CN113853498A

CN113853498A - 基于激光的照明设备和具有这种基于激光的照明设备的车辆前照灯

Info

Publication number: CN113853498A
Application number: CN201980092325.8A
Authority: CN
Inventors: S·措斯戈尼克
Original assignee: Lumileds LLC
Current assignee: Lumileds LLC
Priority date: 2018-12-17
Filing date: 2019-12-05
Publication date: 2021-12-28
Also published as: US11047544B2; US20200191352A1; EP3899356A1; WO2020126524A1

Abstract

一种照明设备，至少包括：激光器（1），发射第一波长的光的激光束（6）；波长转换构件（5），将第一波长的光的至少一部分转换成第二波长的光；扫描单元（4），适于扫描跨波长转换构件（5）的激光束（6）；和成像光学器件（2），经由扫描单元（4）将激光器（1）的发光面成像到波长转换构件（5）上。在所提出的设备中，激光束（6）经由在反射构件（3）处的反射被引导至波长转换构件（5）。反射构件（3）包括至少第一和第二反射元件（8，9）的组合，其中第一和第二反射元件（8，9）被形成和布置成使得激光器（1）的发光面经由第一反射元件（8）被成像为波长转换构件（5）上的镜像反转图像，并且经由第二反射元件（9）被成像为非镜像反转图像，两个图像都被叠加在波长转换构件（5）上。由于这个反射构件，在不扩大图像的情况下减小了波长转换构件上的发光面的图像的强度波动。

Description

基于激光的照明设备和具有这种基于激光的照明设备的车辆前照灯

技术领域

本发明涉及一种基于激光的照明设备，至少包括：激光器，发射第一波长或第一波长范围的光；波长转换构件，将第一波长或第一波长范围的光的至少一部分转换成第二波长或第二波长范围的光；扫描单元，适于扫描跨波长转换构件的所述激光器的激光束，以便生成至少由第二波长或第二波长范围的光形成的照明图案；和成像光学器件，经由所述扫描单元将激光器的发光面成像到波长转换构件上。本发明还涉及一种适用于所述照明设备的反射构件，以及一种将激光器的发射面成像到成像平面的方法，所述方法在所述照明设备中使用。进一步，本发明涉及一种具有本发明的基于激光的照明设备的车辆前照灯。

这种前照灯可以用作车辆的自适应前照灯，以取决于情形动态地适配道路的照明。

背景技术

自适应前照灯因其清楚的益处而越来越多地在汽车领域中使用。这些头灯能够动态地改变或适配车辆前方、特别是在远场中的光分布，使得提供最佳的可能照明而不影响其他道路使用者。例如，如果迎面而来的车出现，则自适应前照灯可以在车的某个位置处生成黑暗部分，同时仍然保持道路其余部分的完全照明。

为了实现这种动态改变的照明，自适应前照灯提供扫描波长转换构件的一个或若干激光器，该波长转换构件将激光的波长转换成适合于期望照明的波长范围。通常，激光的原始波长或波长范围和生成的第二波长范围的组合导致用于道路照明的亮白光。也有可能通过转换直接生成白光。通过适当控制激光束跨波长转换构件的扫描，可以生成不同的照明图案。这些照明图案然后由适当的成像光学器件成像到远场。在DE 102010028949 A1中描述了这种自适应前照灯的示例。

通常，波长转换构件的扫描通过将激光器、特别是激光二极管的发射面经由扫描单元成像到转换器上来执行，以便实现在转换器之上扫描的激光光斑的最小大小。为了在远场中实现清晰界定的照明图案，小光斑大小是必要的。通常使用的激光二极管包括细长的发射面，其图像在垂直于其纵轴的方向上在转换器之上扫描。由于基于高功率激光二极管的多模特性的近场强度波动，强度变化沿着成像发射面的纵向延伸发生。当激光光斑在转换器之上扫描时，这种强度变化可能在若干秒或若干分钟的时间尺度上发生，引起条纹图案。在光束路径中使用适当的均化器来均化强度变化是可能的，但是导致激光光斑的不期望的扩大。

