CN103765085B - 用于机动车的照明装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于机动车的照明装置。该照明装置包括一个或多个照明单元(1)，每个照明单元(1)在运行中借助激光产生一个点状光源(5)。另外还设有光学装置(6)，其这样构造并且相对于照明单元(1)这样设置，即由点状光源(5)的光在通过所述光学装置(6)之后产生预定的光分布，所述点状光源(5)在俯视图中具有20μm或更小的最大延伸尺寸。

Description

用于机动车的照明装置
技术领域
本发明涉及一种用于机动车的照明装置。
背景技术
如今，在机动车中越来越多地使用LED照明装置，借助它们产生适合用于车辆信号灯或前照灯的光分布。由于LED的亮度相对小，照明装置尤其是为了产生大作用范围的光而需要大的结构空间。在较小的结构空间中基于LED的照明装置效率不高。另外很难借助LED以高精度形成任意形状的光分布。
发明内容
本发明的任务在于提供一种用于机动车的照明装置，借助该照明装置可在小的结构空间中以高精度或高效率形成光分布。
该任务通过用于机动车的照明装置来解决，该照明装置包括一个或多个照明单元以及包括光学装置，每个照明单元在运行中借助激光产生一个光源，光学装置这样构造并且相对于所述一个或多个照明单元这样设置，即由光源的光在通过所述光学装置之后产生预定的光分布，所述光源是点状光源，所述点状光源在俯视图中具有20μm或更小的最大延伸尺寸。
根据本发明的照明装置设置用于机动车、尤其是用于轿车并且可能情况下也用于货车。该装置包括一个或多个照明单元，这样构造每个照明单元，使得其在运行中借助激光产生一个点状光源。“点状光源”在此可理解为具有小发光面积和大光通量、即高亮度的光源，该光源相对于照明装置的尺寸可被近似视为点状，因而该光源的所有光线都源于一个唯一的点。
根据本发明的照明装置还包括光学装置，其这样构造并且相对于所述一个或多个照明单元这样设置，使得点状光源的光在通过所述光学装置后产生预定的光分布。光学装置在此可能由多个子单元构成，它们分别单独地配置给一个照明单元。光学装置也可构成一个连续的单元，所有照明单元的光都遇到该光学装置。
根据本发明的照明装置优点在于，通过激光可以以简单的方式产生很高亮度的点状光源，从而可紧凑地选择照明装置、尤其是用于产生预定光分布的光学装置的相应尺寸。点状光源在俯视图中、即在具有光源最大强度的主照射方向上看的最大延伸尺寸在一种特别有效的实施方式中为20μm或更小。此外，点状光源在俯视图中优选具有0.0002mm2或更小的发光面积。点状光源尤其是具有多边形发光面，其边长具有优选20μm或更小的长度。在此优选这样构造具有上述延伸尺寸的点状光源，使得其产生100Lm或更多和尤其是200Lm或更多的光通量和/或具有1瓦或更多的辐射功率和/或至少108Cd/m2和尤其是109Cd/m2或更多的亮度。这种点状光源可仅借助激光、如使用激光二极管来实现。
基于使用点状光源可毫无问题地通过设置在下游的光学装置根据照明装置的具体使用目的产生自由形状的光分布。尤其是在此可在算法上特别简单地确定用于产生确定光分布的光学装置的形状，因为相应计算以理想的点状光源为出发点。为了计算光学装置的形状，尤其是可使用所谓的ITWM算法，该算法由弗劳恩霍夫工艺和经济数学研究所推出。
在根据本发明的照明装置的一种方案中，至少一个照明单元在运行中产生点状光源。该方案尤其适用于照明装置应具有前照灯功能时。
在本发明的另一种特别优选的方案中，至少一个照明单元具有一个或多个激光二极管、尤其是一个或多个单色激光二极管。现今这种激光二极管的亮度可产生具有高亮度的点状光源。在此激光二极管的直接亮度显著高于传统的LED的亮度。蓝色激光二极管的亮度目前约为7x105W/cm2，而LED的亮度仅为20W/cm2。优选在根据本发明的照明装置中使用光功率至少为1瓦并且尤其是在1.5和3.0瓦之间或1.5和5瓦之间的激光二极管。
在另一种特别优选的方案中，至少一个照明单元具有转换器，所述转换器将一个或多个激光二极管的单色光转换为白光。所述转换器在此可包括磷光体转换层，激光二极管的激光束借助光具(如透镜)聚焦到该磷光体转换层上，从而在磷光体转换层上形成白色点状光源。用于转换单色光的磷光体转换层是已知的。例如可在发射波长为450nm的蓝色激光二极管中使用由Ce:YAG磷光体制成的磷光体转换层来产生白光。对于波长为405nm的紫色激光尤其是可使用由掺铈的氮化物磷光体或掺铈的氮氧化物磷光体制成的磷光体转换层。
