具有定制的光照图案的基于激光器的光源的制作方法

本发明涉及用于车辆前灯的基于激光器的光源。本发明进一步涉及包括这种基于激光器的光源的车辆前灯。

背景技术：

在反射或透射的基于激光器的（白色）光源中，来自激光器源的激光借助于在某个角度下的透镜被聚焦到包括光转换器（例如，磷光体的薄片）的光转换设备。尤其是使用被布置为跨光转换器移动激光器的聚焦图像的扫描布置以便提供定制化的光图案。

de102014205294a1公开了用于机动车辆的照明设备，该照明设备包括用于发射具有第一波长的激光的初级光束的激光器光源，进一步包括波长转换器，该波长转换器被布置使得初级光束可以被辐射到波长转换器上并且被设计使得具有至少一个另外波长的次级光分布可以被辐射出。衍射光学元件被布置在位于激光器光源和波长转换器之间的束路径中使得初级光束在撞击波长转换器之前在衍射光学元件处被衍射。

技术实现要素：

本发明的一目的是提供改进的基于激光器的光源。本发明由独立权利要求限定。从属权利要求限定有利的实施例。

根据第一方面，提供了一种用于车辆前灯的基于激光器的光源。该基于激光器的光源包括至少一个激光器，其中该至少一个激光器被适配成发射激光。该基于激光器的光源进一步包括光学布置。该光学布置被适配成在光转换设备的光转换器上提供激光器的聚焦图像。光学布置被进一步适配成在垂直于基于激光器的光源的光学轴的至少第一方向上加宽光转换设备的光转换器上的激光器的图像。光学布置被进一步适配成在独立于第二方向的第一方向上加宽激光器的图像。第二方向垂直于光学轴和第一方向。光转换器被适配成将激光转换为转换光，其中转换光的峰值发射波长在比激光的激光器峰值发射波长更长的波长范围内。

在基于激光器的光源中，来自源（激光二极管）的光必须被聚焦在光转换器（磷光体）上。最小的焦点是光源的发光区域的图像。例如，边缘发射激光二极管的发射器形状像狭缝。磷光体上的照射表面优选地比激光器的发射器的图像更对称。为了实现这一点，必须至少在一个方向上加宽图像。一简单的解决方案可以是借助于可移动反射镜在垂直于狭缝的方向上扫描激光器。可替换地，可以使狭缝的图像散焦使得在光转换器上提供激光器的模糊图像。实验示出模糊图像的空间强度分布取决于源的角度强度分布。此角度强度分布随样本而改变。因此，需要对于激光二极管的复杂装箱（binning）。此外，角度强度分布取决于半导体激光二极管的驱动条件。如果使用多模式激光二极管并且激光二极管的模式由于例如改变激光二极管的操作温度而在操作期间改变，则角度强度分布可以突然改变。在这种情况下，闭环控制将是必须的，以便提供可再生的光图案。

根据本发明的基于激光器的光源建议利用激光器的变换但聚焦的图像来照射光转换器的表面。激光器的图像以一方式被变换使得例如狭缝的短边缘被加宽以便例如在磷光体的表面上提供二次光图案。借助于光学布置来执行激光器的图像的变换，该光学布置被适配成在至少第一方向上加宽激光器的图像，在狭缝的示例中该第一方向是平行于狭缝的短边缘的方向。光学布置可以被适配成在第一方向和垂直的第二方向上提供加宽，第一方向和垂直的第二方向两者被布置在垂直于由照射光转换器的激光的主方向限定的光学轴的平面中。可以借助于光学布置的配置来确定第一和第二方向上的加宽的比率。因此，激光器的图像在第一方向上的加宽不一定迫使第二方向上的加宽。因此，第一方向上的加宽独立于图像在第二方向上的潜在加宽。这意味着光学布置可以被布置使得例如边缘发射激光二极管的狭缝的图像仅可以在第一方向（例如，平行于狭缝的短边缘）上被加宽。