发明内容

本发明的目的是提供一种照明设备和一种用于具有这种照明设备的车辆的自适应前照灯，其中在不扩大激光光斑的情况下，减小了在转换器之上扫描的激光光斑的强度变化。

所提出的照明设备至少包括发射第一波长或第一波长范围的光的激光束的至少一个激光器、波长转换构件（也称为转换器）、扫描单元和成像光学器件，该成像光学器件将至少一个激光器的发光面经由扫描单元成像到波长转换构件上。波长转换构件被设计成将第一波长或第一波长范围的光的至少一部分转换成第二波长或第二波长范围的光。扫描单元适于扫描跨波长转换构件的激光束，以生成至少由第二波长或第二波长范围的光形成的照明图案。在所提出的照明设备中，激光束经由在反射构件处的反射被引导至波长转换构件。反射构件包括至少第一和第二反射元件的组合。第一和第二反射元件被形成和布置成使得所述至少一个激光器的发光面经由第一反射元件被成像为波长转换构件上的镜像反转图像，并且经由第二反射元件被成像为非镜像反转图像，两个图像都被叠加在波长转换构件上。这可以例如通过形成作为第一反射元件的至少一个镜面、和作为第二反射元件的至少一个棱镜结构的组合的反射构件的反射区域来实现，该至少一个棱镜结构使用两个反射面来反射。棱镜结构因此在一个维度上形成回射元件，例如相对于反射区域的x和y延伸在x或在y方向上。第一和第二反射元件并排布置，使得两个元件都有助于激光束的反射。

照明设备还可以包括适于将在转换器上形成的照明图案成像到远场的第二成像光学器件。

利用所提出的设备和基础方法，发射面的图像与发射面的镜像图像叠加在转换器上。因此，在所得图像中，与发射面的简单图像相比，发射面之上的强度变化减少了。因此，所提出的设备实现了强度变化的减小，而不扩大由扫描单元在波长转换构件之上扫描的（由成像的发射面形成的）激光光斑的光斑大小。

通过在反射构件的反射区域上使用多个所述第一和第二反射元件而使得所述第一和第二元件中的若干有助于激光束的反射，进一步改善了这种强度变化或波动的减少。优选地，第一和第二反射元件的尺寸被确定成使得每个所述元件中的至少十个有助于激光束的反射。第一和第二元件优选地布置成使得第一和第二反射元件在反射构件的反射区域上沿着一个方向交替。

在优选实施例中，棱镜结构包括彼此成90°角定向的两个反射面，类似于矩形棱镜的情形，即具有直角三角形作为基底的棱镜。

这种照明设备的反射构件可以由玻璃或聚合物衬底形成，其中在距彼此一定距离处形成适当的棱镜结构。棱镜结构之间的这个衬底的表面形成镜面（第一反射元件），并且为此例如可以涂覆有反射层。如果有必要实现所期望的反射程度，则适当的反射涂层也可以涂敷于棱镜结构的侧面。这种反射构件可以例如被模制或铸造。另一种技术是通过蚀刻技术或通过激光烧蚀在衬底的表面中形成棱镜结构。

在另一个实施例中，反射构件可以由三角形90°棱镜形成，其中此棱镜的斜边的内表面由于全内反射而用作镜面。适当的棱镜结构在这个斜边处距彼此一定距离处形成，例如通过蚀刻或激光烧蚀从斜边形成这些结构、或者通过将这些结构附接到斜边的外表面。棱镜结构之间的斜边的内表面然后形成镜面（第一反射元件）。

反射构件优选地布置在激光器和扫描单元之间的光束路径中。然而，使用具有被设计作为反射构件的扫描镜的扫描单元也可以是可能的。

激光器优选由激光二极管、或者激光二极管的堆叠或条形成。波长转换构件可以是反射或透射构件，并且可以由例如铈掺杂的钇铝石榴石（YAG）的陶瓷板形成。扫描单元可以由双轴可移动反射镜、例如MEMS反射镜形成。

所提出的照明设备优选在汽车领域中的基于激光的高分辨率自适应前照灯内使用，但是也可以用于需要类似自适应照明行为的其他应用。这同样适用于反射构件和所提出的方法，其也可以用于激光成像的其他应用。

附图说明

下面结合附图通过示例的方式描述本发明。这些图示出:

