用于计算光学透镜的表面的方法和按该方法计算的用于机动车前照灯的光模块的投影透镜的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于计算光学透镜(10)的表面(12,13)的方法以及一种带有按所述方法计算出的表面(12,13)的光学透镜(10)。该方法包括以下步骤：a)预先规定希望的光分布，b)使第一表面(13)变形，目的是在光分布中产生不同大小的光源图像(30)；c)使第二表面(12)变形，使所有的光源图像(30)这样移动，使得光源图像以其最高的点直接位于生成的光分布的明暗分界线上，d)通过与预先规定的光分布比较确定生成的光分布的质量；e)如果质量在能预先规定的临界值之上，存储计算出的表面(12,13)并终止方法，f)否则重新使第一表面(13)变形，g)重新使第二表面(12)变形，h)重复步骤f)和g)，直至生成的光分布的质量处于临界值之上，以及i)存储计算出的表面(12,13)并终止方法。
【专利说明】用于计算光学透镜的表面的方法和按该方法计算的用于机动车前照灯的光模块的投影透镜
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于计算光学透镜的表面的方法。本发明还涉及一种用于实现该方法的计算机程序。本发明还涉及一种用于机动车前照灯的光模块的投影透镜。该投影透镜设计用于将至少一部分由光模块的光源发出的光线投影到配设前照灯的机动车前面的行车道上用于产生近光的光分布。此外，本发明涉及一种用于机动车前照灯的光模块。该光模块包括用于发出光线的光源和用于将至少一部分由光源发出的光线投影到配备有前照灯的机动车前面的行车道上用于产生近光的光分布的投影透镜。
[0002]最后，本发明涉及一种机动车前照灯。其包括光模块，该光模块包括用于发出光线的光源和用于将至少一部分由光源发出的光线投影到配备有前照灯的机动车前面的行车道上用于产生近光的光分布的投影透镜。
【背景技术】
[0003]在机动车照明装置领域，尤其在机动车前照灯领域，原则上能够划分两种不同类型的光模块。在所谓的反射模块中，借助于反射器在机动车前面的行车道上产生希望的光分布，该反射器将由光源发出的光线反射到行车道上，用于产生希望的近光的光分布。
[0004]在投影模块中，在光路中额外设有投影透镜，其将由反射器或其它类型的初级光学器件束集的光线投影到机动车前面的行车道上，用于产生希望的近光光分布。为了产生近光光分布，通常在初级光学器件和投影透镜之间设置遮挡装置，其中，该遮挡装置的上边棱为了产生近光光分布的明暗分界线由投影透镜成像在机动车前面的行车道上。
[0005]反射模块由于与光源和反射区域的不同间距和视角在生成的光分布中具有不同大小的光源图像。可以良好地利用不同大小的光源图像，以便在设计这种反射模块时利用不同大小的光源图像照亮生成光分布的不同区域。因此例如已知的是，使用小的光源图像来形成近光的光分布的明暗分界线并且用于实现光分布尽可能大的有效范围，方式是将小的光源图像尽可能近地在明暗分界线下面反射到光分布的一个位置中。反之，大的光源图像经常被用于照亮机动车前部地带或附近区域且用于生成的光分布中的侧面照明。尤其希望将光线在远方直接置于明暗分界线下面，以便可能仅通过尽可能小的光源图像实现生成的光分布的尽可能大的有效距离。
