的光谱的改进利用。

上述实施例仅用于阐明，并且不应被解释为限制性。

Claims (11)

1.一种用于车辆的照明装置的全息图(35；40)，包括多个叠加的全息结构，其中，所述多个全息结构中的每一个对于相应相关联的重构波长具有用于重构扩展的全息物体的相同的衍射方向，其中，所述相关联的重构波长是不同的。

2.根据权利要求1所述的全息图(35；40)，其中，所述多个叠加的全息结构中的每一个对于所述全息物体的像点局部地具有布拉格平面的相关联的组，其中，与所述像点相关联的不同组的所述布拉格平面局部地彼此平行且在每个组内具有与相应相关联的重构波长对应的距离。

3.根据权利要求1或2所述的全息图(35；40)，其中，所述全息图(35；40)的活性层的厚度大于50μm。

4.根据权利要求3所述的全息图(35；40)，其中，所述厚度大于或等于140μm。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的全息图(35；40)，其中，对于所述波长中的一些，与所述波长相关联的衍射效率的半峰全宽值至少重叠。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的全息图(35；40)，其中，所述重构波长中的至少三个位于50nm的波长区间中。

7.根据权利要求6所述的全息图(35；40)，其中，所述重构波长中的至少三个位于25nm的波长区间中。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的全息图(35；40)，其中，所述多个叠加的全息结构包括多于三个的全息结构。

9.根据权利要求8所述的全息图(35；40)，其中，所述多个叠加的全息结构包括多于五个的全息结构。

10.一种用于机动车辆的照明装置，包括：

用于生成照明光束的光源布置(30)，和

如权利要求1-9中的任一项所述的全息图(35；40)，以及

用于将所述照明光束(32)指引到所述全息图(35；40)上的光学布置(31、34)。

11.根据权利要求10所述的照明装置，其中，相关联的波长分布在比所述光源布置(30)的半峰全宽更大的光谱范围之上。

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