CN113227868A - 具有改进的稳定性的光学布置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光学布置（10），其包括布置在支撑表面（18）上的LED照明元件（20）。光轴（X）从支撑表面（18）延伸。第一准直器单元（22）包括至少一个支撑元件（38）和第一准直器元件（40）。支撑元件（38）被支撑在支撑表面（18）上，位于LED照明元件（20）的至少两个之间。第一准直器元件（40）沿光轴X的方向布置在LED照明元件（20）的前面，以准直从LED照明元件（20）发射的光。第二准直器单元（24）沿光轴（X）的方向布置在第一准直器单元（22）的前面。第二准直器单元（24）包括布置在第一准直器元件（40）前面以准直从其发射的光的第二准直器元件（50）。

Description

具有改进的稳定性的光学布置
技术领域
本发明涉及一种包括LED照明元件的光学布置，以及涉及一种车辆前照明组件。
背景技术
具有LED照明元件的光学布置可用于不同的照明应用。在一些已知的光学布置中，从单独的LED照明元件发出的光被光学元件塑形，以获得具有期望特性的发射光束。对于多个LED照明元件，特别是如果它们是单独可控的，则可以提供多个单独的光学元件用于光束整形。
WO 2018/065278 A1描述了一种照明布置，其中，多个LED照明元件布置在一个支撑构件上。光学元件沿光轴与LED照明元件隔开布置。该光学元件由多个TIR准直器和一个透镜部构成，这些准直器被布置成接收来自LED照明元件的光，透镜部用来将光作为整形的照明光束发射到光轴的方向。提供一个保持器，以将光学元件保持在期望位置。在一个实施例中，LED照明元件形成一个矩阵，其可用于机动车前部照明，特别是用于自适应驾驶照明。
提供一种易于以高精度制造并具有稳定的结构的光学布置和车辆前照明组件可以被认为是一个目标。
这个目标可以通过根据权利要求1的光学布置和根据权利要求14的车辆前照明组件来实现。从属权利要求涉及到优选的实施例。
本发明人已经考虑了LED照明元件和布置在它们前面以形成发射光束的光学元件的相对放置的影响。作为优选的材料，比如硅酮，具有高的热膨胀系数，温度变化可能会导致显著的变形。如果光学元件（如准直器）和LED照明元件的相对定位发生变化，特别是如果LED照明元件和光学元件之间的间隙宽度发生变化，那么光学性能可能会发生显著变化。例如，本发明人已经发现，LED照明元件表面的顶部与对应的准直器光输入表面之间的距离中仅100 µm的变化，可能导致光通量减少20%或更多。
在考虑如何形成稳定的布置时，本发明人确定，支撑元件可以有利地被布置，特别是如果各个光学元件之间保持足够的侧向距离的话。然而，这样的侧向距离对于形成发射光束是不期望的。因此，本发明人提出一种布置，其中，包括支撑元件的第一准直器单元被布置在LED照明元件的前面，并且第二准直器单元被布置在第一准直器单元的前面。
在根据本发明的光学布置中，LED照明元件被布置在一个支撑表面上。该支撑表面优选为平面。
术语“LED照明元件”在这里用来指任何类型的固态照明元件，包括发光二极管、有机发光二极管（OLED）、激光二极管等。LED照明元件可以是封装好的LED，但优选为LED裸芯，其可以热和/或电接触到支撑表面，该支撑表面可以是例如印刷电路板（PCB）。LED照明元件优选具有作为朗伯发射器（Lambertian emitter）的平面的光发射表面。
原理上，LED照明元件可以以任何布置和配置设置在支撑表面上。优选的是，LED照明元件的发光表面可以布置成与支撑表面平行。LED照明元件可以是例如矩形的，特别是方形的。它们优选彼此间隔地布置，特别是有规律地间隔地布置，即以相等的距离。特别优选的是，将LED照明元件以矩阵配置进行布置，即至少两行和至少两列。
光轴可以被限定成：从支撑表面延伸，优选延伸到从LED照明元件发射的光的中心方向。这里对光轴的参考是用来限定LED照明元件和进一步的光学元件的相对布置。特别是，光轴可以垂直地从LED照明元件和/或从支撑表面延伸。如技术人员所认识到的那样，可以为LED照明元件中的每一个限定不同的光轴。这些光轴优选布置成至少大致平行。
