专利名称：照明设备和生成输出光照的方法
技术领域：
本发明涉及照明设备，其包括至少一个发光设备和在该发光设备的光路中的至少一个光学元件，用于生成具有至少一个方向特性的输出光照
背景技术：
包括发光设备的照明设备是已知的，例如，作为车辆照明设备。当前的车辆照明设备是基于灯丝的设备，基于放电的设备或基于发光二极管(LED)的设备。为了以充分的准确度实现规定的光照特征，这些照明设备具有相当大的机械体积，这主要是由诸如白炽灯和高强度放电灯和LED之类的现有照明设备或光源的相对较大尺寸造成。此外，难以从单个照明设备获得多于一个光照特征或光束图案。当前的基于灯丝的车辆照明设备可产生 “高光束”和“低光束”，可通过在两个不同灯丝之间切换来处理。在例如客车的当代车辆中，需要更多不同的前照明特征(例如，停车灯，白天行驶灯，转弯时的侧指向光束(side-pointing beam)，雾灯和在只有远处过来的车辆的情况下使用的半高光束)。DE4228895A1示出了一种照明设备，其形成为车辆照明设备且包括多个发光设备，其形成为用于发光的激光器；和在发光设备的光路中的至少一个光学元件，其用于生成具有一个静态方向特征的输出光照。
发明内容
本发明的目的是提供一种紧凑的照明设备，其可生成具有多个方向输出特征的光照。为了实现这个目的，根据本发明的照明设备还包括屏幕状构件和光学设备，屏幕状构件用于改变通过它的光的至少一个物理性质，光学设备用于在屏幕状构件上生成中间图像，屏幕状构件和光学设备都位于发光设备与光学元件之间的光路中，其中光学元件是用于投射所述图像的光学元件。该照明设备可使用作为光源的发光设备以及用于形成和/或修改图像的光学设备来生成多个不同的中间图像。光学设备在所发射的光的方向上位于发光设备的后面。光学元件是照明设备的准直元件。准直元件在离开屏幕状构件的光的方向上位于中间屏幕状构件的后面。准直光学元件将在屏幕状构件上生成的中间图像的空间坐标基本上转换成具有指定方向特征的输出光照的角坐标。以此方式，构造了一种紧凑的照明设备，其可产生各种不同形状的光锥，全都来自同一个设备。光路由发光设备、光学设备、屏幕状构件和光学元件确定。发光设备优选地为激光器(光通过受激辐射发射而放大)和/或高光亮度 (luminance)发光设备。激光器的亮度(brightness)(光亮度)至少是常规LED可实现的亮度的100倍ClO9CdAi2对 107cd/m2)。激光器优选地为固态激光器和/或激光二极管。 在本发明中，术语“高光亮度发光设备”涉及光亮度等于或高于4 · 107Cd/m2 ( > 40坎德拉每平方毫米，等效于40兆尼特40Mcd/m2)的发光设备。由于其高得多的亮度，包括高光亮度发光设备的照明设备可比现有的包括常规发光二极管(LED)的照明设备更紧凑。根据本发明的优选实施例，照明设备是车辆照明设备。在诸如客车的当代车辆中， 需要更多不同前照明特征。根据本发明的优选实施例，屏幕状构件还使光的方向特征与不同的物理性质相匹配。光的物理性质或各性质是光的颜色和/或光的频率和/或光的偏振。中间屏幕状构件优选地是至少部分透明的屏幕状构件或反射性屏幕状构件。反射性屏幕状构件优选地包括第一子构件和相对于由反射性屏幕状构件反射的光在第一子构件后侧上的反射性第二子构件，第一子构件用于改变通过它的光的至少一个物理性质。一般而言，多个不同类型的屏幕状构件可用作操纵构件。屏幕状构件优选地是磷光板(phosphor plate)或磷光膜(phosphor film)。光或光束用于泵浦磷光板或磷光膜。 磷光板或磷光膜优选地由铈掺杂的钇铝石榴石磷光体(Ce-掺杂的YAG磷光体)或陶瓷磷光体(特别是“lumiramic”陶瓷磷光体)制成。根据本发明的另一优选实施例，发光设备是发蓝光和/或紫外光的设备。由发光设备发出的蓝光和/或紫外光用于泵浦磷光板或磷光膜(优选地由铈掺杂的钇铝石榴石磷光体和/或陶瓷磷光体制成)以便形成离开磷光板或磷光膜的白光。屏幕状构件优选地使光的方向特征与不同颜色相匹配。在本发明的另一优选实施例中，光学设备包括至少一个扫描设备。屏幕状构件上的图像通过发光设备(特别是激光器)发出的光的李萨如式扫描(Lissajous-like scanning)或逐行扫描而生成。