JP2016507135A - 自動車用ヘッドライト及び光分布生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ヘッドライトにおいて、構造を高度に複雑にすることなく、水平方向の解像度を改善する。【解決手段】車道上における自動車用ヘッドライトによる所定の光分布を生成する方法において、少なくとも１つの変調レーザビームが揺動可能なマイクロミラーによって光変換手段に偏向され、光変換手段において生成される光像が車道上に投影され、所定のビーム横断面を有する少なくとも２つのレーザ光源のレーザビームが光変換手段において並べられる少なくとも２つの光バンドを生成するための１つの軸の周りで揺動するマイクロミラーによって光変換手段に偏向される。【選択図】図１

Description

本発明は、車道上における自動車（ＫＦＺ）ヘッドライトによる所定の光分布（配光）を生成する方法に関し、とりわけ、少なくとも１つの変調レーザビームが揺動可能なマイクロミラーによって光変換手段に偏向され、光変換手段において生成される光像が車道上に投影される、方法に関する。

更に、本発明は、自動車用ヘッドライトに関し、とりわけ、そのレーザビームがミラー制御装置によって制御される揺動可能なマイクロミラーによって光変換手段に偏向される少なくとも１つの変調可能なレーザ光源と、光変換手段において生成される光像を車道上に投影するための投影システムを有するヘッドライトに関する。

自動車におけるレーザ光源の使用は、現在、重要性を増している。というのは、例えば、レーザダイオードのサイズは通常の発光ダイオードと比べるとより小さいため、よりフレキシブルかつより効率的な組込みが可能になり、更に、光線束（光ビーム）の光密度及び光産量（Lichtausbeute）を著しく増大することができるからである。

しかしながら、既知の方策では、大きな出力を有する著しく集束されたレーザビームによる人間その他の生物の眼に対する危険を回避するために、レーザビームの直接的な放出は行われていない。レーザビームは、寧ろ、ルミネセンス変換材料、略して「蛍光物質（Phosphor）」を含む中間配置される変換装置によって、例えば青色光から有利には「白色」光に変換される。

ＥＰ ２ ０６３ １７０ Ａ２ ＤＥ １０ ２００８ ０２２ ７９５ Ａ１

冒頭に掲げたタイプの自動車用ヘッドライトはＥＰ ２ ０６３ １７０ Ａ２から既知になっているが、このヘッドライトでは、ギラツキのない（グレアレス）適応型ハイビームで車道を照明するために、他の道路使用者に依存して所定の領域が回避されることができる。レーザからのビームは少なくとも２つの空間方向に運動可能なマイクロミラーによって光放射面に偏向されるが、この光放射面はレーザ光を有利には白色光に変換するために蛍光物質を含む。光放射面の光像はレンズによって車道上に投影される。マイクロミラーは集束されたレーザビームを偏向しなければならないため、マイクロミラーは相応に大きな固有の面負荷に曝されるが、このため、その構築はより高価になる。

ＤＥ １０ ２００８ ０２２ ７９５ Ａ１に記載されている自動車用ヘッドライトでは、赤色、緑色、青色の３つの半導体レーザのビームがアクロマティックレンズによって結合されて白色ビームが生成され、この白色ビームは２つの軸の周りで揺動するミラーに入射する。ミラーの所定の領域が所定のパワーで照射されるよう、ビームパワーは制御装置によって変調される。ミラーは、ある実施の態様では、変換物質を含む層を有することができる。別の態様では、制御可能なマイクロミラーアレイを備える。この場合、１つのレーザビームが、同時に光を変換するよう構成されている散光装置（Diffusor）に入射し、これがマイクロミラーアレイを照射する。ミラーアレイによって生成された所望の像は投影光学系によって車道上に投影されることができる。