为了将单色激光转换为白光，必要时也可使用光导体，在所述光导体中多个单色激光二极管的单色激光束被适合地组合以形成白光。点状白色光源在此可形成于光导体的出射面上。也可设置光具，该光具将来自光导体的白光适合地聚焦以形成点状光源。
在本发明的另一种方案中，至少一个照明单元具有一个唯一的单色激光二极管，该激光二极管构成点状光源。这种方案尤其适用于应借助该照明装置发出具有特定颜色的光时。
根据具体应用情况安装在照明装置中的照明单元的数量可变化。在一种优选的实施方式中，所述照明装置具有10个或更少的照明单元、尤其是3至6个照明单元。
根据具体应用情况，根据本发明的照明装置具有不同功能。在一种实施方式中，所述照明装置包括车辆前照灯。车辆前照灯的特征在于，其主动照亮车辆的周围环境。可能情况下根据本发明的照明装置也可包括车辆信号灯，车辆信号灯的特征在于其仅用于向其它道路使用者发出信号。在一种优选实施方式中，所述照明装置构造成，使得所述照明装置在运行中作为预定的光分布可产生防眩目光特性。防眩目光特性是已知的并且也被规定在法律标准中(例如SAE标准)。防眩目光的特征在于所发出的光的角度分布具有水平的明/暗界限，以避免使对面的道路使用者眩目。通常将用于照亮车道边缘的角度分布设计得更宽。另外防眩目光具有有限的作用范围，其优选约为65米。借助根据本发明的照明装置可为防眩目光产生高对比度的明/暗界限。
在本发明的另一种方案，所述照明装置构造成，使得所述照明装置在运行中作为预定的光分布可产生远光特性。远光的光分布是已知的并且具有这样的特征：所述光比防眩目光具有更大的作用范围并且因此围绕车辆轴线集中在更小的角度范围内。尤其是远光没有作用范围极限。在光值不变时光出射面的减少通常导致对面车辆受到的眩目值的提高。在远光功能的情况下，结构尺寸的减小和因此眩目值的提高是没有问题的，因为通常仅在不存在对面车辆时才设置远光运行。尽管如此借助根据本发明的照明装置也可在必要时实现无眩目远光，其相对于对面车辆所处的阴影区域具有对比度尽可能高的垂直明/暗界限的光分布。点状光源在此可基本精确地实现明/暗界限并且因而也在此情况下降低眩目作用。
在另一种优选的方案中，除了点状的、借助激光产生的光源之外，所述照明单元中的一个或多个还包括一个或多个传统的LED或者说发光二极管，其所发出的光并非激光。在此这样构造照明装置，使得其可产生由一个或多个LED的光和点状光源的光组合而成的光特性。优选点状光源在此产生光特性的精度要求特别高的部分。该光特性尤其仍可是远光特性，其中点状光源负责所述远光特性的构成用于实现远光作用范围的中央远光光点的部分。围绕该远光光点的具有较小作用范围的光分布在此通过LED产生。必要时LED和点状光源还可被开关以便单独用于产生特定的光分布。
根据本发明的照明装置也可用于产生其它光分布。尤其是照明装置也可具有多个不同前照灯或信号灯的功能。尤其是照明装置也可包括白天行驶灯和/或闪烁灯和/或倒车灯和/或雾灯和/或转弯灯和/或标记灯和/或尾灯和/或刹车灯和/或动态光点或类似物。
在另一种优选实施方式中，所述照明装置构造成，使得所述照明装置在运行中作为预定的光分布可产生一个或多个预定结构、尤其是一个或多个面形状和/或一个或多个带条和/或一个或多个光点和/或一个或多个箭头和/或一个或多个标志和/或一个或多个符号。
在本发明照明装置中所使用的光学装置根据具体应用情况可构造成不同的。优选该光学装置包括至少一个反射器和/或至少一个透镜。
如上所述，照明装置基于使用高亮度的点状光源而具有紧凑的尺寸。在一种优选实施方式中，所述光学装置的最大延伸尺寸在俯视图中(即在具有最大强度的主照射方向上看)为50mm或更小、尤其是30mm或更小。
除了上述照明装置外，本发明还包括一种机动车，其具有一个或多个根据本发明的照明装置。
附图说明
下面借助图1说明本发明的实施例。该附图以示意图示出根据本发明的用于机动车的照明装置的结构。
具体实施方式
下面基于机动车前照灯形式的照明装置来说明本发明，借助该前照灯主动照亮周围环境。前照灯优选涉及车辆的防眩目光或远光。虽然如此，根据本发明的照明装置也可构造为机动车中的信号灯、如刹车灯、闪烁灯和类似灯。