[0006]在投影模块中，为了束集由光源发出的光线，使用反射器或其它类型的初级光学元件。因此例如已知的是，采用透镜系统或所谓的附加光学器件作为初级光学器件。附加光学器件通常由透明的玻璃或塑料材料构成，由光源发出的光线耦入到该附加光学器件中。耦入的光线至少部分在外边界面被全反射并且接着从附加光学器件射出。耦入的光线没有全反射的部分优选直接再次从附加光学器件射出。在此，光线的束集通过在光入射面和/光出射面的折射且通过在附加光学器件的分界面上的全反射实现。
[0007]另外，在投影模块中使用次级光学器件来将束集的光线成像在行车道上并且用于产生希望的近光的光分布。次级光学器件可以设计为反射器或者投影透镜。投影透镜可以将由初级光学器件通过束集的光线在中间平面中产生的中间光分布成像在远方或者设计为所谓的直接成像的系统。
[0008]在直接成像的投影模块中，例如包括一个或多个发光二极管(LED)的光源通过投影透镜成像在行车道上，而不需要其它光学作用的面来束集或偏转光束。这种直接成像的投影模块通过恰当形式的投影透镜产生光分布，该光分布在水平和竖直方向具有规定的延伸。
[0009]由现有技术还已知有投影透镜，其这样设计，使得其能够在没有设置在光路中的额外遮挡装置的情况下产生带有基本上水平的明暗分界线的近光光分布。明暗分界线在此可以足以满足ECE-、SAE-或任意其它法律要求。
[0010]由现有技术已知设计用于在机动车前照灯的光模块中的投影透镜这样成形，使得透镜的一侧要么是平地、凸地或凹地成形。在此，离开已知的投影透镜的光束的发散在投影透镜的整个光出射面上几乎相同。这种投影透镜的光源的图像在与光模块或机动车前照灯以一间距设置的测量屏幕上全部具有类似的大小。因此投影模块明显区别于反射模块。
[0011]由投影模块产生的几乎相同大小的光源图像导致在产生这种投影模块的生成的光分布时不存在这样的可能性，即，将不同大小的光源图像偏转到生成的光分布的不同区域中。尤其没有特别小的图像，其可以被用于产生光分布的高的有效距离，并且没有特别大的光源图像，其可以用于照亮前部地带或在光分布的区域中侧面照明。尽管如此，为了使生成的投影模块的光分布还满足要求的客户需求，由现有技术已知的是，将大致相同大小的光源图像偏转到光分布的希望的区域中，而不影响其大小。尤其在已知的投影模块中，仅借助于较小的光源图像的下降实现令人满意的前部地带照明。这意味着，光源图像必须从直接在明暗分界线下面的区域向下移动到光分布的前部地带。这导致，明暗分界线的有效距离和梯度被削弱。
[0012]尽管理论上可以通过光源和投影透镜之间的间距改变图像尺寸。但是为了获得小的光源图像，必须增大间距。然而这导致投影透镜也必须横向于照射方向增大，以便接收相对光源而言的相同的空间角。备选地，在横向于照射角的尺寸相同时，更少的光线量透过投影透镜，这将会减弱投影模块的效率。
【发明内容】
[0013]从现有技术出发，本发明所要解决的技术问题是，相应构造和改进设计一种用于计算光学透镜的表面的方法，一种投影透镜，一种投影模块和/或一种机动车前照灯，使得能够产生带有不同的图像尺寸的成像的系统，因此获得了不同大小的光源图像，这些光源图像然后可以被针对性地偏转到生成的光分布中的希望的区域中。尤其希望的是，也在直接成像的投影模块中提供用于照亮直接在明暗分界线下面的光分布区域的较小的光源图像和用于照亮前部地带中和/或光分布的侧面区域中的光分布的区域的较大的光源图像。
[0014]为了解决该技术问题建议一种开头所述类型的方法，其特征在于，
[0015]a)预先规定希望的光分布，该光分布应当由通过计算的透镜(10)的光线产生，
[0016]b)使所述透镜的第一表面变形，目的是在光分布中产生不同大小的光源图像；
[0017]c)使透镜的与第一表面相对的第二表面变形，目的是使所有的光源图像这样移动，使得光源图像分别以其最高的点直接位于生成的光分布的明暗分界线旁或上，该光分布通过透镜以变形的表面产生；