高解像度と短い応答時間を含む適応型ヘッドライトシステム（ＡＦＳ＝Adaptive Frontlighting System）のためのより多くの機能に対する要望が極めて一般的に存在する。しかしながら、既知の装置は、その複雑さのため極めて大がかり（嵩高ないし高価）であるか、或いは、少なくとも１つの方向における、大抵は水平方向における解像度に問題がある。このことは、照明のためにＬＥＤマトリックス（これは、マトリックスのセグメントが選択的にオン・オフ切替え可能に構成されている）を使用するヘッドライトにも当てはまる。この場合、解像度は、最も有利な場合でも、１．５°に過ぎない。

それゆえ、本発明の課題は、構造を高度に複雑にすることなく、水平方向に改善された解像度を有すると共に、ＡＦＳ機能に対する上述の要求に対応する具体的な方法及びヘッドライトを提供することである。

上記の課題を解決するために、冒頭に掲げたタイプの方法が提供される。この方法においては、本発明に応じ、所定のビーム横断面を有する少なくとも２つのレーザ光源のレーザビームが、光変換手段において並べられる少なくとも２つの光バンドを生成するための１つの軸の周りで揺動するマイクロミラーによって、該光変換手段に偏向される。

少なくとも１つのレーザ光源のレーザビームがビームバンド（光バンド）に拡開されると、ヘッドライトの機能は著しく向上されることができる。

更に、光バンドの長さがマイクロミラーの揺動振幅によって調節されると、好都合である。

ビーム整形光学系によって及び／又はこの光学系の焦点からの光放射面の距離の選択によって、光変換手段において生成される投影の形状及び寸法が定められると、とりわけ有利である。

上記の課題を解決するために、更に、上記のタイプのヘッドライトが提供される。このヘッドライトにおいては、本発明に応じ、少なくとも２つのレーザ光源が設けられており、これらのレーザ光源にはビーム強度の変調のためのレーザ制御装置が割り当てられており、各レーザ光源とマイクロミラーの間には所定の（予め与えられる）ビーム横断面を有する夫々１つのレーザビームを整形するための光学系が配置されており、マイクロミラーは一定の振動数で（１つの）軸の周りで揺動し、光変換手段において少なくとも２つの並置される光バンドを形成するための少なくとも２つのレーザ光源のビームはマイクロミラーによって偏向され、光バンド相互間の距離は少なくとも２つのレーザ光源の整形されたレーザビームの相互の角度によって定められており、光変換手段における光バンドの長さはマイクロミラーの揺動振幅によって及び該光バンドの幅はビーム横断面によって定められる。

妨害的な暗いストライプを含まない光像を得るためには、光バンド（複数）は相互間の距離なしで直接的に接続する（隣接する）のが望ましい。

マイクロミラーはミラー制御装置によってその機械的固有振動数で制御されると有利である。

有利な一実施形態では、更に、マイクロミラーの揺動振幅がミラー制御装置によって変化可能であるよう構成することができる。

本発明の実用的な更なる一形態では、光変換手段において少なくとも２つの上下に（縦ないし垂直方向に）並んだ水平な光バンドを形成するための少なくとも２つのレーザ光源の拡開されたビームはマイクロミラーによって偏向されるよう構成される。

この場合、有利な一変形形態では、光放射面上において上下に（縦ないし垂直方向に）並んだ３つの光バンドを形成するための３つのレーザ光源が設けられており、光像の車道上に投影される光バンドは、ハイビーム、明暗境界用ビーム（Hell-Dunkel-Grenze）及びロービームに対応することができる。

有利には、例えばハイビーム領域における垂直（縦）解像度を向上するために、複数の光バンドは異なる高さを有することができる。

以下に、本発明とその更なる利点を図面に示した実施例を用いて詳細に説明する。

ヘッドライトの一例の本発明に本質的な構成要素及びこれらの関係を表す模式図。 本発明のヘッドライトの一例の光放射面（Leuchtflaeche）の照射の可能な更なる例（（ａ）、（ｂ））。