根据本发明，第一准直器单元沿光轴方向布置在LED照明元件的前面。该准直器单元包括第一准直器元件。术语“准直器”和“准直器元件”在此用于指示这样的光学元件，即：这些光学元件被设置成与在光输入部接收的光相比，减小从光输出部发射的光的开口角。例如，准直器可以包括反射表面，这些反射表面被布置成围绕光轴和/或一个或多个透镜。下面将进一步讨论根据各种实施例的准直器元件的可能的形状和配置。
第一准直器元件被布置在LED照明元件的前面，以准直从其发射的光。术语“在……的前面”应理解为指的是光轴，即，表示从LED照明元件发射的光被第一准直器元件接收。在优选的实施例中，第一准直器元件可包括与对应的LED照明元件的光发射表面平行布置的平面的光输入部。优选地，第一准直器元件被布置在各LED照明元件的前面，使得从LED照明元件发射的光优选在没有损失或损失最小的情况下被发射到第一准直器元件中。
此外，第一准直器单元优选包括至少一个，优选多个支撑元件。支撑元件被直接或间接（即，可以有其他元件介入）地支撑在LED照明元件的至少两个之间的支撑表面上。
通过这种支撑，具有其第一准直器元件的第一准直器单元相对于支撑表面，以及由此相对于LED照明元件，可以保持在固定位置。特别是，这允许保持准直器元件相对于各LED照明元件的恒定位置，例如，处在一个小的距离，甚至在温度变化或外力的影响下。
根据本发明，光学布置进一步包括沿光轴方向布置在第一准直器单元前面的至少一个第二准直器单元。第二准直器单元包括第二准直器元件。优选地，对于第一准直器单元的每一个第一准直器元件，第二准直器单元包括布置在它前面的第二准直器元件。
通过第一和第二准直器元件对从LED照明元件发射的光进行准直，可以获得良好的光学性能。
根据一个优选实施例，至少两个相邻的第一准直器元件布置成比两个相邻的第二准直器元件在相对于光轴的横向方向上处于更大的距离。由于准直器元件优选具有沿光轴增加的横向的宽度，所指的距离可以被测量为最小的距离，即在每个准直器元件的离LED照明元件最远的轴向端处。在一个特别优选的实施例中，两个相邻的第二准直器元件之间的距离小于两个相邻的第二准直器元件之间的距离的50%，优选小于30%。
根据一个优选的实施例，第一准直器单元可以包括与支撑表面间隔布置的，优选与其平行的连接部。该连接部可以是一个平面部分。第一准直器元件和支撑元件可通过连接部连接，以提供机械连接。在一个特别优选的实施例中，连接部、第一准直器元件和（多个）支撑元件可以形成为一体。连接部优选具有对应于小于第一准直器单元高度的50%的高度，进一步优选的是对应于小于第一准直器单元高度的30%或更小的高度（高度是在光轴方向上测量的）。通过减小连接部的高度，减少了LED照明元件与第一和第二准直器元件之间的光学串扰。例如，连接部的高度可以被限制为4 mm或更小，特别优选3 mm或更小。
在一个优选实施例中，第一准直器单元包括被支撑在LED照明元件之间的支撑表面上的多个支撑元件。支撑元件可以具有适合于提供第一准直器单元在支撑表面上的稳定支撑，即承载在光轴方向上作用的力，的任何厚度和形状。例如，支撑元件可以成形为单独的柱，如截头锥体、截头金字塔体、具有圆形、矩形或其他截面的柱体之类的形状，或者任何其他形状。在一个实施例中，（多个）支撑元件可以是伸长形状。例如，（多个）支撑元件可以成形为在两边分开第一准直器元件的壁。伸长形状的支撑元件可以例如在光轴的横向方向上和/或平行于支撑表面延伸，例如延伸对应于相邻的LED照明元件之间的至少一个距离的长度，优选两个或多个这样的距离的长度。优选地，（多个）支撑元件可以具有对应于两个LED照明元件之间的距离的至少10%的宽度，进一步优选为其20%，其中支撑元件被支撑在位于该两个LED照明元件之间的支撑表面上。
在一个优选实施例中，第一准直器元件可以与LED照明元件隔开布置，以便保持间隙。该间隙例如可以是1000 µm或更小，但优选更小，例如低于400 µm，优选低于200 µm，进一步优选100 µm或更小。通过支持元件，特别有利于保持这样小的距离。
第一和/或第二准直器元件可以是实心透明体，其可以作为TIR（全内反射）准直器。特别优选的是，将第一和/或第二准直器元件形成为至少部分透明材料（例如硅酮）的实心体。准直器元件优选具有这样的形状：（横向于光轴测量的）宽度从设置在光轴上面向LED照明元件的光输入部到设置在其相反侧上的光输出部增加。截头的金字塔或锥体是优选的形状。在替代的实施例中，第一和/或第二准直器元件也可以是透镜，其将入射光聚焦成朝向光轴更加靠近，从而减小开口角。