基于激光器的光源可以包括两个、三个、四个或更多个发射例如蓝色激光的激光器（例如阵列）。

光学布置优选地被适配成通过在光转换器上提供激光器的在至少第一方向上加宽的至少两个重叠的图像来加宽激光器的图像。

可以在由光转换设备包括的光转换器的表面上提供激光器的发光区域的两个、三个、四个或更多个重叠的聚焦图像。尤其是激光器的彼此一致的交叠聚焦图像可以增加关于由光学布置包括的光学元件的定位的公差。光学布置可以被进一步适配成提供激光器的至少两个相邻的图像。两个相邻图像的至少两个重叠图像被成像在光转换器上。图像在光转换器的表面平面中是相邻的。可以提供激光器的两个、三个、四个或更多个相邻的图像。相邻意味着在图像之间基本上没有间隙并且图像基本上不重叠。相邻图像的重叠具有如下影响：激光器的单个图像在第一方向上跨光转换器的整个延伸不拖影（smearedout）。因此，在具有延伸的光分布的激光器的情况下，边缘处的强度分布的减小被集中在围绕重叠图像的较窄外缘。

光学布置可以被适配成对至少两个重叠的图像成像，使得在至少第一方向上提供均匀的强度分布。

在这种情况下，在光转换器的表面上接收到的激光的强度分布可以是例如在意图的光照区域内基本恒定。这可以通过提供激光器的重叠的尤其是交叠的图像而能够实现，其中图像中的每一个被意图的光照区域内的基本恒定的强度表征。在意图的光照区域内提供的不同图像的强度可以是不同的。

光学布置可以可替换地被适配成对至少两个重叠的图像成像，使得在至少第一方向上提供变化的强度分布。

在这种情况下，在光转换器的表面上接收到的激光的强度分布可以例如在意图的光照区域内在第一方向上降低或增加。此外，可以提供更复杂的强度分布。可以通过提供激光器的重叠的尤其是交叠的图像而能够实现变化的强度分布，其中图像中的至少一个被意图的光照区域内的变化强度表征。可替换地，可以存在具有变化强度分布的激光器的两个、三个、四个或更多个图像。

光学布置可以包括用于将激光聚焦在光转换器上的光学成像单元。光学布置可以进一步包括用于提供至少两个重叠的图像的光学散射单元。

光学成像单元可以包括用以将激光聚焦在光转换器上的一个或多个光学设备（如例如透镜）。光学散射单元可以包括例如从二维透镜阵列、线性延伸透镜的线性阵列以及用于提供激光器的重叠或交叠图像的全息元件的组选出的至少一个光学散射元件。

激光器的图像可以具有例如有着小于第二方向上的第二延伸的第一方向上的第一延伸的矩形形状。光学散射单元可以包括线性延伸透镜的线性阵列，其中线性延伸透镜的纵轴平行于第二方向被布置。

线性延伸透镜的阵列可以是柱面透镜的线性阵列。光学散射单元可以被布置在光学聚焦单元和光转换器之间。被激光器照射的、线性延伸透镜中的每一个在光转换器上提供激光器的图像。图像的强度取决于由相应的线性延伸透镜接收到的激光。

光学布置可以进一步包括分光单元。分光单元可以例如被布置在光学成像单元和光学散射单元之间。分光单元被布置为在光转换器上提供激光器的至少两个相邻的图像。

分光单元可以包括线性延伸棱镜的阵列。线性延伸棱镜的纵轴平行于第一方向被布置。线性延伸棱镜垂直于线性延伸透镜被布置（交叉布置）。线性延伸棱镜的表面的数量确定了被投射在光转换设备的表面上的相邻图像的数量。两个表面（例如垂直于线性延伸棱镜的线性延伸的三角形截面）提供例如两个相邻图像。

线性延伸透镜可以可替换地被适配成在光转换器上提供强度分布，该强度分布如上面描述的那样在第一方向上变化。在这种情况下，线性延伸透镜可以是非柱面透镜。可替换地，可以使用柱面透镜的线性阵列，其中包括具有不同曲率或宽度的柱面透镜。

光学成像单元可以被适配成使激光器的图像在第二方向上变窄。在这种情况下，光学散射单元可以被进一步适配成通过在光转换器上提供激光器的在第二方向上加宽的至少两个重叠图像来加宽激光器的图像。

激光器的图像的大小和第二方向主要通过光转换器的大小来确定。因此，通常以借助于激光照射光转换器上的意图高度或宽度的方式来选择光学聚焦单元的放大率。附加的光学散射单元能够实现光学成像单元的较小的放大率。较小的放大率降低了由光学成像单元包括的光学元件的定位公差。因此，可以简化基于激光器的光源的制造。