図１に基づいて、本発明の一実施例を詳細に説明する。とりわけ、本発明のヘッドライトにとって重要な要素について説明するが、自動車用ヘッドライトは、とりわけ乗用車や自動二輪車（オートバイ）のような自動車において有用であり得る更に多くの他の要素を含むことは明らかである。ヘッドライトの光学的出発点は、夫々１つのレーザビーム（これらには符号２ａ、２ｂ、２ｃ及び２ｄが付記されている）を生成する４つのレーザ光源１ａ、１ｂ、１ｃ及び１ｄであり、これらにはレーザ制御装置３が割り当てられている。この制御装置３は、電流（電気エネルギ）供給に利用され、更に、個々のレーザのビーム強度を変調（Modulieren）するよう構成されている。本発明において、「変調（Modulieren）」とは、連続的なものであれパルス（列）化されたものであれ、スイッチのオン・オフという意味で、レーザ光源の強度を変化できることとして理解されるものである。重要なことは、光の出力が、後に詳述するミラーの角度位置に応じて、アナログ的にダイナミックに（analog dynamisch）変化されることができるということである。更に、定義された（特定された）部位（複数）を照明（照射）しないようにするために、スイッチを、所定時間、オン・オフする可能性も存在する。

他方、レーザ制御装置３は、それ自身も、ヘッドライト中央制御装置４（これにはセンサ信号ｓ１...ｓｉ...ｓｎが供給可能である。）からの信号を含む（受け取る）。これらの制御信号及びセンサ信号は、一方では、例えば、ハイビームからロービーム（減光光）にスイッチするためのスイッチ命令であることが可能であり、他方では、路上の照明状態を検出する光センサによって検出される信号であることが可能である。

レーザ光源１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄは例えば青色又はＵＶ光を放出する。レーザ光源から放出されるレーザビーム２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの横断面に所望の形状を与えるために、これらのレーザ光源には夫々１つの光学系５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄが下流に配置される（後置される）。光学系５ａ、５ｂは拡開光学系（ビームエキスパンダ）である。そのような拡開光学系は、とりわけ、レーザビームの広範な拡開のためにホログラフィの分野において既知であるような本来的な拡開光学系と、該本来的拡開光学系に前置される光バンド形成アダプタ（Lichtbandvorsatz）から構成される。レーザビームのビーム整形用光学系は、既知かつ市場で入手可能であり、例えば、その供給プログラムにレーザ拡開光学系のための光バンド形成アダプタが含まれるキオプティック（Qioptiq）グループのリノス（Linos：商標名）レーザ光学系が該当する。拡開光学系５ａ、５ｂの下流（後方）には（扇状に）拡開されたレーザビーム６ａ、６ｂがあるが、これらの横断面は「点状」ではなく、「帯状ないしバンド状（strichfoermig）」である。

これに対し、レーザビーム２ｃ、２ｄのための光学系５ｃ、５ｄは通常の集光（収束）ないし散乱（発散）光学系である。なぜなら、これらの光学系５ｃ、５ｄの下流にあるレーザビーム６ｃ、６ｄがそれらの照射部位に生成すべきものは「スポット」であって、「帯ないしバンド（Strich）」ではないからである。

整形されたレーザビーム６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄはマイクロミラー７に入射して、この実施例では光放射面として構成される光変換手段８に反射されるが、これは例えば既知の態様で光変換のための蛍光物質（Phosphor）を含む。蛍光物質は、例えば、青色光又はＵＶ光を「白色」光に変換する。本発明において、「蛍光物質」とは、ある波長の光を他の波長ないし混合波長の光に、とりわけ「白色」光に変換する物質ないし混合物として極めて一般的に理解されるものであり、従って、「波長変換」という概念に包含され得るものである。そして、「白色光」とは、そのようなスペクトル組成を有し人間に対し「白い」という色印象を引き起こす光として理解されるものである。「光」という概念は、人間の眼で視認可能な放射（可視光）に限定されないのは勿論である。光変換手段としては、オプトセラミックスも考慮されるが、これは、例えばＹＡＧ−Ｃｅ（セリウムドープ型イットリウム・アルミニウム・ガーネット）のような透明セラミックスである。