在图1所示的照明装置的实施方式中使用多个以附图标记1表示的照明单元，在此仅示出照明单元之一并且其它单元可设置在所显示的照明单元的旁边、上方或下方。照明单元包括具有激光束出射面201的激光二极管2、作为透镜示出的前置光具3及和磷光体转换层4。在此为照明单元设置一个自由曲面6，该自由曲面在图1的实施方式中构造为镜反射器。在此可为每个照明单元设置单独的自由曲面。也可为所有照明单元构造一个连续的自由曲面。
在此所描述的本发明实施方式中利用下述认识：激光二极管具有非常高的亮度，从而可在前照灯的相对小的结构空间的同时以高的光功率和精度形成前照灯光分布。在图1的实施方式中在此使用发射波长为450nm的蓝色激光二极管，其亮度约为7×109W/m2。该激光二极管是大致点状的光源，其辐射特性A被示意性示出。“点状”在此表示，辐射面比照明装置的其余组成部分要小得多，所以可非常近似认为激光二级管的所有光束从一个点出发。在图1中照明单元1的尺寸L1在水平方向上大约为15mm。层4和自由曲面6之间的距离L2显著大于尺寸L1并且处于3cm和10cm之间。在此应指出，图1的显示并非按比例绘制。与此相反，由激光二极管在沿光轴O的俯视图中产生一个边长为10μm和15μm的矩形形状的发光面。
如图1所示，通过前置光具3使激光二极管的辐射聚焦到磷光体转换层4上。磷光体转换层在此由现有技术已知并且用于从单色激光产生白光。在使用蓝色激光二极管时优选使用Ce:YAG磷光体作为磷光体转换层的材料。根据激光二极管的发射波长也可使用其它材料。例如当使用发射波长为405nm的紫色激光二极管时，在一种优选方案中使用由掺铈的氮化物或掺铈的氮氧化物制成的磷光体材料。
最后，通过磷光体转换层产生白色光源5，与照明装置的尺寸相比该白色光源也可被看作是点状的，即由该光源发出的辐射非常近似源于一个唯一的点。点状光源5的辐射特性在图1中示意性示出并且用附图标记A'表示。点状光源5的辐射面延伸尺寸在沿光轴O的俯视图中基于磷光体转换层材料中的散射效应大于激光二极管2的辐射面延伸尺寸。大约形成边长在500μm范围内的辐射面。基于激光二极管极高的亮度，为白色光源5形成明显高于可由传统LED实现的亮度。该亮度尤其是约为2×108Cd/m2。必要时也可实现更高的109Cd/m2和更高范围中的亮度。
点状白色光源5的光最终遇到反射器6，该反射器与白色光源隔开距离L2设置。反射面6仅示意性示出并且具有非对称结构。这表示，激光照明单元1可与任何自由曲面结合使用，通过所述自由曲面可根据具体应用情况在远场中产生希望的光分布、如防眩目光或远光。在此有利的是，由于点状白色光源5的亮度很高，为产生希望的光分布所需的结构空间极少。尤其是在形成远光时自由曲面在垂直于光轴O的平面中的最大延伸尺寸仅在30到50mm的范围中，这明显小于在传统的前照灯中的延伸尺寸。使用点状白色光源还具有另一优点：可在算法上简单且高精度地计算出用于产生希望光分布的自由曲面6的形状，例如借助开头所提的ITWM算法。因此，不需要始终使用反射器作为自由曲面6，也可使用任意其它的具有透镜形式或透镜与反射器组合形式的自由曲面光具。
本发明的上述实施方式具有一系列优点。通过使用激光可产生具有高亮度的点状光源，从而可定义几乎完美的自由曲面，通过所述自由曲面可高精度地形成所希望的光分布。通过使用激光还可实现电力消耗低的高效照明装置。此外可减少照明装置的结构空间，这在形成车辆远光时尤为有利。
根据本发明的照明装置能够在远场区域上以良好的图像质量有针对性地照明。此外，借助该照明装置可实现具有对比度极高的垂直明/暗界限的防眩目远光，使得对面车辆所处的阴影区域尽可能窄。此外可实现高质量的防眩目光分布。另外，借助根据本发明的照明装置也可形成不同类型的前照灯或信号灯。尤其是可形成标记灯、转弯灯、雾灯，闪烁灯，刹车灯、尾灯、倒车灯、转弯灯、动态光点或类似灯。在此本发明不限于产生白光，而也可在必要时将激光二极管的单色光直接用作点状光源。该方案尤其用在信号灯中，所述信号灯通常以预定颜色(如红色)发光。

Claims (28)

1.用于机动车的照明装置，该照明装置包括一个或多个照明单元(1)以及包括光学装置(6)，每个照明单元(1)在运行中借助激光产生一个光源(5)，光学装置(6)这样构造并且相对于所述一个或多个照明单元(1)这样设置，即由光源(5)的光在通过所述光学装置(6)之后产生预定的光分布，其特征在于，所述光源(5)是点状光源，所述点状光源(5)在俯视图中具有20μm或更小的最大延伸尺寸。
