CN112805599A - 车辆的照明设备 - Google Patents

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Abstract

提供了一种照明设备，其包括具有大于0.5mm2的发光表面的空间延伸光源以及被配置为准直来自空间延伸光源的光的非球面TIR透镜，以及被配置为基于准直光生成照明分布的折射漫射器。

Description

车辆的照明设备
技术领域
本申请涉及用于车辆的照明设备。
背景技术
在车辆的照明技术领域中，照明设备必须满足许多复杂的要求。这些要求有时彼此矛盾，并且在许多情况下要求折衷。
例如，由于其它车辆组件的空间要求和空气动力学考虑，关于能源效率以及边界条件的严格规范(例如成本压力、服务寿命要求和安装空间限制)存在高要求。与所提供的照明分布相关的质量要求(通过所谓的照明功能来描述)不断增加，并且例如在具有根据实心角定义的复杂、高分辨率照明分布的前大灯领域中表征为对宽光谱范围(例如白光)具有照明功能的期望。在许多应用领域中，例如在近光和转弯灯的情况下，特别要求不对称照明功能。此处同样要求照明设备的消色差特性，例如，以避免在照亮道路时出现色带和过亮的区块(所谓的“热点”)，以避免打扰车辆驾驶员和其他道路用户。这种干扰的示例是蓝色条纹，在移动车辆的情况下，例如可能会与来自紧急车辆的警告信号(称为圆形信标灯)混淆。可以找到其它车辆照明设备(例如尾灯、雾灯、日间行车灯、刹车灯或转向信号灯)的对应要求。
为了满足效率要求，可以将发光二极管(LED)用作光源。由于LED可实现的照度以及消散热功率损耗的需求，随着其发光功率的增加，高功率LED的辐射表面也更大。例如，在当前可用的系统中，辐射表面为2.1x1mm2，发光通量为600流明，而4.4mm2的发光通量为1200流明。随着表面积的增加，这种在大实心角范围内发射的延伸辐射表面更难以准直，即，即使在准直之后，辐射仍具有残留发散，该残留发散通常太高以至于无法实现期望的照明功能。如果残留发散太高，那么使高分辨率光束成形变得更加困难。
因此，效率和亮度要求以及对长服务寿命的要求与对最小残留发散的要求相冲突。另一方面，对改善延伸光源的准直的要求与例如与有限安装空间相关的要求相冲突。此外，期望的消色差特性使得光束成形系统必须具有尽可能少的色差，这同样可能与安装空间要求和成本要求相冲突。
FR 2 919 913公开了一种光源，该光源与用于点光源的准直仪和用于光束成形的设备相结合，特别是用于实现雾灯、尾灯或刹车灯的光束成形。在这种情况下，准直仪例如是理想地生成用于理想点光源的平行射线的TIR(全内反射)透镜、菲涅耳透镜或圆顶透镜。但是，FR 2 919 913没有公开与如何处理有限延伸光源以及上面提到的热点(诸如可能由于使用如FR 2 919 913中所述的具有零阶或更高阶衍射的全息漫射器而造成的热点)问题相关的任何内容。
从现有技术中还已知使用反射镜进行光束成形的照明设备。但是，这种已知的布置常常不满足关于小安装空间和低成本的要求。
为了同时满足对消色差特性的要求，如果可能，那么准直和光束成形系统不应当具有任何色差。例如，如果光束成形和准直是通过反射光学单元(例如，用于准直的凹面镜和用于光束成形的分段反射镜系统)来实现的，那么这是可能的。但是，这种布置同样可能与安装空间和成本降低的要求背道而驰。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种改进的照明设备，其在相当大的程度上同时满足上面提到的要求：
为此目的提供了如权利要求1中所述的照明设备。从属权利要求定义了另外的实施例。
照明设备包括空间延伸的光源，该光源的照明表面大于0.5mm2。此外，该照明设备包括：非球面TIR透镜，其被配置为准直来自空间延伸光源的光；以及折射漫射器，其被配置为基于准直的光生成照明分布。
TIR(全内反射)透镜被理解为是指通过全内反射使入射光线的至少部分通过的光学装置。TIR透镜将在下面更详细地解释。
非球面透镜被理解为是指其中折射表面中的至少一个具有偏离球形或平面形状的表面的透镜。
折射漫射器是本身已知的组件，其在表面上具有折射、散射或衍射特性。在本申请中，折射漫射器被理解为是指具有光滑表面剖面形状的漫射器，该漫射器不包含跳跃不连续并且其特性由光的折射决定。通常，此类漫射器具有“光滑”的“自由曲面”，该自由曲面通过波动光学器件计算，具有统计表面剖面。
在这种漫射器的情况下，由每个位置(例如在漫射器的表面上(该位置可以由x，y坐标指定))发射的光线总体上产生期望的照明分布。
在一些示例中，折射漫射器可以包括多个表面部分，每个表面部分包含光束成形所需的所有信息。例如，如果在此类折射漫射器的情况下照亮单个表面部分，那么在远场中产生期望的照明分布。该表面部分例如可以具有300-1000μm的尺寸。所有表面部分在此都可以以包含随机分布结构的方式进行计算。此外，所有表面部分都可以以它们在统计上彼此独立的方式来实施。此外，所有表面部分都可以以它们可以连续地彼此接合而不会产生可见边界的方式来实施。特别地，以这种方式有可能避免在接合的表面部分处存在跳跃不连续，并且特别是有可能确保折射漫射器在多个表面部分上连续可微分。