此外或替代地，光学设备包括具有至少一个全息图(hologram)的至少一个全息图设备。根据本发明的优选实施例，全息图是固定的全息图和/或可互换的全息图和/或可控制的全息图。根据本发明的优选实施例，照明设备包括光圈构件，其用于限制输出光照的光锥。 通过使用这个光圈构件，至少一个输出光照可具有明晰的边界线。根据本发明的另一优选实施例，车辆照明设备是头灯设备，其照亮车辆前方的区域。该区域是车辆正在其上通过的道路或街道的区域。本发明还涉及一种生成具有多个方向特征的输出光照的方法，该方法使用至少一个发光设备、光学设备、屏幕状构件和至少一个光学元件来生成具有方向特征的输出光照， 该方法包括以下步骤
_通过使用由发光设备和光学设备发出的光在屏幕状构件上生成至少一个中间图像； "借助于所述屏幕状构件改变光的至少一个物理性质；以及， "借助于所述光学元件投射所述图像。 发光设备优选地为激光器，更优选地为半导体激光器。光的物理性质的改变优选地为颜色和/或偏振的改变。更优选地，发光设备是发射蓝光和/或紫外光的设备。由发光设备发出的蓝光和/或紫外光用于泵浦屏幕状构件， 屏幕状构件形成为磷光板或磷光膜，优选地由铈掺杂的钇铝石榴石磷光板或陶瓷磷光体制成，以便形成离开磷光板或磷光膜的白光。根据本发明的优选实施例，通过更改中间图像和/或通过移动用于限制所述输出光照的光锥的光圈构件而改变所述光圈来改变所述输出光照的方向特征。
参考下文描述的实施例，本发明的这些和其它方面将会变得清楚明白并被阐明。在附图中
图IA示出根据本发明的第一实施例的形成为车辆照明设备的照明设备的布置； 图IB示出由图IA的车辆照明设备生成的光照强度特征曲线； 图IC示意性地描绘了在照明设备的中间屏幕状构件上的不同类型的中间图像； 图2示出根据本发明第二实施例的车辆照明设备的布置； 图3示出根据本发明第三实施例的车辆照明设备的布置；以及图4A-图4C示出照明设备的光学设备的三个不同实施例。
具体实施例方式图IA示出形成为车辆照明设备2的照明设备1，其包括发光设备3，其形成为发光(激光)的激光器3’(光通过受激辐射发射而放大)；光学设备4 ；屏幕状构件5 ；附加的光圈构件6 ；以及，光学元件7。激光器3是固态激光器8 (未示出)，优选地为半导体激光器。光学设备4在所发射的光方向上位于激光器3’的后面。光学设备4使光偏转以便在屏幕状构件5上生成中间图像9 (在图IC中示出)。屏幕状构件5是形成为磷光板11的至少部分透明的屏幕状构件10。磷光板11操纵光的至少一个物理性质，即其颜色。由撞在透明屏幕状构件10的第一侧上的激光生成的自发光图像9在透明屏幕状构件10的相反的第二侧可见。光学元件7是用于借助于光锥14将具有指定的方向特征的图像9投射在车辆照明设备1前面的区域13上的光学元件12。照明设备1的光路15由激光器3’、光学设备4、屏幕状构件5和光学元件12确定。 此外，光锥14受到位于屏幕状构件5与光学元件12之间的光路15的一个横向(lateral) 离轴部段中的光圈构件6限制。光圈构件6形成为刀口屏幕16，用于生成一个具有指定的输出特征的光照的明晰轮廓。图1至图3所示的车辆照明设备2是头灯设备17。照明设备1可以使用作为光源的发光设备3 (特别是激光器3’ )和用于形成和/ 或修改图像9的光学设备4在屏幕状构件5上生成多个不同的中间图像9。激光器2优选地为固态激光器8。发光设备3是发出蓝光和/或紫外光的设备18。由发光设备18发 出的蓝光和/或紫外光用于泵浦磷光板11以便形成白光。所述磷光板11优选地由铈掺杂的钇铝石榴石磷光体或陶瓷磷光体制成以便形成离开磷光板11的白光。光学元件12是照明设备1的准直元件12。准直元件12在离开屏幕状构件5的光的方向上位于中间屏幕状构件5的后面。准直元件12将在屏幕状构件5上生成的中间图像9的空间坐标基本上转换成具有指定的方向特征的输出光照的角坐标。以此方式，构造了一种紧凑的照明设备1，特别是紧凑的车辆照明设备2，其可产生若干不同形状的光锥， 全都来自同一个设备1。汽车头灯所需的输出特征(光束分布(profile))受到严格规定。