唯一の軸ａの回りでのみ揺動（振動）するマイクロミラー７は、ミラー制御装置９によって制御されて一定の振動数で揺動させられるが、この揺動はとりわけマイクロミラーの機械的固有振動数（周波数）に相当し得る。ミラー制御装置９もまた、それ自体が、マイクロミラー７の揺動の振幅（大きさ）を調節可能にするために、ヘッドライト制御装置４によって制御されるが、この場合、軸ａの周りでの非対称的な揺動も調節可能である。マイクロミラーの制御は既知であり、種々多様な態様で、例えば静電的に又は動電的に、実行することができる。本発明の実証された実施形態では、マイクロミラー７は、例えば数百Ｈｚの振動数で揺動し、その最大の傾きは、その制御に依存して、僅か数°〜６０°に及ぶ。マイクロミラー７の位置は、ミラー制御装置９及び／又はヘッドライト制御装置４に再帰的に伝達（フィードバック制御）されると好都合である。

整形されたレーザビーム６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄは、光変換手段８において即ち光放射面８（これは一般的には平坦であるが、必ずしも平坦であるとは限らない）上で、複数の水平な光バンド１０ｄ、１０ｃ、１０ｂ、１０ａを生成する。この場合、マイクロミラー７に対するレーザ光源１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの（放射）角度は、これらの光バンドが光放射面上で互いに対し上下に（縦ないし垂直方向に）配置されかつ互いに境を接する、有利には光バンド間の距離がゼロになるよう、調節されている。これはレーザ光源１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを相応に調整することによって正確に調節することが可能であり、光放射面上には、複数の光バンドから、この例では４つの光バンド１０ａ、１０ｂ、１０ｃ及び１０ｄから構成されている光像１１が生じている。この光像１１は、投射システム１２によって、光像１１’として車道（道路）１３上に投射される。例えば、車道に投射される３つの光バンドを形成するために３つのレーザ光源を使用することも同様に可能である。なぜなら、この場合、これらの光バンドは、ハイビーム、明暗境界用ビーム（Hell-Dunkel-Grenze）及びロービーム（前方視野照明：Vorfeldlight）に対応し得るからである。

象徴的に示した光変換手段８即ち光放射面から見て右側に、ミラー７を静止した場合に現れるはずであり、この部位における夫々のレーザビーム横断面に相応する投影（像）が模式的に示されている。レーザビーム６ｃ、６ｄは、投影（像）として、「スポット」６ｄ’、６ｃ’を生成し、これらのスポットの寸法は、とりわけ光学系５ｃ、５ｄに対する光放射面及びマイクロミラー７の位置によって定められる。

ここで注意すべきことは、図では、それぞれ２つの光バンド即ち１０ａ、１０ｂないし１０ｃ、１０ｄが同じ高さ（太さ）で記載されてはいるが、個々の「バンド」６ｂ’、６ａ’ないし６ｄ’、６ｃ’は実用上同じ「高さ」ではないことである。例えば、ハイビームのための光バンドは、ロービームのための又はその寸法が高さ方向において最も小さい明暗境界のための光バンドより「より高い」ことが可能である。個々の光バンドの高さを変化する場合、光バンド間の距離をゼロに等しくするために、レーザないしレーザビームの角度も互いに対し変化する必要があることは明らかである。

「車道」という概念は本書では説明の単純化のために使用している。なぜなら、像１１’が実際に車道上に存在するか或いはそれを越えて及んでいるかについては、所与の場所的（空間的）状況に依存することは明らかだからである。原理的には、像１１’は、自動車照明技術に関係する関連規格（規準）に相応する垂直（鉛直）面上の投影（像）に対応する。更に明確にすべきことは、「水平（な）」という概念は、本書では相対的な意味で理解することができること、及び、平らな車道ないし車両の通常（標準）状態に関係することである。原理的には、車道１３上に投影された像１１’の光バンド１０ａ’、１０ｂ’及び１０ｃ’は、実質的に水平であるべきであるが、必ずしも水平である必要はない。このことは、光放射面８上の光バンド１０ａ、１０ｂ、１０ｃに対して一層よく当てはまる。