使用统计上独立的表面部分可以具有以下优点：可以显著减少由于在具有部分相干光的漫射器上出现的斑点(有时也称为光粒化或斑点图案)而发生的不均匀性。此外，将表面部分实施为可以以连续可微分的方式彼此接合的连续可微分的表面可以具有避免散射中心的优点，由此可以增加效率和可获得的对比度。
也称为连续或折射相位元素的此类结构的计算例如在J.Néauport等人在AppliedOptics的第42卷，第13期，第2377页上或者由K.-H.Brenner等人在Diffractive opticsand microoptics(DOMO)2000:Conference Edition；OSA Technical Digest，第237页，ISBN 1-55752-635-4中所解释的。
作为使用折射漫射器的结果，在相对小安装空间的情况下可以为照明设备获得大设计自由度。这允许安装空间最小化。此外，与衍射漫射器相反，折射漫射器不能具有与技术相关的零阶衍射，也不能具有不期望的更高阶衍射。因此，可以避免不期望的光效应(诸如热点和照明不均匀性)的发生。
理想的照明设备可以用这种照明设备来近似。这种理想的照明设备将由以下组件组成：完全可准直的光源(例如点光源)、确保理想准直的准直仪和具有复杂的低散射光束成形功能的高分辨率消色差光束成形光学单元。下面描述所描述的装置的优点，这些优点使得有可能近似这种理想的照明设备。
在一些示例中，折射漫射器是消色差折射漫射器。
消色差被理解为是指例如由于折射引起的光路的改变基本上不依赖于光的波长。这特别可以适用于波长范围，例如适用于具体的波长范围，例如适用于可见波长范围。
在M.Cumme和A.Deparnay的Advanced Optical Technologies，第4卷，第1卷，第47-61页，2004中描述了这种折射漫射器的消色差特性。这些是基于衍射和折射特性的具体组合，在这种组合下，使用相反的角度色散来补偿色差。如上所述，这些消色差特性使得有可能提供改善的照明分布，该照明分布例如没有颜色条纹，例如白光中的蓝色条纹。
上述折射漫射器潜在地具有比所有其它已知漫射器显著更高的效率。因此，它们可以适于满足在车辆照明领域中增加效率的期望。这也使得有可能实现高亮度或高整体性能。
在一些示例中，消色差折射漫射器具有光学漫射器表面，该光学漫射器表面被配置为基于准直光提供照明分布，其中该漫射器表面是连续可微分的。
这可以具有以下优点：漫射器表面的这种连续可微分的“平滑”形状可以显著减小或甚至完全避免在照明分布中出现零阶衍射。此类漫射器还提供了非常高的效率，即使对于大光束角，例如在633nm处具有高达0.7的数值孔径NA，也通常具有93％至97％的透射率。由于连续可微分的形状，还避免了透射光的相位跳变。因此，没有发生与技术相关的零阶衍射或散射效应。当创建光学漫射器时的设计自由度允许几乎任何，甚至不对称的，远场分布。
因此有可能为照明功能提供复杂的、具有高分辨率的和/或以依赖于实心角的方式定义的照明分布。此类照明功能特别是可以超出简单的几何形状(诸如圆形、椭圆形和正方形)。在一些示例中，照明功能可以在强度上具有平滑的过渡；在其它示例中，照明功能在强度上可以具有陡峭的过渡。组合也是可能的。例如，强度可以在第一角度方向上具有软过渡，但是在垂直于第一角度方向的第二角度方向上具有硬过渡。
硬过渡可以被理解为例如是指在与照明的半高全宽(FWHM)实心角范围对应的实心角内强度变化>50％，例如>75％，例如>85％。软过渡可以被理解为例如是指在与照明的FWHM实心角范围对应的实心角内强度变化<50％，例如<25％，例如<15％，例如<5％，例如<3％。
照明的FWHM实心角范围被理解为是指由上面进一步描述的由空间延伸LED和TIR透镜组成的照明布置完全照亮的实心角范围，并且该实心角范围仅包含强度大于最大强度的一半的那些照明角。
在一些实施例中，可以以以下方式来实施折射漫射器：在其照明期间发生并且由例如由延伸LED光源和TIR透镜组成的系统产生的任何残留发散在光学设计中被考虑在内。这可以具有以下优点：减小了由于残余发散引起的照明角分布的偏差。这允许以更接近地近似理想照明设备的方式来设计系统。因此，照明分布可以具有改善的质量。
在一些示例中，漫射器表面具有随机分布的结构，该结构具有凸和凹结构部分，其中这些结构部分的典型横向维度为15μm-500μm。
这使得具有高质量照明分布的廉价生产成为可能，例如因为使用适合于大规模生产的方法进行制造，例如通过注射成型生产。最小结构尺寸可以已经在设计过程中受到限制，这意味着成型工具可以更耐用，并且可以改善成型过程期间的脱模。在计算期间以这种方式进行操作还允许以低分辨率的光刻方法进行生产，例如以1μm的分辨率进行激光束写入，这同样可以降低生产成本。这些因素可以有助于在相同或甚至增加照明分布质量的情况下降低成本。
应当注意的是，光学设计中折射漫射器中的一些提供了元件结构的剖面高度和侧向结构尺寸的选择，同时维持所产生的角分布，其中剖面高度和侧向结构尺寸表示彼此成比例的耦合的变量。这被称为设计的可伸缩性。例如，可以用漫射器B产生指定的照明角分布A，其中平均结构深度为例如3μm，并且平均侧向结构尺寸为50μm。利用可缩放的设计，有可能利用缩放的漫射器C产生相同的照明角分布A，其中平均结构深度为例如6μm，并且平均侧向结构尺寸相应地为100μm。