举例说明而言，在图IB中描绘了“低光束”分布的要求(R98-在垂直方向配备有气体放电光源的机动车前照灯)。在地平线与低0.57°的点之间，要求光亮度从1 Iux(最大)增加到20 Iux(最小)。对于形成为具有30mm焦距的准直透镜的光学元件7而言，在常规铈掺杂的钇铝石榴石(Ce:YAG陶瓷)磷光板11中在大约300 μ m的距离上难以到达这样的对比(1:20)。图IB的示意图示出强度曲线19 (相对于仰角的强度)，其表示在120 μ m厚的磷光板11中的要求，其中实现了与基于常规LED光源的头灯设备17相比100倍的亮度。这意味着投射光学元件12的焦距应为大约30mm，这使得难以达到充分的耦合NA以及进而充分的耦合效率。为了达到甚至更高的对比(可能高达1:200，因为准直光学器件将通常减小道路上的可获得的对比)，可能需要特殊提供(provision)，或者通过应用刀口屏幕16和/或在磷光板11的构造中。刀口屏幕16可被构造成在其将处于产生低光束的位置的场合下可借助于电机移动且被移除以产生高光束。图IC是在具有图像9的屏幕状构件5的第二侧上所取的侧视图。以三种不同方式在构件5上生成图像9。图IC中左侧的图像9通过李萨如式扫描(Lissajous-like scanning)生成。图IC中右 侧的图像9通过逐行扫描生成，且之间的图像9使用图4中示出的全息图20通过全息控制而生成。本发明不仅适用于其中磷光板11在一侧被泵浦且输出光束从另一侧出现的几何形状，而且也适用于其中磷光板11在一侧被泵浦且所生成的光束从同一侧发射的几何形状。图2示出具有反射性屏幕状构件21的车辆照明设备1。反射性屏幕状构件21优选地为磷光板11或磷光膜，相对于由反射性屏幕状构件21反射的光在后侧具有反射性膜。为了获得可编程的激光束图案，也能使用多于一个激光器3’和/或激光器阵列。 不同发光设备3或发射点可放置成使得磷光板11的不同部分被照射，这得到磷光板11处总光束图案的可编程性。图3示出照明设备1，其具有形成激光器系统22的三个激光器3’。根据本发明的另一实施例，磷光板11或磷光膜的磷光体组成被制成在空间上可变(作为横过磷光板11的空间坐标的函数可变)，同时可借助于出现的光(或激光束)的辐射角而使其颜色可变(且因此对于辐射的图案的不同部分是不同的)。图4A，图4B和图4C示出发光设备3 (特别是激光器3’)和光学设备4的装置23 的三个不同组件。装置23包括发出激光的激光器3’，准直透镜24和光学设备4。在该装置23内，光学设备4在经准直的激光的方向上位于激光器3’和准直透镜24后面。光学设备4使激光偏转以便在屏幕状构件5上生成中间图像9 (在图IC中示出)。图4A中所示的光学设备4包括扫描设备25。扫描设备25包括在XYZ-操纵器27的托架(holder)中的聚焦透镜26，XYZ-操纵器27用于在垂直于经准直的激光(激光束)的XY平面中以及在经准直的激光的Z方向上移动透镜26以使所述透镜26散焦。这种XYZ-操纵器27在⑶和 /或DVD设备领域中是熟知的。在图4Β中示出的光学设备4包括全息图设备28。所述全息图设备28包括固定的全息图20或可互换的全息图20，以及聚焦透镜26。图4C中所示的光学设备4包括全息图设备28，全息图设备28包括可编程的全息图20和聚焦透镜26。包括全息图设备28的光学设备4使用相干激光通过执行傅里叶变换来在中间屏幕状构件5处生成中间图像9的指定振幅分配。本发明还涉及一种生成具有至少一个方向特征的输出光照的方法，该方法使用至少一个发出蓝光的发光设备18、光学设备4、磷光板11和至少一个光学元件12，该方法包括以下步骤
-通过使用由发光设备18和光学设备4发出的光，在屏幕状构件3上生成至少一个中间图像9，
-借助于所述磷光板11改变蓝光的颜色以生成白光，以及