[0018]d)通过与预先规定的光分布比较确定生成的光分布的质量；
[0019]e)如果质量在能预先规定的临界值之上，存储计算出的用于透镜的表面并终止方法，
[0020]f)否则重新使第一表面变形，目的是在光分布中产生光源图像更大或更小的束；
[0021]g)重新使第二表面变形，目的是使所有的光源图像这样移动，使得光源图像分别以其最高的点位于生成的光分布的明暗分界线旁或上，
[0022]h)重复步骤f)和g)，直至生成的光分布的质量处于临界值之上，以及
[0023]i)存储计算出的用于透镜的表面并终止方法。
[0024]希望的光分布可以在步骤a)中通过法律法规(例如ECE-，SAE-或其它法规)或者通过客户的需求(例如前照灯厂商或机动车厂商)预先规定。因此例如可以是这样的客户需求，即，实现符合法律要求的近光灯分布、该近光灯分布带有特别清晰分界的明暗分界线和/或特别近的靠近机动车的前部地带照明和/或一个或多个特别亮地照明的侧板区域。这可以通过按本发明的带有投影透镜的光模块或前照灯实现，其表面按按本发明的方法计算出。
[0025]步骤b)在计算机上根据待计算的透镜的数学模型被模拟。在此，优选这样计算或改变透镜表面的离散点，使得通过透镜的变形区域的光束产生更大或更小的光源图像。光源图像的大小同样可以根据用于变形的透镜的光路的数学模型模拟。第一透镜表面的变形是良好地在生成的光分布中照亮前部地带和/或光分布的侧面区域并且同时还有足够的光线用于产生清晰分界的明暗分界线的前提。这由此实现，即，不是像现有技术中常见的那样，将光源图像简单地向下下降到前部地带或者侧向移动到侧边区域。在此，不存在移动到前部地带或侧边区域中用于产生明暗分界线的光线。而是，在本发明中，这样使第一透镜表面变形，使得产生了不同大小的光源图像。
[0026]在步骤c)中，然后这样使另一透镜表面变形，使得所有的光源图像分别以其最高点紧密地位于明暗分界线旁或上。这在模拟的范畴中根据变形的透镜的数学模型计算出。因此，光源图像全部尽可能近地靠近明暗分界线。大的光源图像以其下部区域延伸至前部地带。大的光源图像的下部也可以用于形成前部地带照明。但是同时，大的图像的上部区域设置在明暗分界线旁或上，使得在此不会像在现有技术中那样由于整个光源图像下降到前部地带中那样出现光线丢失。
[0027]在此可以通过外部边界条件预先规定透镜表面变形的类型和范围。这些边缘条件例如可以是光模块或前照灯中的结构规定(例如空间位置)。因此，在光模块深入设置在前照灯中时这样进行在透镜下部区域中的透镜表面的变形，使得在该区域中产生小的光源图像。由于较少发散的光束，更少的光线例如照射到盖框架上，因此更多的光线可用于产生生成的光分布并且同时减少了干扰的反射。通过表面在透镜的上部和下部区域中变形，使得能够如在迄今仅通过反射系统才能实现的那样产生光分布。在此，优选产生原来较大光源图像的区域这样变形，使得光源图像变得更大。类似的应用可以被用于由原本小的图像产生更小的光源图像。
[0028]在步骤d)中，可以通过以任意方式与前述在步骤a)中预先规定的光分布比较确定生成的光分布的质量。例如，可以检查亮度分布的最大值是否位于光分布预先规定的位置上，尤其是足够靠近明暗分界线。同样可以检查在前部地带和/或在光分布的侧边区域中生成的光分布的亮度值是否满足由预先规定的光分布的规定。另外，可以考虑检查，明暗分界线上方的亮度值是否不超过法律规定的最大值。也可以根据多个不同的标准对生成的光分布进行评估。可以人工或自动地进行光分布的质量的评估。