可以应用于折射漫射器的上述可伸缩性允许设计自由，该设计自由度可以用于将它们实施为消色差折射漫射器。以这种方式，可以通过光衍射和光折射的组合来补偿由色彩引起的偏转角误差。在每个漫射器中，光在其被照亮的表面上的所有位置处被偏转。光可以通过衍射(例如，在闪耀的光栅处(参见https://de.wikipedia.org/w/index.php？title＝Blazegitter&oldid＝175256423，于2018年8月16日检索)以及也可以通过折射(例如，在棱镜处)被偏转。但是，当波长改变时，由折射或衍射造成的光的偏转在偏转角中示出相反的改变。因此，当波长增加时，例如在可见光范围内的光学玻璃中，由具有正常色散的折射造成的偏转角变得更小。相反，当波长增加时，由衍射造成的偏转角增加。如果用白光束照亮棱镜和闪耀的光栅并且两个元件的朝向都使得光在相同方向上被偏转，那么在两个元件的下游都可以看到色谱，但是两个颜色剖面可以定向成彼此镜像对称。
如果如上所述将闪耀的光栅视为可缩放的元件并且如果将闪耀的光栅的剖面深度和周期逐位彼此成比例地增加，那么光栅最初将具有纯衍射效果。在非常大的周期和对应增加的剖面深度的情况下，例如，如果光束仅照亮几个周期或仅一个周期，那么衍射效应将消失，然后仅由折射效应确定光学效应。因而，存在中间区块，在该中间区域中同时发生折射效应和衍射效应。如果选择这个区块或以使得折射和衍射效应具有相同量值的方式设置周期和剖面深度，那么由于偏转角对波长的相反的依赖性，有可能进行颜色校正。
这种原理也可以被用于在其结构尺寸可缩放的折射漫射器中进行颜色校正。此类漫射器具有发生衍射和折射两者的结构尺寸，并且以使得局部偏转角的波长依赖性彼此补偿的方式选择结构尺寸。如上所述，特别地，消色差折射漫射器可以具有基于所描述的考虑因素的光学设计。与闪耀的光栅相反，在消色差折射漫射器的情况下，还有可能避免技术相关的零阶衍射最大值。
此类消色差折射漫射器因此可以具有可以避免在照亮道路时出现颜色条纹的优点。
在一些实施例中，折射漫射器包括至少一个包含混合结构的区域，其中该混合结构包括消色差折射漫射器与全局衍射结构的组合。
折射漫射器在此可以是整体或部分的消色差折射漫射器。在此类情况下，混合结构也可以位于折射漫射器的其中折射漫射器是消色差折射漫射器的区块之外。折射漫射器的不具有混合结构的区块也可以是消色差折射漫射器区块。
至少一个区域在此可以是折射漫射器的一部分，或者也可以包括整个折射漫射器。也有可能存在具有混合结构的多个区域，所述混合结构可以重叠和/或可以彼此间隔开。
全局衍射结构在此被理解为是指该结构对穿过全局衍射结构的光施加衍射作用的光学功能，其中该结构的所有局部区块以使得偏转与所有其它区块具有指定关系的方式使光偏转。与所有其它区块的指定关系是指例如穿过整体结构的所有光线在位于例如圆形线上的一个位置或多个位置处相交。这一个位置或多个位置也可以是一个虚拟点或多个虚拟点，例如在发散透镜的情况下已知的。
例如，这可以通过衍射作用的透镜(例如通过菲涅耳透镜)来提供，但是也有可能使用其它衍射作用的结构。在这种情况下，整体作用可以是指衍射效应不仅局部而且整体地影响入射光的角分布，例如整体作用的衍射结构的维度的至少20％的规模，例如至少40％，例如至少60％，例如至少80％，例如100％。例如，在将平行入射光聚焦在一个点上时，这种全局效应可以表现出来。
可以配置这种全局衍射结构，使得可以减小由非球面TIR透镜准直的光的色角光谱。这可以例如通过考虑到由TIR透镜准直的光的色角光谱以优化衍射结构来实现，例如通过如下所述的优化计算。还有可能一起优化TIR透镜和全局衍射结构。因此，可以进一步改善照明分布的质量。
与先前描述的折射漫射器结构相反，这种整体作用的衍射结构和/或混合结构可以包括不连续的位置。这些可以关于中心波长(例如针对中心波长λ)进行优化。中心波长可以用λ＝1/2(λmax+λmin)来描述，其中λmax给出了寻求消色差校正的光谱范围的最大波长，而λmin给出了该光谱范围的最小波长。可以以以下方式设计全局衍射结构：对于具有中心波长λ的光产生2π*n的跳跃不连续，其中特别可以选择n＝1。但是n的其它基本上整数值也是可能的。如上面已经解释的，整体折射结构中的这种跳跃不连续可以导致零阶衍射的发生，这可以是不利的。但是，由于混合结构中全局衍射结构的跳跃不连续与消色差折射漫射器结合工作，因此，由于与消色差折射漫射器结合，每个跳跃不连续可以具有不同的(例如，随机分布的)相角，特别是如果后者是随机实施的，那么在其它实施例中也是如此。因此，在跳跃不连续处发生的所有光贡献(其可以在照明分布中导致零阶衍射图像)可以平均而言被干扰至少基本上，优选地完全，相互补偿。
消色差折射漫射器与全局衍射结构的组合在此被理解为是指两个元件被组合。这可以例如通过叠加两个结构的剖面来完成，例如通过叠加两个结构的高度剖面来实现，例如借助于相加。在其它实施例中，混合结构可以由不同的光学组件组成，这些光学组件例如一个布置在另一个之后，使得该组合仅由通过的光产生。
在一些实施例中，全局衍射结构包括菲涅耳透镜。
在此，可能以以下方式来实施混合结构：例如，如果由于准直而引起色差，那么通过混合结构来进行颜色校正。这可以通过确定非球面TIR透镜的色彩性质以及将其作为输入参数结合到混合结构的光学设计中来实现。
在一些示例中，空间延伸光源被配置为提供白光作为光。
在此将白光理解为是指具有不同光谱范围的组合的光，从而为人眼产生白色印象。
在一些示例中，光源包括发光二极管和/或激光二极管。光源还可以包括磷光体目标。因此，有可能有成本效益地提供具有足够相干性的光源。也有可能实现组件的长服务寿命。