激光器的图像可以具有例如有着小于第二方向上的第二延伸的第一方向上的第一延伸的矩形形状。光学散射单元可以包括线性延伸透镜的第一和第二线性阵列。线性延伸透镜的第一线性阵列的纵轴平行于第二方向被布置。线性延伸透镜的第二线性阵列的纵轴平行于第一方向被布置。

具有垂直取向的柱面或非柱面透镜的线性阵列可以被用来在第一方向和第二方向上加宽光转换器上的激光器的图像。如上面描述的那样，柱面透镜的线性阵列可以被用来提供均匀的强度图案。柱面透镜的线性阵列和非柱面透镜的线性阵列的组合可以被用来在第一或第二方向上提供变化的光照图案。非柱面透镜的两个线性阵列的组合可以被用来在两个方向上提供变化的光照图案。

此外，可以有可能的是改变线性延伸透镜的第一和/或第二线性阵列的线性延伸透镜的特性，以便定制光转换器的光照。这样的特性可以是例如曲率半径、宽度等等。

在另一实施例中，激光器的图像可以具有例如有着小于第二方向上的第二延伸的第一方向上的第一延伸的矩形形状。在这种情况下，光学散射单元可以可替换地包括二维透镜阵列。该阵列的透镜可以具有第一方向上的第一数值孔径和第二方向上的第二数值孔径。第一数值孔径可以不同于第二数值孔径。该阵列可以例如包括矩形透镜或复曲面透镜。

光学布置可以是包括光学聚焦单元和光学散射单元的一个集成光学元件。

光学成像单元可以包括至少一个非球面透镜，以便能够实现激光器的发光区域的聚焦图像。

根据另一方面，提供了一种车辆前灯。该车辆前灯包括至少一个如上面描述的基于激光器的光源。该车辆前灯可以包括两个、三个、四个或更多个如上面描述的基于激光器的光源。在这种情况下，光转换器可以包括黄色磷光体石榴石（例如y(3-0.4)gd0.4，al5o12:ce）或由其组成。蓝色激光和黄色转换光的混合物可以被用来生成白光。蓝色激光的大约21%可以被反射或透射并且剩余的蓝色激光可以被转换为黄色光。这使得通过考虑例如磷光体中的斯托克斯损失在由基于激光器的光源发射的混合光中能够实现26%蓝色激光和74%黄色转换光的比率。

根据另一方面，提供了一种用于车辆前灯的基于激光器的光照方法。该方法包括如下步骤：如上面描述的那样，在用于将激光转换为转换光的光转换器上提供激光器光源的两个、三个、四个或更多个重叠的聚焦图像。可以通过将激光聚焦到光转换器的表面并且散射该激光来提供重叠的聚焦图像。激光优选地在第一步骤中被聚焦并且在随后的第二步骤中被散射。

应当理解的是，本发明的优选实施例还可以是从属权利要求与相应的独立权利要求的任何组合。

下面限定其他有利的实施例。

附图说明

本发明的这些和其他方面从下文描述的实施例将是清楚明白的，并且将参考下文描述的实施例进行阐述。

现将参考附图基于实施例以示例的方式描述本发明。

在附图中：

图1示出了基于激光器的光源的第一实施例的主要简图

图2示出了光转换器上的激光器的图像的主要简图

图3示出了激光器的交叠图像的主要简图

图4示出了光转换器上的激光器的变换图像的主要简图

图5示出了基于激光器的光源的第二实施例的主要简图

图6示出了二维矩形透镜阵列的主要简图

图7示出了基于激光器的光源的第三实施例的主要简图

图8示出了基于激光器的光源的第四实施例的主要简图

图9借助于变换图像示出了在没有分光单元的情况下（左侧）与具有分光单元的情况下（右侧）的光转换设备上的强度分布之间的比较。

在附图中，同样的数字自始至终指代同样的对象。附图中的对象不一定按比例绘制。

具体实施方式

现将借助于附图描述本发明的各种实施例。

图1示出了基于激光器的光源100的第一实施例的主要简图。激光器110将激光10发射到光转换设备130，该光转换设备130包括用以将激光10转换为转换光的磷光体。在此实施例中，由基于激光器的光源100发射的发射光20仅包括转换光，该转换光被由光转换设备130包括的反射镜反射。激光10在碰撞磷光体之前经过光学布置150。光学布置150包括光学成像单元152，其被布置为将激光器110的发光区域的图像聚焦在磷光体的表面上。在这种情况下，激光器110是具有狭缝状发光区域的边缘发射半导体二极管，其中狭缝的最长延伸垂直于附图的平面。此方向限定了第二方向52。在这种情况下，光学成像单元152包括具有在激光器110的方向上取向的平坦表面的球面透镜。光学散射单元153被提供在光学聚焦单元152和光转换设备130之间。光学散射单元153被布置为在垂直于光学轴50和第二方向52的第一方向51上加宽光转换器上的激光器的图像。光学轴50由发射激光10的主方向限定并且在这种情况下包括激光器110的发光表面的中心和球面透镜的中心。在这种情况下，光学散射单元153是全息散射元件。