[0029]如果生成的光分布的质量还不满足规定的要求(参见步骤f)，在重复的方法(参见步骤g和h)中将待计算的透镜的表面一直继续这样变形，使得一方面产生不同大小的光源图像，并且光源图像全部以其最上方的点位于明暗分界线旁或上，另一方面，由单个光源图像叠加形成的生成的光分布尽可能良好地对应于预先规定的光分布。为了确定生成的光分布的质量，也可以简单地计算执行的重复流程的次数。按照本发明的一种优选的实施形式，重复的方法在一预定数量的重复流程之后被中断。
[0030]因此例如可以考虑的是，在生成的光分布的亮度最大值不足够靠近明暗分界线时，通过继续减小用于小的光源图像的光束的发散度产生更小的光源图像。然后，较小的图像最大值可以更靠近明暗分界线，使得生成的光分布的最大值整体往回靠近明暗分界线。然后通过在步骤h)中检查生成的光分布的质量来检查在重复的方法步骤g)和h)中实现的透镜表面的变形是否实现了希望的效果。
[0031]如果满足了中断标准，也就是当光分布的质量满足预先规定的临界值，也就是当生成的光分布在希望的程度上对应于预先规定的光分布，则存储为透镜的表面计算的值。中断标准也可以规定为达到预定数量的重复流程。存储的值可以被用于制造符合该值的透镜或为了模拟目的，例如用于模拟配有透镜的光模块的辐射曲线，或者在设计配有透镜的光模块或前照灯时用作CAD-数据。
[0032]本发明建议，第一表面是光出射面，而第二表面是光入射面。当然，该方法也可以设计为，首先为了改变光源图像的大小使光入射面变形，然后为了将光源图像的最高点定位在明暗分界线旁或上而使光出射面变形。
[0033]以这种方式计算的按本发明的投影透镜的特征在于，投影透镜的成像特性被这样选择，使得为了产生近光的光分布使小的光源图像直接在光分布的明暗分界线下面凸出且使大的光源图像一直凸出到前部地带和/或光分布的侧边区域中。
[0034]借助于按本发明的投影透镜可以产生具有不同图像尺寸的成像系统。为此，替代常见的成像投影透镜使用这样一个投影透镜，其仅使由初级光学器件产生的中间光分布的一个小区域清晰成像，由其余区域构成的中间光分布由于在投影透镜的竖直截面上看局部不同的、与位置有关地变化的图像尺寸而不清晰地成像。这导致借助于按本发明的投影透镜产生不同大小的光源图像。为了在近光光分布的明暗分界线的区域内产生最大值和/或局部的梯度，在光分布内部采用小的光源图像。其可以非常精确地将光线局部集中。为了产生相同形状的光分布，特别是在前部地带或在光分布的侧面延伸中，采用较大的光源图像。本发明使得这样构造投影系统和机动车前照灯，其可以通过唯一一个投影透镜产生小的和大的光源图像。
[0035]这种投影透镜可以借助于新式的计算机程序计算。类似于已经对于所谓的自由成形反射器已知的那样，其为投影模块给定的结构条件计算投影透镜的形状，以便能够产生带有希望数量和位置的较小和较大的光源图像的希望的光分布。
[0036]投影模块的结构条件例如是光源和投影透镜之间的间距，投影透镜的直径，投影透镜的焦距，光源关于投影透镜的焦点的布置、光源的类型、构造和/或朝向。这些和其它边缘条件可以作为边缘参数预先规定并且由计算机程序在进一步的计算中考虑。计算机程序从投影透镜的预先给定的形状开始，该投影透镜带有光入射面和光出射面的预定的表面曲线。然后，计算机程序按照根据本发明的重复方法为离散点确定必须使预先规定的透镜变形的值，以便生成的光分布尽可能近地靠近预先规定的光分布。最后，可以在透镜表面计算的离散点之间内插，使得以接近的方式获得投影透镜的透镜入射面和/或透镜出射面的形状或表面曲线，其适于产生希望的光分布。