在一些示例中，照明分布可以具有以下形状中的一种或多种：对称形状、非对称形状、圆形形状、正方形形状、椭圆形形状。
在此，多个上述形状被理解为是指一些形状可以具有所提到的形式的组合。例如，椭圆形可以具有对称特性，例如沿着主轴的镜像对称。照明分布还可以具有所提到的形状的组合，例如，第一区块中的椭圆形形状和可以与第一区块不同的第二区块中的圆形形状。但是，其它组合也是可能的。
在一些示例中，照明分布具有以下强度分布中的一种或多种：均匀的强度分布、礼帽形的强度分布、高斯强度分布、超高斯强度分布。
多个强度分布在这里是指强度分布结合了不同的方面，例如对于特定的实心角范围。例如，可以通过将礼帽形的强度分布与超高斯强度分布叠加来获得不对称强度分布。因此，可以提供不对称的强度分布，其满足道路交通的要求，并且在一些示例中避免了从被照亮区域到未被照亮区块的硬过渡。
此外，可以以在一些位置出现清晰轮廓的方式来设计照明分布。例如，因此可以生成在投影到道路上时示出强烈对比度的字母或特定字符(诸如箭头)。同样，被照亮的区块可以包含任何数学上定义的亮度调制，即，亮度在整个照明分布上改变。
在一些实施例中，非球面TIR透镜不是旋转对称的。
例如，对于具有不对称(例如，矩形)形状的空间延伸光源，与旋转对称TIR透镜相比，可以通过非旋转对称TIR透镜来改善准直。稍后将对此进行更详细的解释。
在一些示例中，TIR透镜的输入耦合表面(即，面对光源的表面)在延伸光源周围封住尽可能大的区块，并以此确保从光源发出的辐射耦合到TIR透镜中最大可能的实心角范围内，例如在光源周围基本上一半的空间。
基本上包括区块周围一半的空间被理解为是指空间延伸光源占据该半空间的实心角范围的主要部分，例如半空间的实心角范围的80％，例如85％，例如90％。例如95％，例如100％。这可以具有以下优点：由空间延伸光源发射的光的主要部分被TIR透镜接收并准直，这防止了损失并因此改善系统的效率。
在一些示例中，空间延伸光源具有包括在第一方向上的第一长度和在与第一方向不同的第二方向上的第二长度的形状。第一长度大于第二长度。
在一些示例中，光源的形状可以是具有第一侧面长度和第二侧面长度的矩形形状，其中第一长度是第一侧面长度并且第二长度是第二侧面长度。
这可以具有以下优点：可以使用工业上可获得的光源，并且可以由于形状而改善光源的其它特性(例如散热)，这可以改善服务寿命和效率。
在一些示例中，非球面TIR透镜在第一方向上具有第一范围并且在第二方向上具有第二范围，其中第一范围大于第二范围。
这可以具有以下优点：与不适于空间延伸光源的形状(即，在第一和第二方向适配的准直)的TIR透镜相比，以这种方式成形的TIR透镜具有改善的光学特性。
在一些示例中，非球面TIR透镜被配置为产生空间延伸光源的基本上旋转对称的准直。
旋转对称的准直在此被理解为是指，与理想准直的偏离关于TIR透镜的光轴具有旋转对称性，例如关于理想准直的偏离角的绝对值是恒定的。基本上旋转对称的准直相应地被理解为是指偏差基本上是恒定的，例如小于20％，例如小于10，例如小于5％，特别是小于1％。
在点光源的理想情况下，有可能使用非球面透镜来实现完美的准直，与光轴的角度偏差为0°。
在垂直于光轴的平面中的延伸光源的情况下，这不再是可能的。在任意选择的垂直于光轴的截面平面中，相对于光轴的角度偏差(也称为局部发散角)与关于垂直于光轴的截面平面中的透镜直径相关的光源的范围成比例，并且与透镜的倒数焦距成比例。
在不对称光源的情况下，光源的范围取决于垂直于光轴的截面平面的选择。因此，局部发散角也取决于截面平面的选择。
由于TIR透镜在第一方向上具有第一范围并且在第二方向上具有第二范围，其中第一范围大于第二范围，因此现在可以至少部分地补偿这个影响。
例如，在椭圆形光源的情况下，可以选择TIR透镜的椭圆形形状，使得对于所有截面平面而言，发散角再次相同，这是因为在光源具有更大范围的截面平面中，TIR透镜同样具有更大范围。
在角形光源(例如矩形光源)的情况下，基本上同样可以实现这个特性。在此同样可以选择TIR透镜的椭圆形形状，以便考虑到光源在不同方向上的不同范围并改善准直。为了附加地减小这种偏差的影响，可以增加TIR透镜的焦距，其中可以在此与其它相互冲突的要求(例如，结构性体积)一起执行优化过程。
TIR透镜的椭圆形形状只是TIR透镜的非旋转对称形状的示例。
在一些实施例中，也可以选择非球面TIR透镜的不同的非旋转对称形状。在此，可以取决于空间延伸光源的形状来选择TIR透镜的非旋转对称形状。
在一些实施例中，非球面TIR透镜的形状可以基于空间延伸光源的形状。
例如，对于空间延伸光源的椭圆形形状或矩形形状，TIR透镜在垂直于光轴的截面平面中可以具有椭圆形形状。
上面提到的规程可以具有在相同的安装空间中可以实现改善的准直的优点。
这可以具有以下优点：TIR透镜的延伸形状可以减少不对称、空间延伸光源的不对称性对准直的影响。
在一些示例中，非球面TIR透镜包括轴、第一表面、第二表面、出射表面和反射器表面，其中
轴延伸通过空间延伸光源，
出射表面是平面的并且垂直于轴延伸，其中出射表面提供准直光，
第一表面具有双非球面形状并且与轴相交，
第二表面具有自由形式并且不与轴相交，并且
其中反射器表面具有抛物线形状。