光像１１は、従って車道照明１１’も、一方では、マイクロミラー７の揺動振幅の調節によって変化されることができ、かくして、水平な光バンド１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの長さが変化されること、及び、個々のレーザ光源１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの強度の調節によって各光バンド内部の強度（明るさ）分布も変化されることができることは明らかである。このため、留意すべきことは、パルス（列）化されたものであれ連続的なものであれ強度変調された大きな周波数でレーザ光源を制御することが可能であり、そのため、マイクロミラー７のその都度の位置に対応する光バンドの内部における任意の光分布を調節できるだけでなく、迅速に変化できることである。なお、これが必要とされるのは、特別な地形状況又は走行状況が生じたような場合、例えば、対向車又は歩行者がセンサによって検出され、それに応じて、道路照明１１’の幾何学的形状及び／又は強度（明るさ）を相応に変化することが望まれるような場合である。

図２（ａ）及び図２（ｂ）は、４ないし５の拡開されたレーザビームによる光放射面の制御ないし照明の更なる可能な例を模式的に示す。図２（ａ）は、中央の水平な光バンドは隣り合う２つの光バンド１０ｂａ及び１０ｂｂに分割されることができ、その結果、縦横に並べられた光バンドが得られることを示している。この場合、例えば、ロービームは、２つの光源からの２つのストライプから形成されるであろう。

他方、図２（ｂ）に示されるように、ミラー７が相応（な方向ないし軸周り）に揺動する場合、光像が横に並べられた複数の光バンド１０１...１０５から構成されることも可能である。

その水平方向の拡がりが制御可能な目標が定められたスポット（点）又はストライプを結像するために、レーザ光源は、ミラーの実際の位置に依存して、パルス（列）化されて制御されることができる。例えば、光が０°〜＋１０°のみで光学システムから出射することを達成するために、相応のレーザは、マイクロミラーのこの範囲に対応する角度位置でスイッチオフされ、かくして、光は０°〜＋１０°の範囲のみで放射される。

従来のＡＦＳシステムと比べると、本発明の方法及びヘッドライトは、マイクロミラーがアナログ的に揺動するために光源が任意の時点において有効に（有意に）スイッチオン状態にできるため、水平方向に大きな、理論的には無限の解像度（Aufloesung）を可能にするという利点を有する。更に、被照明対象の絞りにより光を遮断した（ausgeblendet）領域をシャープに境界付けることにより僅かな迷光しか生じないため、当該領域の極めて良好な表示が可能になる。

１つのマイクロミラーが２つの軸の周りで揺動する既知の方策と比べると、ミラー及びレーザ制御の複雑さが顕著に小さくなる。即ち、既知の方策の場合、眼に対し明滅のない像を生成するためには、ｘ方向に凡そ２５０Ｈｚ、ｙ方向に凡そ１０ｋＨｚのミラーの揺動振動数を必要とする。実用上２００ピクセル［注：単位「ピクセル」は、ビームが路上に投射される場合、角度の単位「度（°）」（段落０００８参照）に換算することができる］の解像度が必要であることを出発点とする（前提とする）と、２ＭＨｚまでのレーザのパルス周波数が必要になるが、このため、該システムのＥＭＶ法に関し著しい困難性が引き起こされる可能性があり、更に、配線長さ（Leitungslaengen）及び配線経路（Leitungsfuehrung）をＨＦ（高周波）配線（HF-Leitung）の観点から極めて大がかりに設計しなければならない。

Claims (12)