图1是所提出的照明设备的示例的示意性草图；

图2是根据本发明的反射构件的示例性设计的截面视图；

图3是图2的反射构件在垂直于图2的截面平面的平面中的截面视图；

图4是图2和图3的反射构件的平面视图；以及

图5是以三个不同视图的根据本发明的反射构件的另外的示例性设计。

具体实施方式

所提出的照明设备包括至少一个激光器、激光扫描单元、波长转换构件、成像光学器件和反射构件。图1示出了这种照明设备的示例性示例，该照明设备可以在车辆的自适应前照灯内使用。该图示出了激光器1发射蓝色波长范围内的激光束6。激光束6被引导至扫描器4，该扫描器4扫描跨波长转换构件5的激光束6，以生成黄色波长范围内的转换光的照明图案。扫描单元4由控制单元控制，以用激光光斑扫描波长转换构件5的转换层，来生成期望的图案。然后用第二成像光学器件7将照明图案投影到远场。此示例中的波长转换构件5由包含波长转换材料（如磷光体）的光学透明陶瓷板形成。在波长转换构件5之上扫描的激光光斑由成像光学器件2形成，该成像光学器件2将激光器1的发射面经由扫描单元4成像到波长转换构件5。在本发明中，由激光器1发射的激光束6通过在反射构件3处的反射经由扫描单元4被引导至波长转换构件5。这个反射构件3可以在图1中标识。根据本发明，这个反射构件3具有其反射区域的特殊设计，使得反射区域生成精确叠加在波长转换构件5上的镜像反转图像和非镜像反转图像。

图2示出了这种反射构件3的示例性设计。该图示出了穿过反射构件3的反射区域的一部分的截面视图。如从图2可以看出，在这个截面视图中，平面镜区域8与反射区域中的棱镜结构9交替。棱镜结构9包括两个彼此垂直定向的反射面，类似于矩形棱镜中的情形。因此，两个不同的成像路径与这种反射构件组合。使用通过90°棱镜结构的成像路径代替平面镜的成像路径，图像沿着棱镜的顶部边缘的轴被镜像。这导致非镜像反转图像。另一方面，平面镜上的反射导致镜像反转图像。因此，利用这种反射构件3，产生两个图像——一个是镜像的，一个不是——并且叠加在波长转换构件5上的同一光斑上。如果强度波动不是严格对称的，则它将随着这种效应而减小。然后，剩余的波动在反射元件3处反射后将严格对称。优选地，代替一个棱镜，其间具有平面镜区域8的小棱镜或棱镜结构9的阵列被用于实现相同的效应。该图还示出了激光束6的三个示例性反射路径，一个在平面镜区域8处反射，并且另两个在棱镜结构9处反射。从这个视角来看，由于棱镜结构9，反射构件3具有回射行为，使得构件3相对于在这个视角中可见的尺寸应该垂直于或接近垂直于射入的激光束6而定向。

图3示出了这个反射构件3在垂直于图2平面的截面平面中的截面视图。如从此图中可以看出，在这种垂直视角中可见的尺寸上的反射不是回射的，使得反射构件3可以布置在激光束内，例如如图1所指示。

图4示出了图2和图3的反射构件3的平面视图，其中可以清楚地识别交替的棱镜结构9和平面镜区域8。

图5以三个不同的视图示出了根据本发明的反射构件的另外的示例性设计。在此示例中，反射构件由三角形90°棱镜10形成。这个棱镜10的斜边11的内表面用作反射面。入射激光束6通过全内反射在这个表面处被反射，如图5B)中示意性所示。通过形成或应用斜边11的棱镜结构或者将棱镜结构形成或应用到斜边11（如已经在图2至图4中描述的棱镜结构），实现了交替的棱镜结构9和平面镜区域8（内反射区域）的结构。图5C)是棱镜10的斜边11上的平面视图，从该平面视图可以识别这个结构。图5A)示出了侧视图，其中在斜边11处只有棱镜结构9可见。

对于照明设备在汽车领域中的自适应前照灯内的应用，可以使用具有其典型尺寸在30至40微米范围内的发射面的激光二极管。转换器元件上这些发射面的图像通常扩大大约十倍，即具有若干100微米的尺寸。成像光学器件具有通常3至4 mm的直径，反射构件的反射面积然后包括若干mm²。在这个反射区域上，优选地，并排布置10和100个之间的第一和第二反射元件。这只是确定这种照明设备尺寸的示例。取决于应用和期望的强度波动的减少，也完全可以使用其他尺寸和数量的第一和第二反射元件。

虽然已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这种图示和描述要被认为是说明性的或示例性的、并且不是限制性的。本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、本公开、和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现对所公开实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中引用某些措施的纯粹事实不指示这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制本发明的范围。