在其中TIR透镜具有大于第二范围的第一范围的示例中，可以在延伸通过轴的截面平面中(例如在TIR透镜的横截面平面中)定义形状。在其它截面平面中，与在这些平面中的横截面平面相比，形状同样可以根据TIR透镜的变形而变形，如在计算机辅助设计(CAD)领域的示例中从阁楼(loft)特征中所知道的那样。
在一些示例中，形状是居中形状，在其它示例中，它们是偏心形状，例如第一表面可以具有偏心双非球面形状。在此，双非球面形状对于通过TIR透镜并延伸通过轴的不同截面平面而言可以有所不同。
在一些实施例中，如上所述，具有第一和第二表面的TIR透镜与混合结构相结合，如上面结合折射漫射器的实施例描述的。在这些实施例中，至少一个区域可以填充第一表面和/或第二表面在折射漫射器上的投影的至少一部分。投影可以沿着轴进行。但是，投影也可以借助于光的射线跟踪发生，其中可以通过跟踪从光源发出的光束并确定光束在其中穿过折射漫射器的区块来确定在折射漫射器的一部分上的投影，其中由此确定的区块然后可以确定为所述至少一个区域。
在一些示例中，非球面TIR透镜包括在第一和第二表面之间的接合区域，其中该接合区域具有不落入生产半径以下的表面形状并且被设计为使得来自空间延伸光源的延伸通过接合区域的光分量以以下方式偏转：对应的光分量不会落在TIR透镜下游的实心角范围内，从而显著影响漫射器下游的整体照明分布。
由接合区域偏转的光分量不会显著影响照明分布这一事实被理解为是指该光分量基本上不会显著影响在没有光通过接合区域的情况下生成的照明分布。这可以是指漫射器下游的照明分布的依赖于实心角的强度在没有实心角的情况下会改变，这是由于基于漫射器下游期望的依赖于实心角的强度，穿过接合区域的光分量例如超过20％，例如15％，例如10％，例如5％，例如1％。
本领域技术人员在创建光学设计时可以考虑上面提到的准则和目标规范，例如通过基于射线跟踪将这些目标指定为用于光学设计软件的数值优化过程的优化目标，例如在光学设计软件ZemaxOpticStudio中作为“品质函数”。
生产半径被理解为是指例如由于工具尺寸或由于材料特性而可以仍在生产过程中产生的最小可能的曲率。
这可以具有以下优点：由于在设计阶段已经考虑了合适生产半径这一事实，实现了生产成本的成本优化。特别地，应当使来自接合区域的光对照明分布的影响最小化，或者应当以使从接合区域发出的光有针对性地传送到所使用的分布中的方式来设计接合区域。以这种方式可以避免通过接合区域的光导致在照明分布中形成热点，例如由于在接合区域处反射并随后在TIR透镜中反射就可以是这种情况。在一些示例中，由于来自接合区域的未准直的光，可以防止光分布具有不期望的距离依赖性。
在一些实施例中，通过接合区域并且被指向出射表面的方向的光的比例超过95％。
光分量也可以构成其它比例，例如在70％和100％之间的范围内。在许多情况下，期望较高的比例，但是在优化过程的上下文中，较低的值也可以是有用的，例如，只要结果所得的照明分布满足要求，就允许更大的生产半径以及因此更便宜的生产。
由于接合区域包括在光学设计中，因此有可能可以使用廉价的方法来生产这种照明设备。一些廉价的生产过程(例如注射成型)的特征在于某些生产半径不能被低估的事实，因为太小的半径的脱模会导致与光偏转相关的不可预测的影响。这不仅限于注射成型，而且还适用于许多其它生产过程。
在一些实施例中，借助于Q多项式来定义第二表面的自由形式。
Q多项式是已知的，例如，从I.Kaya等人的Comparative assessment of freeformpolynomials as optical surface descriptions，OPTICS EXPRESS 22683第20卷，第20期，2012年9月20日，20。借助于Q多项式的自由形式定义具有以下优点：自由形式和/或其它形式的数值优化变得更加健壮和简单。
在一些实施例中，Q多项式可以是偏心的Q多项式。为了使Q多项式偏心，应当为与所需偏心(即，侧向移位)对应的位置坐标提供偏移量值。因此，由Q多项式描述的表面相对于光轴发生移位，这为光学设计带来了附加的自由度。
在一些实施例中，非球面TIR透镜和折射漫射器可以一件式地形成为一个组件。在此，在一些实施例中，折射漫射器可以与非球面TIR透镜的出射表面一件式形成。
这可以具有可以降低制造成本的优点。同时，由于是一件式生产，因此可以在TIR透镜和折射漫射器之间实现确切且可复制的配合。以这种方式，可以避免这些组件相对于彼此的布置中的误差，并且可以有可能省去组件的任何调整。
这可以具有以下优点：生产特别简单并且因此特别具有成本效益。
在一些实施例中，非球面TIR透镜和/或折射漫射器可以借助于注射成型方法来生产。
在一些实施例中，照明设备可以被实施为用于车辆的照明设备。在这种情况下，照明设备可以被实施为例如前大灯、远光灯、雾灯、近光灯、尾灯或日间行车灯。也有可能用作不同的照明设备。特别是当消色差特性有利时，可以有利地使用照明设备。例如，在旨在提供宽光谱范围的光(例如，对于白光)的照明设备的情况下就是这种情况。但是也可以想到其它系列，例如用于组合的刹车灯和方向指示器的照明设备，其中刹车灯旨在发射红色光谱范围内的光，而指示器旨在发射黄色光谱范围内的光，这同样可以由根据本发明的照明设备有利地实现。
附图说明
为了更好的理解，下面参考附图更详细地解释实施例。在附图中：
图1示出了根据实施例的照明设备，
图2示出了根据实施例的具有发光表面的空间延伸光源，