在优选实施例中，第一准直器单元的支撑元件和第一准直器元件可形成为一体。同样，第二准直器单元的第二准直器元件也可形成为一体。然而，优选的是，提供由不同于第一准直器元件的材料的材料制成的第二准直器元件。虽然第一准直器元件被布置成靠近LED照明元件，并且因此需要高的热稳定性，但是第二准直器元件被布置成与其间隔，因而具有较小的热负荷。因此，第二准直器元件的材料可以具有比第一准直器元件的材料更低的热稳定性。
第一和/或第二准直器元件的高度，在光轴方向上测量，对于不同的实施例可以有所不同。优选地，第二准直器元件的高度可以是第一准直器元件的高度的50%至200%。进一步优选地，第二准直器元件的高度可以是第一准直器元件的高度的60%-140%，特别优选地，第一和第二准直器元件至少具有大致相同的高度。
第一和第二准直器单元可以在光轴方向上直接布置在彼此的顶部上。在一个优选实施例中，第一和第二准直器单元之间可以提供间隙。该间隙优选在基本温度为20°C时存在，在更高的温度下可以由于热膨胀而关闭，使得第一和第二准直器单元于是就被布置成处于直接接触。
上述光学布置尤其可用于车辆前照明组件。前照明光束可以被发射到光轴方向。可以提供另外的光学元件，如一个或多个投影透镜。如果LED照明元件是单独可控制的，则可通过对LED照明元件的对应控制来选择光束特性。
本发明的这些和其他方面从下文描述的实施例将是明显的，并且将参照下文描述的实施例进行阐述。
附图说明
图1显示了根据本发明的第一实施例的光学布置的透视图；
图2a显示了沿图1中的线A-A的剖视图；
图2b显示了沿图1中的线B-B的剖视图；
图3显示了图1、2a、2b的光学布置的透视分解图；
图4显示了图2a的剖视图的放大部分；
图5显示了根据图1-4的照明布置的第一准直器单元的底视图；
图6a、6b、6c显示了替代性实施例的剖视图；
图7显示了一个光学布置的对比示例的剖视图。
具体实施方式
如图1所示，根据第一实施例的光学布置10包括框架12和保持器14，保持器14包括保持器上部14a和安装在印刷电路板PCB 18的支撑表面上的保持器下部14b。在光学布置10的顶部上设置有平面的光束发射表面16，其由框架12界定。光轴X在垂直于光束发射表面16的光发射方向上延伸。
如图3所示，LED 20以矩阵配置的形式布置在PCB 18上，在所示的示例中，其包括在行和列中等间隔的5×8个LED。每个LED都是方形的，并且具有沿光轴X的方向朝向的平面的光发射表面。LED是单独可操作的，即可以相互独立地开启和关闭。
第一准直器单元22和第二准直器单元24沿光轴X的方向布置在LED 20的前面，第一和第二准直器单元22、24均是由透明材料一体形成的实心体。
第一准直器单元22有一个板状的连接部26。保持器下部14b通过形状配合元件被安装至PCB 18，并被布置成通过将连接部26的边缘接到槽28中来保持和支撑第一准直器单元22。
第二准直器单元24也有一个板状的连接部30。上保持器14a通过形状配合元件安装在下保持器14b上，并且被布置成通过将连接部30的边缘安置在槽32中来保持和支撑第二准直器单元24。
框架12是金属框架，其覆盖保持器14，同时留下光束发射表面16未覆盖。框架12通过形状配合元件安装至保持器14。
根据第一实施例的第一和第二准直器单元22、24的布置在图2a、2b和4的剖视图中被显示。如图所示，光束发射面16并非完全是平面的，而是包括透镜布置34，其中多个单独的透镜36连接在一起，这在图1和图3中没有显示。
第一准直器单元22包括从连接部26延伸的支撑元件38和第一准直器元件40。支撑元件38比第一准直器元件40略长，使得支撑元件38安置在支撑表面18上，而LED 20和第一准直器元件40之间保持间隙42。
如图4所示，第一准直器元件40各自具有光输入部44和光输出部46，光输入部44是一个平面，光输出部分46是第一准直器元件40连接到连接部26的平面。第一准直器元件40被成形为使得它们在横向上（即垂直于光轴X）的宽度沿光轴X随着与LED 20的距离增加而增加，使得光输出部46比光输入部44具有更大的横向延伸。
第一准直器元件40为截头金字塔形状，其侧表面48围绕光轴X。特别是从图5可见，光输入部44和光输出部46为方形。光输出部46的宽度w2大约是光输入部44的宽度w1的三倍。