附图标记的列表

1 激光器

2 成像光学器件

3 反射构件

4 扫描单元

5 波长转换构件

6 激光束

7 第二成像光学器件

8 平面镜区域

9 棱镜结构

10 三角形90°棱镜

11 斜边。

Claims

1.一种照明设备，至少包括

-至少一个激光器（1），发射第一波长或第一波长范围的光的激光束（6），

-波长转换构件（5），将第一波长或第一波长范围的光的至少一部分转换成第二波长或第二波长范围的光，

-扫描单元（4），适于扫描跨波长转换构件（5）的激光束（6），以便生成至少由第二波长或第二波长范围的光形成的照明图案，和

-成像光学器件（2），经由扫描单元（4）将至少一个激光器（1）的发光面成像到波长转换构件（5）上，

其中激光束（6）经由在反射构件（3）处的反射被引导至波长转换构件（5），所述反射构件（3）包括至少第一和第二反射元件（8，9）的组合，

其中所述第一和第二反射元件（8，9）被形成和布置成使得所述至少一个激光器（1）的发光面经由第一反射元件（8）被成像为波长转换构件（5）上的镜像反转图像，并且经由第二反射元件（9）被成像为非镜像反转图像，两个图像都被叠加在波长转换构件（5）上。

2.根据权利要求1所述的照明设备，

其中所述反射构件（3）包括作为所述第一反射元件（8）的至少一个平面镜面和作为第二反射元件（9）的使用两个反射面来反射的至少一个棱镜结构的组合，所述第一和第二反射元件（8，9）并排布置。

3.根据权利要求2所述的照明设备，

其中所述反射构件（3）由三角形90°棱镜（10）形成，所述至少一个平面镜面由棱镜（10）的斜边（11）的内表面形成，并且所述至少一个棱镜结构附接到棱镜（10）的斜边（11）的外表面或者由棱镜（10）的斜边（11）的外表面形成。

4.根据权利要求2或3所述的照明设备，

其中所述棱镜结构的所述两个反射面彼此成90°角定向。

5.根据权利要求1或2所述的照明设备，

其中所述反射构件（3）由多个所述第一和第二反射元件（8，9）形成，使得所述第一和第二反射元件（8，9）中的若干有助于激光束（6）的反射。

6.根据权利要求1或2所述的照明设备，

其中所述设备包括将所述照明图案成像到远场的第二成像光学器件（7）。

7.根据权利要求1或2所述的照明设备，

其中所述反射构件（3）布置在激光器（1）和扫描单元（4）之间。

8.根据权利要求1或2所述的照明设备，

其中所述反射构件（3）是扫描单元（4）的一部分。

9.根据权利要求1或2所述的照明设备，

其中所述激光器（1）由激光二极管、或者激光二极管的堆叠或条形成。

10.一种在根据权利要求1至9中的一项所述的照明设备中可使用的反射构件（3），所述反射构件（3）包括作为第一反射元件（8）的至少一个平面镜面和作为第二反射元件（9）的使用两个反射面来反射的至少一个棱镜结构的组合，所述第一和第二反射元件（8，9）并排布置。

11.根据权利要求10所述的反射构件（3），

其中所述反射构件（3）由三角形90°棱镜（10）形成，所述至少一个平面镜面由棱镜（10）的斜边（11）的内表面形成，并且所述至少一个棱镜结构附接到棱镜（10）的斜边（11）的外表面或由棱镜（10）的斜边（11）的外表面形成。

12.根据权利要求10或11所述的反射构件（3），

其中所述棱镜结构的所述两个反射面彼此成90°角定向。

13.根据权利要求10或11所述的反射构件（3），

其中所述反射构件（3）包括并排的多个所述第一和第二反射元件（8，9）。

14.一种减少激光器（1）的发光面的图像中的空间强度波动的方法，所述发光面由成像光学器件（2）成像到成像平面，其中由所述激光器（1）发射的激光束（6）经由在反射构件（3）处的反射被引导至成像平面，所述反射构件（3）包括至少第一和第二反射元件（8，9）的组合，其中所述第一和第二反射元件（8，9）被形成和布置成使得所述激光器（1）的发光面经由第一反射元件（8）被成像为成像平面上的镜像反转图像，并且经由第二反射元件（9）被成像为非镜像反转图像，两个图像被叠加在成像平面上。

15.一种用于车辆的前照灯，包括根据权利要求1至9中任一项所述的照明设备。