图3A和3B示出了根据实施例的TIR透镜；在这种情况下，图3A示出了TIR透镜的横截面视图，而图3B示出了TIR透镜的正视图，每个图具有TIR透镜的部分区块的对应标记，
图4示出了根据实施例的折射漫射器，
图5A和5B示出了根据实施例的照明分布，
图6示出了具有混合结构的消色差折射漫射器的实施例。
具体实施方式
现在在下面详细解释各种实施例。本详细描述不应当被解释为限制性的。特别地，不应当将具有多个特征、组件或细节的实施例的描述解释为所有这些特征、组件和细节对于实施方式都是必需的。除非另外指出，否则已经针对实施例之一描述的变化和修改也适用于其它实施例。而且，不同实施例的特征可以彼此组合以便形成另外的实施例。
图1示出了根据实施例的照明设备。来自空间延伸光源110的光通过非球面TIR(全内反射)透镜120准直，并通过折射漫射器130整形，以便基于准直光生成照明分布140。在一些实施例中，可以附加地存在例如由玻璃制成的保护层150，其保护构造110、120、130不受环境影响。在其它实施例中，保护层150可以与折射漫射器130一件式设计。空间延伸光源110具有大于0.5mm2的发光表面。在一些实施例中，空间延伸光源110被实现为发光二极管(LED)或LED组。这将在下面结合图2更详细地解释。在图1的实施例中，折射漫射器130是发散适应的消色差折射漫射器。图1中所示的照明分布140是定义的不对称高分辨率白色照明分布。
图2示出了根据实施例的具有发光表面的空间延伸光源。图2示出了空间延伸光源200，其包括第一LED 210和第二LED 220。空间延伸光源200可以由第一方向R1和第二方向R2描述，其中空间延伸光源在第一方向R1和第二方向R2上延伸。空间延伸光源200具有在第一方向R1上的第一长度L1和在第二方向R2上的第二长度L2。在图2所示的示例中，第一长度L1大于第二长度L2，从而在图2的示例中导致光源200为矩形形状。如前所述，准直这种延伸光源可能是个挑战。这种准直可以通过下面结合图3A和3B描述的TIR透镜以高效的形式实现。
图3A和3B示出了根据实施例的TIR透镜300、301，其中图3A示出了TIR透镜的横截面视图300，而图3B示出了TIR透镜的正视图301。TIR透镜300、301被配置为提供来自光源302的准直光。在所示示例中，光源302是LED，其可以与图2的光源200对应。但是，不同的光源302也是可能的。在所示示例中，光源302具有矩形形状，第一长度L1与第二长度L2彼此不同，其中第一长度L1可以在第一方向R1上延伸，第二长度L2可以在第二方向R2上延伸。长度和方向可以与图2的长度和方向对应。
为了提高空间延伸发光表面的准直质量，TIR透镜300、301被不对称地成形。在所示的实施例中，TIR透镜是椭圆形形状的，并且在中心点M周围具有在第一方向R1上的第一范围D1和在第二方向R2上的第二范围D2。第一范围D1大于第二范围D2。
由于TIR透镜300、301的不对称形状，该构造有可能满足照明设备100的要求，并在准直仪下游的角度范围内提供具有在各个方向上尽可能统一的最小可能残留发散的角度分布。
图3A的横截面视图示出了用于来自空间延伸光源302的光的两个不同的光束入射表面(即，第一表面306和第二表面307)，以及出射表面310和反射器表面308。延伸通过中心点M的轴350延伸通过空间延伸光源302。在所示的实施例中，出射表面310具有平面形状并且垂直于轴350延伸，其中出射表面310提供准直光。第一表面306和第二表面307彼此独立地成形。在该实施例中，第一表面306具有双非球面形状并且与轴350相交。相反，第二表面307具有自由形式并且不与轴350相交。反射器表面308在横截面视图300中具有抛物面形状。出射表面310的平面形状的优点在于，在一些示例中，这个表面可以与折射漫射器一件式形成。这可以使得准直漫射器模块有可能在单个注射成型过程中生产。两个表面306、307封住空间延伸光源周围的半空间，并因此确保辐射的大部分耦合到TIR透镜的透明材料中。因此，甚至记录了远离轴的角度范围内的辐射分量，由此增加了装置的效率。
在此，TIR透镜应以使其表面各自尽可能垂直于光源的相应入射部分光束的方式来成形。以这种方式，可以确保当在界面处将光耦合到TIR透镜的材料中时由于折射而产生相对较小的偏转角，从而导致由于依赖材料的色散引起的色差的减小，以及到TIR透镜的材料的高耦合效率。在图3A的横截面视图中，可以清楚地看到，第一表面306和第二表面307在第一表面306和第二表面307之间具有接合区域309。如图3A中示意性指示的，接合区域309具有不低于生产半径的表面形状，并且以以下方式来设计：来自空间延伸光源302的通过接合区域309的光分量在出射表面310的方向上并且特别是不朝着反射器表面308被偏转尽可能高的比例。这具有以下优点：在结果所得的照明分布中可以避免高强度的区块(前面提到的热点)，否则如果未仔细优化接合区域309，那么可能出现这些区块，并且会对照明分布产生不利影响(参见图1的照明分布140)。对于接合的不可控制的生产尤其是这种情况，即，当要求低于可能的生产半径的生产半径时。在此，可以通过各种光束来描述从光源302发出的光。光束304从总光束的较低角度范围射出并且，在图3B的正视图中，具有椭圆形形状，其与图3B中的表面306对应。光束305通过接合区域309。光束303由总光束的较高角度范围产生并通过第二表面307并且具有卵形的环形形状，其在图3B的前视图中与反射器表面308对应。利用所示的设计，实现了低色差，因为该形状确保光束303主要由于表面308处的反射而偏转，其中反射没有消色差。因此，图3A和3B中所示的准直器允许具有最小化的色差的光谱均匀准直、具有小于6°的低残留发散的光传输的高效率以及同时紧凑的设计。此外，该部件可借助于注射成型方法整体地制造，其中有可能同样借助于注射成型方法产生折射漫射器结构，例如消色差折射漫射器结构。漫射器结构将在下面结合图4进行解释。