模拟已经示出此设置对于光学散射单元153的定位非常不灵敏。有可能沿光学轴在大约1mm的范围内偏移光学散射单元153。激光器110和光转换器之间的整个距离通常在15和30mm之间。光学散射单元153相对于第一和第二方向51、52的定位也是不严格的，假设光学散射单元153足够大，使得在不经过光学散射单元153的情况下没有激光10照射光转换器（磷光体）。

利用被用作光学聚焦单元152的非球面透镜和被用作光学散射单元153的柱面透镜的线性阵列也实现如关于图1讨论的实施例。非球面透镜的焦距在2.5mm和5mm之间。不同阵列的柱面透镜之间的节距在100µm和500µm之间。不同阵列的柱面透镜的半径在1mm和10mm之间。实验已经示出了与模拟的极好的一致性。

图2示出了光转换器上的激光器110的图像11和与关于图1描述的那个相似但没有光学散射单元153的配置的主要简图。激光器110的图像11具有有着第一方向51上的短延伸和第二方向52上的较长延伸的矩形形状。

图3示出了激光器110沿第三方向53的交叠图像11a-11k的主要简图。光学散射单元153变换激光器的图像并且提供在第一方向51上被加宽的多个图像。在此实施例中，图像的高度不被光学散射单元153影响。

图4示出了光转换器上的激光器110的变换图像11’的主要简图，其中激光器的交叠图像11a-11k一致地叠加。激光器110的狭缝状的图像11被变换为激光器110的二次变换图像11’。

图5示出了基于激光器的光源100的第二实施例的主要简图。基本配置与关于图1所讨论的相同。在这种情况下，光学成像单元152是非球面透镜，其被布置为使激光器的图像在第二方向上变窄。非球面透镜的平坦表面被再一次在激光器110的方向上取向。光学成像单元152和光转换设备130的光转换器之间的距离小于图1中的这两个元件之间的距离。降低的放大率降低了整个布置关于激光器110和光转换设备130之间的光学成像单元152的位置的灵敏度。因此，增加了基于激光器的光源100的稳健性和可靠性。在这种情况下，光学散射单元153包括柱面透镜的第一线性阵列154，其中柱面透镜的轴平行于第二方向被布置，以便在第一方向上加宽激光器的图像。光学散射单元153进一步包括柱面透镜的第二线性阵列156，其中柱面透镜的轴平行于第一方向被布置，以便在第二方向上加宽激光器的图像，使得补偿了借助于非球面透镜所致的激光器的图像的减小。由基于激光器的光源发射的白色发射光20包括转换的黄色光和反射的蓝色激光10。

图6示出了二维矩形透镜157a的阵列157的主要简图。矩形透镜157被第一方向上的第一数值孔径和第二方向上的不同的第二数值孔径表征。数值孔径至少部分地被透镜在第一方向上的延伸和透镜在第二方向上的延伸b限定。二维阵列157可以被用作光学散射单元而不是上面讨论的图5中示出的柱面透镜的两个线性阵列154、156。

图7示出了基于激光器的光源100的第三实施例的主要简图。基于激光器的光源100是透射布置，其中激光10部分地照射光转换设备130的光转换器并且基本上在相同的方向上发射转换光。在这种情况下，发射光20再一次包括激光10和转换光的混合物。在这种情况下，光学布置150包括非球面透镜的集成布置，其中与关于图1和图5讨论的实施例相反，非球面透镜的平坦表面远离激光器110被取向。光学散射单元被集成在非球面透镜的平坦表面上以便在第一方向和/或第二方向上加宽光转换器上的激光器110的图像。此集成布置可以能够实现非常紧凑的基于激光器的光源100。