1. 車道（１３）上における自動車用ヘッドライトによる所定の光分布を生成する方法であって、少なくとも１つの変調レーザビーム（２ａ...２ｄ）が揺動可能なマイクロミラー（７）によって光変換手段（８）に偏向され、光変換手段において生成される光像が車道上に投影される、方法であって、
   所定のビーム横断面を有する少なくとも２つのレーザ光源（１ａ...１ｄ）のレーザビーム（２ａ...２ｄ）が、光変換手段（８）において並べられる少なくとも２つの光バンド（１０ａ...１０ｄ）を生成するための１つの軸の周りで揺動するマイクロミラーによって、光変換手段に偏向される、
   方法。
2. 少なくとも１つのレーザ光源（１ａ、１ｂ）のレーザビーム（２ａ、２ｂ）は、ビームバンドに拡開される、
   請求項１に記載の方法。
3. 光バンド（１０ａ...１０ｄ）相互間の距離は、少なくとも２つのレーザ光源（１ａ...１ｄ）のレーザビーム（２ａ...２ｄ）の相互の角度によって及び／又はマイクロミラー（７）の揺動振幅によって定められている、
   請求項１又は２に記載の方法。
4. 光バンド（１０ａ...１０ｄ）の長さは、マイクロミラー（７）の揺動振幅によって調節される、
   請求項１〜３の何れかに記載の方法。
5. ビーム整形光学系（５ａ、５ｂ）によって及び／又はこの光学系の焦点からの光変換手段（８）の距離の選択によって、光放射面上において生成される投影（６ａ’...６ｄ’）の形状及び寸法が定められる、
   請求項１〜４の何れかに記載の方法。
6. そのレーザビーム（２ａ...２ｄ）がミラー制御装置（９）によって制御される揺動可能なマイクロミラー（７）によって光変換手段（８）に偏向される少なくとも１つの変調可能なレーザ光源（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）と、光変換手段において生成される光像を車道上に投影するための投影システム（１２）を有する自動車用ヘッドライトであって、
   ビーム強度の変調のためのレーザ制御装置（３）が割り当てられている少なくとも２つのレーザ光源が設けられており、
   各レーザ光源とマイクロミラー（７）の間に所定のビーム横断面を有する夫々１つのレーザビーム（６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ）を整形するための光学系（５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ）が配置されており、
   マイクロミラーは一定の振動数で（１つの）軸の周りで揺動し、光変換手段（８）において少なくとも２つの並置される光バンド（１０ａ...１０ｄ；１０ｂａ、１０ｂｂ、１０ｃ；１０_１...１０_５）を形成するための少なくとも２つのレーザ光源のビームはマイクロミラーによって偏向され、
   光バンド相互間の距離は少なくとも２つのレーザ光源の整形されたレーザビーム（６ａ...６ｄ）の相互の角度によって定められており、光変換手段における光バンドの長さはマイクロミラーの揺動振幅によって及び該光バンドの幅はビーム横断面によって定められている、
   ヘッドライト。
7. 光バンド（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ）は、相互間の距離なしで直接的に接続する、
   請求項６に記載のヘッドライト。
8. マイクロミラー（７）は、ミラー制御装置（９）によってその機械的固有振動数で制御される、
   請求項６又は７に記載のヘッドライト。
9. マイクロミラー（７）の揺動振幅は、ミラー制御装置によって変化可能である、
   請求項６〜８の何れかに記載のヘッドライト。
10. 光変換手段（８）において少なくとも２つの上下に並んだ水平な光バンド（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ）を形成するための少なくとも２つのレーザ光源のビームは、マイクロミラー（７）によって偏向される、
    請求項６〜９の何れかに記載のヘッドライト。
11. 光変換手段（８）において上下に並んだ３つの光バンド（１０ａ、１０ａｂ、１０ｂｂ、１０ｃ）を形成するための３つのレーザ光源（１ａ、１ｂ、１ｃ）が設けられ、光像の車道上に投影される光バンドはハイビーム、明暗境界用ビーム及びロービームに対応する、
    請求項１０に記載のヘッドライト。
12. 前記光バンド（１０ａ、１０ａｂ、１０ｂｂ、１０ｃ）は、異なる高さを有する、
    請求項１１に記載のヘッドライト。

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