[0037]投影透镜的形状或透镜表面的曲线的计算可以针对希望的光分布在竖直方向且针对希望的光分布在水平方向相互分开进行，尤其是依次进行。投影透镜的表面曲线可以在离散点这样变化，直至尽可能好的实现希望的光分布。计算机程序在此执行重复的方法，当实际实现的光分布在规定数量的离散点中尽可能近地靠近希望的光分布，则停止该计算机程序。如果满足中断标准，则终止通过计算机程序实现的方法。计算出的用于适于产生希望的光分布的投影透镜的形状和/或表面曲线的数据可以直接用于制造透镜，例如通过输入到铣床中，以便由玻璃块铣削出希望的投影光学器件。
[0038]按照按本发明的方法的一种有利的改进设计建议，借助于优化程序确定光分布的质量。优化程序有利地利用目标函数来描述生成的光分布，该光分布通过具有变形的表面的透镜实现，其中尝试通过表面的变形使目标函数最小化。优选采用偏差平方和作为目标函数。为了使偏差平方和最小化，优选使用最小二乘法。
[0039]为了能够在自动执行的方法的范畴中确定生成的光分布的质量，可考虑各种方式。作为一种可能的方式建议，将预先规定的光分布和通过带有变形的表面的透镜实现的生成的光分布的亮度值在同一像素栅格中针对选定的像素相互比较，并且偏差平方和分别由特定像素中的亮度值的偏差的平方计算出。对于像素栅格选定的像素也分别为生成的光分布和预先规定的光分布确定亮度值。计算在这些像素中的亮度值的偏差并且形成偏差的平方。根据为选定的像素计算出的平方的和可以自动确定生成的光分布的质量。在此可考虑的是，对于不同像素分配不同权重的平方。
【专利附图】
【附图说明】
[0040]本发明的其它特征和优点将在以下参照示出了优选的实施例的附图和详细说明。图中示出:
[0041]图1是由现有技术已知的用于产生用于前部地带照明和/或光分布中的侧边照明的下降的光源图像的投影透镜的竖直截面视图；
[0042]图2是通过图1所示的透镜实现的光分布；
[0043]图3是通过按本发明的按第一种实施例的投影透镜的竖直截面图，用于产生用于最大值和近光光分布的明暗分界线的小光源图像；
[0044]图4是按本发明的投影透镜按第二种实施例的竖直截面图，其用于产生用于前部地带照明和/或光分布的侧边照明的大的光源图像；
[0045]图5按本发明投影透镜的第三种实施例的竖直截面图，用于产生不同大小的光源图像；
[0046]图6是通过图5所示的透镜示例产生的光源图像；
[0047]图7是通过图5所示的透镜通过叠加按图6的光源图像实现的光分布；
[0048]图8a_8b是光分布在竖直方向的规定和为满足该规定设计的按本发明的投影透镜的相应的垂直截面之间的关系，
[0049]图9是按第四种实施例的按本发明的投影透镜的垂直截面图；
[0050]图10是通过图9所示的透镜实现的光分布；
[0051]图11是按第五种实施例的按本发明的投影透镜的竖直截面图，其仅在竖直方向上造成光源变形；
[0052]图12是通过图11所示的透镜示例产生的、仅在竖直方向变形的光源图像；
[0053]图13是通过图11所示的透镜通过叠加按图12的光源图像实现的光分布；
[0054]图14是按第六种实施例的按本发明的投影透镜的水平截面图，其仅在水平方向造成光源的变形；
[0055]图15是通过按图14所示的透镜示例产生的仅在水平方向变形的光源图像；
[0056]图16是通过图14所示的透镜通过叠加按图15的光源图像实现的光分布；
[0057]图17是按第七种实施例的按本发明的投影透镜的透视图，其既在水平方向也在竖直方向导致光源的变形；
[0058]图18是通过图17所示的透镜示例产生的既在竖直方向也在水平方向变形的光源图像；