图4示出了被设计为消色差折射漫射器的折射漫射器400。在图4的左侧，在图420中示出了折射漫射器的高度轮廓421，该高度轮廓421是沿着路径410的位置的函数。此处的高度轮廓描述了路径410的拓扑功能。如从高度轮廓421可以看出的，高度剖面围绕平均值440以连续可微分的方式改变，其中加到高度轮廓422的平均值的高度轮廓421的标准偏差以及从高度轮廓423的平均值减去的标准偏差被附加地示为参考。高度轮廓421在此通过局部最大值430和最小值431。由于高度轮廓421是连续可微分的，因此避免了透射光的波前中的相位跳跃。这避免了与技术相关的零阶衍射，并且如上所述可以实现非常好的透射特性。漫射器的上述可伸缩性为远场中的照明分布提供了进一步的设计自由度，并且特别是提供了生成消色差照明分布的可能性。下面将结合图5A和图5B对此进行描述。
图5A和图5B示出了根据实施例的照明分布。
图5A示出了照明设备的可能的照明分布500。这种照明分布500可以例如由图1的照明设备生成。在图5A的示例中，实现了照明分布的不对称形状。如上文和下文所述，空间延伸光源与非球面TIR透镜和折射漫射器的可能组合导致了照明分布500的众多设计选择和设计自由度。为了说明所实现的不对称照明分布500，在图5B中绘制了区段510、520、530的各种强度分布511、521、531作为发射角的函数。
图5B在此以任意单位示出了图5A的区段的白光的强度，该强度作为发射角的函数。在此曲线511示出了区段510的强度剖面，曲线521示出了区段520的强度剖面，并且曲线531示出了区段530的强度剖面。如从曲线可以看出，可以在照明分布500的不同区域中实现不同的对称和不对称照明分布。因此，曲线531具有几乎对称的超高斯形状，而曲线521具有几乎对称的礼帽形的超高斯分布。另一方面，曲线511是强烈不对称的，并且表示两个经修改的超高斯强度分布的叠加。这些强度分布可以通过以极大的设计自由度优化各种组件来建立。特别地，可以实现非常软的强度过渡，如曲线531的强度剖面的示例中所示，但是诸如例如在曲线521的强度剖面中的更陡峭的过渡也是可能的。
图6示出了具有混合结构的折射漫射器的实施例。
在一些实施例中，如在引言部分中所解释的，折射漫射器的至少一部分可以具有混合结构。此类混合结构可以具有可以补偿TIR透镜的色差的优点。
在图6的实施例中，消色差折射漫射器610的高度轮廓作为示例被示为沿着路径的位置的函数。如上面所解释的，在其它实施例中，漫射器也可以是折射漫射器。所示的消色差折射漫射器可以例如与图4的消色差折射漫射器400对应。现在将消色差折射漫射器的高度剖面用作起点，以提供具有混合结构的漫射器。为此，将全局衍射结构620的高度剖面与消色差折射漫射器610的高度剖面叠加。在图6中，这例如作为剖面的示例来执行，其中高度剖面610、620借助于相加而被叠加。通过将消色差折射漫射器的高度剖面和全局衍射结构叠加在一起来获得混合结构。作为示例，在图6中还示出了混合结构630的高度轮廓。
在所示的示例中，全局衍射结构限于区域A。另一方面，区域B不具有全局衍射结构。在所示示例中，区域A中的全局衍射结构被实施为菲涅耳透镜621，该菲涅耳透镜621被设计为在波长为λ的光中引起约2π的相位跳跃。
在其它实施例中，区域A可以在其它区块上延伸，并且甚至填充整个区块，从而省略区域B，或者可以存在几个不同的区域(诸如A和B)。特别地，可以针对不同的中心波长来设计不同位置处的结构。例如，如果已知在特定区域中与在其它区块中存在不同的光谱照明分布，那么这可以是有利的。例如由于光学组件(例如，TIR透镜)中的色差，可以是这种情况。
与消色差折射漫射器的原始高度剖面相比，混合结构在区域B中没有改变。区域B中的混合结构可以具有可以减小由非球面TIR透镜准直的光的色角光谱的优点。
具有混合结构的漫射器可以例如布置在图3A和图3B的出射表面310上，并且可以选择区域A，使得光束304通过区域A。然后，混合结构可以至少部分地补偿可能由于例如在表面306处的折射而引起的色差。因此，可以进一步改善照明分布的质量。同时，如上所述，混合结构使得有可能避免在照明分布中出现零阶衍射。
因此，借助于折射漫射器和TIR反射器，可以提供具有期望照明分布的用于车辆的各种类型的照明设备(特别是前大灯，还有方向指示器、倒车灯、雾灯、刹车灯等)，这允许大设计自由度。

Claims (23)

1.一种照明设备(100)，包括：
空间延伸光源(110，200，302)，其具有大于0.5mm2的发光表面(230)，
非球面TIR透镜(120，300，301)，其被配置为准直来自所述空间延伸光源(110，200，302)的光，以及
折射漫射器(130，400)，其被配置为基于准直光生成照明分布(140，500)。