-借助于光学元件12投射所述图像9以生成具有方向特征的输出光照。此方法在图 1A、图2和图3中所示的照明设备中执行。在附图和前文的描 述中以非限制性实例详细地图示和描述了本发明，但本发明并不限于所公开的实施例。所公开的实施例的其他变型可由本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时， 通过研究附图、公开内容和所附权利要求书而理解和实现。在权利要求中，动词“包括”及其变化形式的使用并不排除除权利要求中记载的元件或步骤以外的其它元件或步骤，且不定冠词“一”并不排除多个。在互不相同的从属权利要求中陈述某些措施这一起码事实并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不应被理解为限制范围。
权利要求
1.一种照明设备(1)，包括至少一个发光设备(3)和在发光设备(3)的光路(15)中的至少一个光学元件(7)，用于生成具有至少一个方向特征的输出光照，其中所述照明设备(1)还包括屏幕状构件(5)和光学设备(4)，所述屏幕状构件(5)用于改变通过它的光的至少一个物理性质，所述光学设备(4)用于在所述屏幕状构件(5)上生成中间图像(9)，所述屏幕状构件(5)和所述光学设备(4)这二者都位于所述发光设备 (3)与所述光学元件(7)之间的光路(15)中，其中所述光学元件(7)是用于投射所述图像 (9)的光学元件(12)。
2.根据权利要求1所述的照明设备，其中所述发光设备(3)是高光亮度发光设备和/ 或激光器(3’)。
3.根据权利要求1所述的照明设备，其中所述照明设备(1)是车辆照明设备(2)。
4.根据权利要求1所述的照明设备，其中所述光的物理性质是光的颜色和/或光的偏振。
5.根据权利要求1所述的照明设备，其中所述屏幕状构件(5)是至少部分透明的屏幕状构件(10)或反射性屏幕状构件(21)。
6.根据权利要求1所述的照明设备，其中所述屏幕状构件(5)是磷光板(11)或磷光膜。
7.根据权利要求1所述的照明设备，其中所述发光设备(3)是发出蓝光和/或紫外光的发光设备(18)。
8.根据权利要求1所述的照明设备，其中所述光学设备(4)包括至少一个扫描设备 (25)。
9.根据权利要求1所述的照明设备，其中所述光学设备(4)包括具有至少一个全息图 (20)的至少一个全息图设备(28)。
10.根据权利要求9所述的照明设备，其中所述全息图(20)是固定的全息图(20)和 /或可互换的全息图(20)和/或可控制的全息图(20)。
11.根据权利要求1所述的照明设备，其中所述照明设备还包括光圈构件(6)，光圈构件(6)用于限制所述输出光照的光锥(14)。
12.根据权利要求3所述的照明设备，其中所述车辆照明设备(2)是头灯设备(17)。
13.—种生成具有多个方向特征的输出光照的方法，其使用至少一个发光设备(3)、光学设备(4)、屏幕状构件(5)和至少一个光学元件(12)来生成具有方向特征的输出光照，所述方法包括以下步骤-通过使用由所述发光设备(3)和所述光学设备(4)发出的光在所述屏幕状构件(5) 上生成至少一个中间图像(9)，-借助于所述构件(5)改变所述光的至少一个物理性质，以及 _借助于所述光学元件(12)投射所述图像(9)。
14.根据权利要求13所述的方法，其中通过更改所述中间图像(9)和/或通过移动用于限制所述输出光照的光锥(14)的光圈构件(6)而改变所述光圈来改变所述输出光照的方向特征。
全文摘要
本发明涉及照明设备(1)，其包括至少一个发光设备(3)和在该发光设备(3)的光路(15)中的至少一个光学元件(7)，用于生成具有至少一个方向特征的输出光照。根据本发明的照明设备还包括屏幕状构件(5)和光学设备(4)，屏幕状构件(5)用于改变通过它的光的至少一个物理性质，光学设备(4)用于在屏幕状构件(5)上生成中间图像(9)，屏幕状构件(5)和光学设备(4)这二者都位于该发光设备(3)与该光学元件(7)之间的光路(51)中，其中光学元件(7)是用于投射所述图像(9)的光学元件(12)。本发明还涉及生成具有多个方向特征的输出光照的对应方法。
文档编号F21S8/10GK102224374SQ200980146392
公开日2011年10月19日 申请日期2009年11月11日 优先权日2008年11月21日
发明者A·瓦尔斯特, J·A·舒格, R·R·德伦滕 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司