[0059]图19是通过图17所示的透镜通过叠加按图18的光源图像实现的光分布；
[0060]图20是从按图13的光分布出发通过相对按图11的投影透镜降低光源实现的光分布；
[0061]图21是已知投影透镜的竖直截面图；
[0062]图22是通过图21所示的已知透镜产生的传统光源图像；
[0063]图23是通过图21所示的已知透镜通过叠加按图22的光源图像实现的传统的光分布；
[0064]图24是已知投影透镜的透视图；
[0065]图25是通过图24所示的已知透镜产生的传统光源图像；
[0066]图26是通过图24所示的已知透镜通过叠加按图25的光源图像实现的传统光分布；
[0067]图27是按优选实施形式的按本发明的机动车前照灯；
[0068]图28是通过现有技术已知的按图21的透镜可实现的光分布；
[0069]图29是通过由现有技术已知的按图1的透镜可实现的光分布；
[0070]图30是通过按本发明的透镜可实现的光分布；
[0071]图31是通过由现有技术已知的按图21的透镜可实现的光分布在远区域中的亮度；
[0072]图32是通过由现有技术已知的按图1的透镜可实现的光分布在远区域中的亮度；
[0073]图33是通过按本发明的透镜可实现的光分布在远区域中的亮度；
[0074]图34是通过由现有技术已知的按图21的透镜可实现的光分布在前部地带的亮度；
[0075]图35是通过由现有技术已知的按图1的透镜可实现的光分布在前部地带的亮度；以及
[0076]图36通过按本发明的透镜可实现的光分布在前部地带中的亮度。
【具体实施方式】
[0077]在图27中示出了按优选实施例的按本发明的机动车前照灯。该前照灯整体用附图标记I表示。前照灯I包括壳体2，其优选由塑料制成。在前部部段中，也就是在光出射方向3上看，壳体2具有光出射口 4，其通过透明的盖板5封闭。盖板5可以具有光学作用的元件(例如棱镜或柱形透镜)，其用于优选在水平方向，但也可以考虑在竖直方向散射穿过的光束(所谓的散射片)。盖板5然而优选不设计光学作用的元件(所谓的光片)。盖板5由透明的玻璃或塑料材料制成。
[0078]在前照灯壳体2的内部设置有光模块，其整体用附图标记7表示。光模块7包括光源8，其可以设计为白炽灯、气体放电灯或一个或多个发光二极管(LED)。由光源8发出的光束借助于初级光学器件9束集并且偏转到大致光出射方向3上。在所示的实施例中，初级光学器件9设计为反射器。然而也可以考虑的是，初级光学器件9设计为TIR(全内反射)_附加光学器件。这种附加光学器件由透明的玻璃或塑料材料制成。由光源8发出的光线被耦入到附加光学器件中，在附加光学器件的外边界面上全反射并且然后再次从附加光学器件射出。光束的束集在TIR-附加光学器件中通过在进入到附加光学器件时和在从附加光学器件射出时的折射和/或通过在边界面的全反射实现。
[0079]在束集的光束的光路上，还设置有投影光学器件10，为了产生希望的光分布，其将通过其的光线投影到在配有前照灯I的机动车前面的行车道上。投影光学器件10设计为按本发明的投影透镜，并且在后面还将详细说明。光模块7也被称为投影模块。其是固定的或可围绕水平和/或竖直轴线可转动地设置在壳体2中。投影模块7的光轴用附图标记11表示。
[0080]在投影模块7中使用透镜10，其要么将例如通过反射器9生成的光分布在中间平面成像到远处，要么是所谓的直接成像系统，其中光源8 (通常是LED)通过透镜10成像，而不需要其它光学作用的面用于束集光束。