由透明材料制成，优选是硅酮，的准直器元件40是TIR（全内反射）准直器。它们的侧表面48反射在光输入部44接收并且在准直器元件40内引导的光，使在光输出部46发射的光的开口角小于在光输入部44进入第一准直器元件40的从LED 20发射的光的开口角。
第一准直器元件40的光输入部44在LED 20前面的相对布置由支撑元件38来保持稳定。光输入部44的表面具有与LED 20相同的形状和宽度W1，并且被布置成与其平行且被小于100 µm的小气隙42分开。
特别是从图5中可见，支撑元件38的形状是矩形的、伸长的长方体，其在第一准直器元件40的行之间延伸。LED 20在PCB 18上以一定的距离D布置。支撑元件38的宽度ws约为距离D的三分之一。
第二准直器元件50的形状也是随着与LED 20的距离增加而变宽，特别是截头金字塔形，并作为TIR反射器使用。它们被布置成通过气隙52与第一准直器单元的连接部分开。
对于每个LED 20，提供沿光轴X布置的一个第一准直器元件40和一个第二准直器元件50。因此，光学布置10包括LED 20、准直器元件40、50和透镜元件36的多个单独的光学布置，以产生、形成、准直以及投射单独的光束，在示例中布置成5×8的矩阵。
由于小的间隙42，从LED 20发射的光在第一准直器元件40的光输入部44处以高的效率，即光通量损失最小，被耦合到第一准直器元件40中。光在第一准直器元件40内传播，具有高开口角的光线部分通过在侧表面48处的反射被准直。来自第一准直器元件40的光在光输出部46处进入连接部26，并且在连接部26的顶部再次被发射。穿过间隙52，发射的光被耦合到第二准直器元件50中，并且在其中传播到连接部30，以便在光束发射表面16处被发射。所得到的光束由透镜布置34投射。
第一准直器元件40的高度H1和第二准直器元件50的高度H2略有不同；在所示的示例中，H2为H1的约80%。第一准直器单元22的连接部26的厚度T1比第二准直器单元24的连接部30的厚度T2略小。与第一和第二准直器元件40、50的高度H1、H2相比，连接部26、30的厚度T1、T2较小，以减少光学串扰，即光在连接部26、30内沿横向的传播。
被支撑元件38分隔开的两个相邻的第一准直器元件40之间的（最小）距离d4明显大于两个相邻的第二准直器元件50之间的（最小）距离d3。这为支撑元件38在相邻的第一准直器元件40之间的布置留下了足够的空间，同时避免了第二准直器元件50之间的较大间隙，使得光束发射表面16可以完全或几乎完全被照亮。
因此，在光束发射表面发射的光的光束（并由透镜布置34投射）由准直的单独光束的矩阵构成，这些单独的光束可以通过对LED 20的对应操作被单独开启或关闭。投射的光束例如可作为机动车的前照明光束使用。通过选择性地打开或关闭光束的一部分，可以实现选择性驱动光束的功能。
虽然这样的矩阵光束在原理上也可以通过根据图7所示的对比示例的光学布置110来实现，其只包括具有单独的准直器元件140的单个准直器单元122，但是光学布置10在外力和温度变化方面都提供了更好的稳定性。在根据对比示例的光学布置110中，准直器单元122和PCB 18上的LED 20之间的确切间隙可能难以保持，特别是如果操作中产生的热量导致准直器单元122的材料膨胀的话。在光学布置10中，第一准直器元件40的位置由支撑元件38和通过连接部26与其的连接来保持稳定，即使在温度显著变化时也是如此。
虽然第一准直器单元22具有由LED 20的操作导致的高热负荷，并且因此优选由作为高温稳定性的透明材料的硅酮制成，但是第二准直器单元24由于与LED 20产生的热量隔开，将具有较低的热负荷，因此可以由温度稳定性较低的材料制成，例如PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）、PC（聚碳酸酯）、PP（聚丙烯）、硼硅酸盐玻璃、PS（聚苯乙烯）或玻璃。
如果第一和/或第二准直器单元22、24在温度升高的影响下膨胀，则它们之间的间隙52可以闭合，从而使它们直接接触。
图6a、6b、6c显示了替代性实施例的示例。替代性实施例在大多数细节上与上述第一实施例对应。相同的部件由相同的附图标记指示。在下文中，只有差异将被进一步讨论。