2.根据权利要求1的照明装置，其特征在于，所述点状光源(5)在俯视图中具有0.0002mm2或更小的发光面积。
3.根据权利要求1或2的照明装置，其特征在于，所述点状光源(5)在俯视图中具有多边形发光面，该多边形发光面的各条边分别具有20μm或更小的长度。
4.根据权利要求1或2的照明装置，其特征在于，所述点状光源(5)构造成，使得所述点状光源产生100Lm或更多的光通量和/或具有1瓦或更多的辐射功率和/或至少108Cd/m2的亮度。
5.根据权利要求4的照明装置，其特征在于，所述点状光源(5)构造成，使得所述点状光源产生200Lm或更多的光通量和/或至少109Cd/m2的亮度。
6.根据权利要求1或2的照明装置，其特征在于，至少一个照明单元(1)在运行中产生白色点状光源(5)。
7.根据权利要求1或2的照明装置，其特征在于，至少一个照明单元(1)具有一个或多个激光二极管(2)。
8.根据权利要求1或2的照明装置，其特征在于，至少一个照明单元(1)具有一个或多个单色激光二极管(2)。
9.根据权利要求8的照明装置，其特征在于，至少一个照明单元(1)具有转换器，所述转换器由一个激光二极管(2)或多个激光二极管(2)的单色光产生白光。
10.根据权利要求9的照明装置，其特征在于，所述转换器包括磷光体转换层(4)，一个激光二极管(2)或多个激光二极管(2)的激光借助光具(3)聚焦到该磷光体转换层上，从而在磷光体转换层上产生白色点状光源(5)。
11.根据权利要求9或10的照明装置，其特征在于，所述转换器包括光导体，多个单色激光二极管(2)的单色激光在该光导体中被组合以形成白光。
12.根据权利要求7的照明装置，其特征在于，至少一个照明单元(1)具有一个构成点状光源(5)的唯一的单色激光二极管(2)。
13.根据权利要求7的照明装置，其特征在于，一个激光二极管(2)或多个激光二极管(2)具有至少1瓦的光功率。
14.根据权利要求7的照明装置，其特征在于，一个激光二极管(2)或多个激光二极管(2)具有1.5～3.0瓦之间的光功率。
15.根据权利要求7的照明装置，其特征在于，一个激光二极管(2)或多个激光二极管(2)具有1.5～5瓦之间的光功率。
16.根据权利要求1或2的照明装置，其特征在于，所述照明装置具有10个或更少的照明单元(1)。
17.根据权利要求1或2的照明装置，其特征在于，所述照明装置具有3至6个照明单元(1)。
18.根据权利要求1或2的照明装置，其特征在于，所述照明装置包括车辆前照灯。
19.根据权利要求1或2的照明装置，其特征在于，所述照明装置包括车辆信号灯。
20.根据权利要求1或2的照明装置，其特征在于，所述照明装置构造成，使得所述照明装置在运行中作为预定的光分布可产生防眩目光特性。
21.根据权利要求1或2的照明装置，其特征在于，所述照明装置构造成，使得所述照明装置在运行中作为预定的光分布可产生远光特性。
22.根据权利要求1或2的照明装置，其特征在于，所述照明单元(1)中的一个或多个还包括一个或多个LED，所述照明装置可产生一种光特性，该光特性由一个或多个LED的光和点状光源(5)的光组合而成。
23.根据权利要求1或2的照明装置，其特征在于，所述照明装置构造成，使得所述照明装置在运行中作为预定的光分布可产生一个或多个预定结构。
24.根据权利要求1或2的照明装置，其特征在于，所述照明装置构造成，使得所述照明装置在运行中作为预定的光分布可产生一个或多个面形状和/或一个或多个带条和/或一个或多个光点和/或一个或多个箭头和/或一个或多个标志和/或一个或多个符号。
25.根据权利要求1或2的照明装置，其特征在于，所述光学装置(6)包括至少一个反射器和/或至少一个透镜。
26.根据权利要求1或2的照明装置，其特征在于，所述光学装置(6)的最大延伸尺寸在俯视图中为50mm或更小。
27.根据权利要求1或2的照明装置，其特征在于，所述光学装置(6)的最大延伸尺寸在俯视图中为30mm或更小。
28.机动车，包括一个或多个根据权利要求1至27之一的照明装置。
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