[0081]这种直接成像的投影系统通过透镜10的恰当形状产生光分布，该光分布在水平和竖直方向具有规定的延展。投影透镜10这样设计，使得投影透镜与初级光学器件9共同作用，在没有额外的设置在光路中的遮盖装置的情况下可以产生近光光分布的明暗分界线。
[0082]明暗分界线在此可以严格水平对称地延伸，或者具有不对称的延伸，例如按照ECE-或SAE-规定。已知的投影透镜这样成形，即，透镜的一侧是平的、凸或凹地形成。
[0083]图21示出了由现有技术已知的传统投影透镜20的竖直截面图，带有用于示例选择的光束的相应光路。在此可清楚看出，离开透镜20的光束的竖直延展或发散与从透镜20的射出点无关地近乎一样大。由此获得的、在以一间距相对配有传统的投影透镜20的前照灯I设置的测量屏21上的光源图像在图22中举例示出。在测量屏21上示出了两个正交的轴线，一个是水平轴HH，一个是竖直轴W。轴线HH，VV在点HV相交。模块7的光轴11优选延伸经过交点HV。可清楚地看出，可以通过传统的投影透镜20产生的光源图像22与其形状略微不同，但是在大小几乎一样。在测量屏21上通过叠加光源图像22获得的光分布23在图23中被示出。
[0084]研究这种已知的透镜20的光路发现，光源8的图像22全部在测量屏21上具有类似的大小。这导致，已知的投影模块在产生希望的光分布时不能产生用于有效距离的特别小的图像22，或用于前部地带照明或侧边照明的较大的图像。
[0085]因为已知的投影透镜20不能产生小的光源图像22，只能通过下降光源图像22实现前部地带照明。这意味着，图像22从明暗分界线向下被移动到前部地带。这必然导致有效距离减小并且明暗分界线上的梯度减弱。
[0086]在图1中示出了由现有技术已知的投影透镜20，其光入射面24相对图21所示的传统的投影透镜20在区域25中略微变化，以便实现降低光源图像22以照明前部地带的已知效果。下降的光束通过箭头标明。这样设计的投影透镜20的光分布23在图2中示出。可以清楚地看出，明暗分界线上的梯度被减弱(光分布的上侧的Isolux-线彼此不是非常靠近)并且光分布23缺少有效距离。
[0087]本发明尤其用于产生带有不同图像大小的成像系统，例如投影模块7。替代由现有技术公开的成像透镜20，使用按本发明的投影透镜10，其仅在小区域中清晰成像，而在其它区域中由于变化的图像大小仅不清晰地成像。这导致，不同大小的光源图像可用于产生希望的预先规定的光分布。为了在光分布的明暗分界线的区域中产生最大值和局部梯度，主要使用小的光源图像。这可以非常精确地局部集中光线。为了产生光分布均匀照亮的区域，尤其在前部地带区域或者在光分布的侧板延伸部，反之使用较大的光源图像。借助于本发明可能的是，这样设计投影系统，使得通过唯一一个投影透镜10可以产生小和大的光源图像。
[0088]本发明尤其基于这样的考虑，即，存在折光物体的光入射面和光出射面的组合，其导致，光源图像22以不同的大小显示在测量屏21上。
[0089]在投影透镜20如图21所示的传统构造中，光束在从透镜射出之后以几乎一样大小的发散度传播。
[0090]在图3中示出了按一种优选的实施形式的按本发明的投影透镜10。所示的投影透镜10的特征尤其在于，其在中央，也就是在投影模块7的光轴11的区域具有以特殊方式构造的光入射面12和相应构造的光出射面13。投影透镜10尤其在中央这样构造，使得光线在光轴11的区域中几乎平行地离开透镜10。这导致较小的光源图像，其特别适于产生用于最大值的光线集中和用于光分布的明暗分界线。这在所示的实施例中由此实现，即，在光入射面12的中央构造一个局部凹陷14以及在光出射面13的中央构造有局部增厚部15。