2.如权利要求1所述的照明设备(100)，其中所述折射漫射器(130，400)是消色差折射漫射器(400)。
3.如权利要求1或2所述的照明设备(100)，其中所述折射漫射器(130，400)被配置为接收具有残留发散的准直光，其中所述折射漫射器被配置为基于所述具有残留发散的准直光生成照明分布(140，500)。
4.如前述权利要求中的一项所述的照明设备(100)，其中所述消色差折射漫射器(400)具有光学漫射器表面(400)，该光学漫射器表面(400)被配置为基于所述准直光提供所述照明分布(140，500)，其中所述漫射器表面(400)是连续可微分的。
5.如权利要求4所述的照明设备(100)，其中所述漫射器表面(400)具有随机分布的结构(430，431)，该结构(430，431)具有凸形(430)和凹形(431)结构部分，其中所述结构部分具有15μm-500μm的横向尺寸。
6.如前述权利要求中的一项所述的照明设备(100)，其中照明分布(140，500)具有以下形状中的一种或多种：
对称形状、不对称形状、圆形形状、正方形形状、椭圆形形状。
7.如前述权利要求中的一项所述的照明设备(100)，其中照明分布(140，500)具有以下强度分布中的一种或多种：
均匀的强度分布、礼帽形的强度分布、高斯强度分布、超高斯强度分布。
8.如前述权利要求中的一项所述的照明设备(100)，其中非球面TIR透镜(120，300，301)不是旋转对称的，并且其中非球面TIR透镜(120，300，301)位于从所述空间延伸光源(110，200，302)的中心点(M)开始的实心角范围内，其中该实心角范围基本上包括围绕所述空间延伸光源(110，200，302)的半空间。
9.如前述权利要求中的一项所述的照明设备(100)，其中所述空间延伸光源(110，200，302)具有包括在第一方向(R1)上的第一长度(L1)和在不同于第一方向(R1)的第二方向(R2)上的第二长度(L2)的形状，其中所述第一长度(L1)大于所述第二长度(L2)。
10.如权利要求9所述的照明设备(100)，其中所述非球面TIR透镜(120，300，301)在第一方向(R1)上具有第一范围(D1)并在第二方向(R2)上具有第二范围(D2)，其中所述第一范围(D1)大于所述第二范围(D2)。
11.如权利要求9和10中的任一项所述的照明设备(100)，其中非球面TIR透镜(120，300，301)被配置为生成所述空间延伸光源(110，200，302)的基本上旋转对称的准直。
12.如前述权利要求中的一项所述的照明设备(100)，其中非球面TIR透镜(120，300，301)具有轴(350)、第一表面(306)、第二表面(307)、出射表面(310)和反射器表面(308)，其中：
所述轴(350)延伸通过所述空间延伸光源(110，200，302)，
所述出射表面(310)是平面的并且垂直于所述轴(350)延伸，其中所述出射表面(310)提供准直光，
所述第一表面(306)具有双非球面形状并且与所述轴(350)相交，
所述第二表面(307)具有自由形式并且不与所述轴(350)相交，并且
其中所述反射器表面(308)具有抛物面形状。
13.如权利要求12所述的照明设备(100)，其中非球面TIR透镜(120，300，301)包括在第一表面(306)和第二表面(307)之间的接合区域(309)，其中所述接合区域(309)具有不低于生产半径的表面形状并且以以下方式来设计：来自所述空间延伸光源(110，200，302)的通过接合区域的光分量以光分量基本上不影响照明分布的方式被偏转。
14.如权利要求13所述的照明设备(100)，其中至少70％比例的光分量被指向所述出射表面(310)的方向，而不指向所述反射器表面(308)。
15.如权利要求14所述的照明设备(100)，其中所述比例大于95％。
16.如权利要求12-15中的一项所述的照明设备(100)，其中所述第二表面(307)的自由形式借助于Q多项式来定义。
17.如前述权利要求中的一项所述的照明设备，其中所述折射漫射器包括至少一个包含混合结构(630)的区域，其中所述混合结构(630)包括所述消色差折射漫射器(400，610)与全局衍射结构(620)的组合。
18.如权利要求17所述的照明设备，其中所述全局衍射结构(620)包括菲涅耳透镜(621)。
19.如权利要求12和17或12和18所述的照明设备，其中所述至少一个区域填充第一表面(306)和/或第二表面(307)到所述折射漫射器(130，400)上的投影的至少一部分。
20.如前述权利要求中的一项所述的照明设备(100)，其中非球面TIR透镜(120，300，301)和折射漫射器(130，400)作为一个组件一件式形成。
21.如权利要求20所述的照明设备(100)，其中所述折射漫射器(130，400)与非球面TIR透镜(120，300，301)的出射表面(310)一件式形成。
22.如前述权利要求中的一项所述的照明设备(100)，其中非球面TIR透镜(120，300，301)和/或所述折射漫射器(130，400)是通过注射成型方法生产的。
23.如前述权利要求中的一项所述的照明设备(100)，其中所述照明设备(100)被实施为用于车辆的照明设备。
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