在图6a、6b、6c的替代性实施例中，提供了具有不同形状的第二准直器元件150、250、350的第二准直器单元124、224、324。第二准直器元件150、250、350被成形为不同形状的透镜。透镜150、250、350还对从第一准直器单元22接收的光进行准直。
虽然本发明已在附图和前述描述中被例示和描述，但这样的例示和描述应被认为是说明性或示范性的，而不是限制性的；本发明不局限于所公开的实施例。
例如，LED 20的数量和相对布置以及第一和第二准直器单元22、24和准直器元件40、50的所描述的形状和尺寸可以进行不同的选择。例如，虽然小的间隙42是优选的，但是第一准直器元件40的光输入部44可以被布置成相对于LED 20具有更大距离，这为大公差提供了安全系数，但代价是效率较低。
在替代性实施例中，第一和/或第二准直器元件并不需要必须是TIR反射器，而是每个准直器元件可以替代地是透镜或多个透镜的布置。
通过对附图、公开内容和从属权利要求的研究，本领域的技术人员在实施所要求保护的发明时可以理解并实现对所公开的实施例的更多变型。在权利要求中，措词“包括”并不排除其他元件和步骤，而且措词“一”或“一个”等并不排除多个。仅仅在相互不同的从属权利要求或不同的实施例中阐述了某些措施的情况，并不表明这些措施的组合不能被用来发挥优势。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

Claims (13)

1.一种光学布置，包括：
布置在支撑表面（18）上的LED照明元件（20），光轴（X）从所述支撑表面面（18）延伸；
第一准直器单元（22），其包括第一准直器元件（40）并且被支撑在所述支撑表面（18）上，所述第一准直器元件（40）沿所述光轴（X）的方向布置在所述LED照明元件（20）的前面，以便对从所述LED照明元件（20）的发射进行准直；
保持器，其被安装在所述支撑表面（18）上，并且被布置成保持所述第一准直器单元（22）；以及
第二准直器单元（24），其沿所述光轴（X）的方向布置在所述第一准直器单元（22）的前面，所述第二准直器单元（24）包括布置在所述第一准直器单元（40）前面以便对从其发射的光进行准直的第二准直器元件（50）；
其中，所述第一准直器单元（22）包括被支撑在所述支撑表面(18)上且位于所述LED照明元件（20）的至少两个之间的至少一个支撑元件（38）。
2.根据权利要求1所述的光学布置，其中，至少两个相邻的第一准直器元件（40）以大于两个相邻的第二准直器元件（50）之间的距离（d3）的距离（d4）来布置。
3.根据上述权利要求之一所述的光学布置，其中，所述第一准直器单元（22）包括连接部（22），所述第一准直器元件（40）和所述支撑元件（38）连接到所述连接部（26）。
4.根据上述权利要求之一所述的光学布置，其中，所述第一准直器单元（22）包括支撑在所述支撑表面（18）上且位于所述LED照明元件（20）之间的多个支撑元件（38）。
5.根据上述权利要求之一所述的光学布置，其中，所述第一准直器元件（40）与所述LED照明元件（20）间隔布置。
6.根据上述权利要求之一所述的光学布置，其中，所述第二准直器单元（24）的第二准直器元件（50）是一体形成的。
7.根据上述权利要求之一所述的光学布置，其中，所述第二准直器元件（50）由不同于所述第一准直器元件（40）的材料的材料制成。
8.根据上述权利要求之一所述的光学布置，其中，所述第一和/或第二准直器元件（40,50）是形状为截头金字塔或截头圆锥的实心透明体。
9.根据上述权利要求之一所述的光学布置，其中，所述第二准直器元件（50）的高度（H2）是所述第一准直器元件（40）的高度（H1）的50％至200％。
10.根据上述权利要求之一的光学布置，其中，所述LED照明元件（20）以矩阵配置的形式布置在所述支撑表面（18）上。
11.根据上述权利要求之一所述的光学布置，其中，所述支撑元件（38）的宽度（wS）为它被支撑在所述支撑表面（18）上的所述LED照明元件（20）之间的距离（D）的至少10%。
12.根据上述权利要求之一所述的光学布置，其中，在所述第一和第二准直器单元（21,24）之间提供沿所述光轴（X）的方向延伸的间隙（52）。
13.一种车辆前照明组件，其包括根据上述权利要求之一所述的光学布置（10）。
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