图8示出了基于激光器的光源100的第四实施例的主要简图。激光器110将激光10发射到光转换设备130，该光转换设备130包括用以将激光10转换为转换光20的磷光体。在此实施例中，由基于激光器的光源100发射的发射光20仅包括转换光20，该转换光20被由光转换设备130包括的反射镜反射。激光10在碰撞磷光体之前经过光学布置150。光学布置150包括光学成像单元152，其被布置为将激光器110的发光区域的图像聚焦在磷光体的表面上。在这种情况下，激光器110是具有狭缝状发光区域的边缘发射半导体二极管，其中狭缝的最长延伸垂直于附图的平面。此方向限定了第二方向52。在这种情况下，光学成像单元152包括具有在激光器110的方向上取向的平坦表面的球面透镜。光学布置150进一步包括分光单元158和光学散射单元。在此实施例中，分光单元158被提供在光学成像单元152和光学散射单元之间。在其他实施例中，分光单元158、光学成像单元152以及光学散射单元的布置的顺序可以是不同的。光学散射单元是第一柱面透镜阵列154，其中柱面透镜的轴平行于第二方向被布置，以便在第一方向上加宽激光器的图像。分光单元158是线性延伸棱镜的阵列，其中棱镜是平行于第一方向（垂直于第一柱面透镜阵列154的柱面透镜的线性延伸）而线性延伸的。分光单元158被布置为提供激光器110的狭缝的四个相邻的图像（四棱镜表面），该四个相邻的图像在第一方向上彼此靠近被布置（参见关于图9提供的解释）。第一柱面透镜阵列154在光转换设备130的表面上提供相邻图像的若干重叠图像。分光单元158和第一柱面透镜阵列154被提供在光学聚焦单元152和光转换设备130之间。光学轴的配置以与关于图1描述的相同的方式被布置。不同的光学元件之间的距离（尤其是相对于光转换设备130的表面）被适配以便提供相邻图像的重叠图像。

图9借助于激光器11’的变换图像示出了在没有分光单元158的情况下（左侧）与具有分光单元158的情况下（右侧）的光转换设备130的表面上的强度分布之间的比较。在左侧，示出了借助于光学散射单元153在第一方向51上延伸的两个重叠的图像11a、11b。在这种情况下，第三方向53垂直于光转换设备130的光接收表面（表面法线）。激光器110的狭缝（激光10通过其被发射）的宽度导致激光的强度在垂直于狭缝的延伸的边缘处降低。在第一方向51上加宽激光器110的图像不具有在变换图像11’的边缘处的下降（或上升）的斜率在第一方向上被放大（参见左侧）的效果。分光单元158与关于图8讨论的相似。分光单元158与光学散射单元153相组合地被布置，使得每个重叠的图像11a、11b包括三个相邻的图像。光学布置150被布置（尤其是由光学布置150包括的不同光学单元的相应距离和顺序取决于基于激光器的光源100的整体配置而被计算）使得三个相邻图像仅在相应强度分布的下降（或上升）的斜率的区中重叠。因此，右侧的重叠图像11a、11b的整体强度分布与左侧的重叠图像11a、11b的强度分布相似，但是由于三个相邻的图像，下降（或上升）的斜率的放大被减小到三分之一。这在右侧的激光器11’的变换图像中被示出，与左侧的强度分布相比，右侧的激光器11’的变换图像被强度分布的边缘处的更陡峭得多的斜率表征。因此，可以改进可以借助于基于激光器的光源100提供的转换光20的质量。

虽然已经在附图和前述描述中详细地说明和描述了本发明，但是这样的说明和描述要被认为是说明性或示例性的而非限制性的。

通过阅读本公开内容，其他修改对于本领域技术人员来说将是清楚明白的。这样的修改可以涉及本领域已经已知的和可以代替或附加于本文已经描述的特征而被使用的其他特征。

通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员能够理解并实现所公开的实施例的变型。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（a或an）”不排除多个元件或步骤。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的纯粹事实并不指示这些措施的组合不能用于获益。

权利要求中的任何附图标记不应当被解释为限制其范围。

附图标记列表：

10激光

11激光器的图像

11a-11k激光器的重叠图像

11’激光器的变换图像

20发射光

50光学轴

51第一方向

52第二方向

53第三方向

100基于激光器的光源

110激光器

130光转换设备

150光学布置

152光学成像单元

153光学散射单元

154第一柱面透镜阵列

156第二柱面透镜阵列

157二维光学透镜阵列

157a球面透镜

158分光单元

a透镜在第一方向上的延伸

b透镜在第二方向上的延伸。