[0091]在图4中示出了按本发明的投影透镜10的另一种实施例。在此，光入射面12和光出射面13在透镜10的中间区域，也就是在光轴11的区域中这样构造，使得光束在中央强烈发散地离开透镜10。这导致较大的光源图像，其特别适于产生用于前部地带照明和/或侧边照明的光分布均匀的大面积照亮的区域。在所示的实施例中，这例如通过光入射面12的局部增厚部16和光出射面13在投影透镜10的中央的相应局部凹陷17实现。
[0092]尽管按图21，3和4的透镜10，20不同地构造，但所有三个透镜都产生了清晰的水平明暗分界线。每个光束可以这样定向，使得光源图像的最高点位于明暗分界线旁或上。然而按本发明的光模块7的投影透镜10具有这样的优点，通过其可以产生不同大小的光源图像31，其为了优化光分布可以被偏转到光分布的希望的区域中(小的图像紧密靠近明暗分界线，大的图像在前部地带或光分布的侧边区域中)。
[0093]在图5中示出了按本发明的投影透镜10的另一种优选的实施形式，其中，不按比例示出了光入射面12和光出射面13的变化，以便阐明本发明的原理。在图5中示出了投影透镜10，其产生由强烈发散和几乎平行的光束的组合。在此，强烈发散的光束用于在前部地带或者在光分布的侧面产生大的光源图像。反之，几乎平行的光束用于在明暗分界线的区域中产生较小的光源图像。
[0094]相比传统的投影透镜20，较强发散的光束大致在投影透镜10的中央在图5中通过附图标记18表示。与透镜10的中央的间隔处用附图标记19表示相比传统的投影透镜20较强聚集的光束。在投影透镜10的外边缘示出了光束，其发散度大致相当于传统的投影透镜20。如根据图5清楚看出，用于每个光源图像的光束集具有不同的发散度。在这种情况下，光入射面12和光出射面13也用于，使每个光源图像或每个光源图像的最高点直接位于明暗分界线旁。
[0095]在图6中举例示出了通过图5所示的透镜10在测量屏21上产生的光源图像30。可以良好地看出，光源图像30不仅具有不同的形状，而且也具有明显不同的大小。
[0096]通过叠加图5所示的投影透镜10的图6所示的光源图像30可以产生的相应光分布31在图7中示出。因此，所有的光源图像30或其最高点直接位于明暗分界线下面并且通过其在竖直方向的延展区分，一方面，产生清晰的明暗分界线，另一方面实现了良好的前部地带照明。光重心在此与希望的那样靠近明暗分界线。这在明显改善前部地带照明的同时导致光分布31明显更好的有效距离。
[0097]通过本发明以及基于所描述的构思，可以产生用于产生预先规定的光分布31的投影透镜10。也就是说，规定光分布31在测量屏21上的竖直延伸，并且产生了相应的投影透镜10，其相应使光源8成像，使得可以由不同大小的光源图像30产生希望的光分布。希望的照明强度E与在测量屏21上的竖直位置有关地在图8a)中示出。在图Sb)中举例示出了用于由此获得的、适合用于产生预定的光分布的投影透镜10的一种可能性。在此，光入射面12和光出射面13在局部增厚部和局部凹陷区域内的形状没有按比例示出，而是为清晰而放大示出。
[0098]为了产生希望的光分布，存在多个不同的可能性来构造投影光学器件10的光入射面12和光出射面13。在图9中示出了按本发明的、在该情况下关于光轴不对称构造的投影光学器件10的另一种实施例，其中，光束在经过透镜10之后具有比在传统的透镜20中更强的聚焦，该光束大致在投影透镜10的中央通过附图标记19表示。相应地，在通过透镜10之后相比传统的投影透镜20更强发散的光束用附图标记18表示。发散的光束18以一间隔相对透镜10的中央或相对强烈聚集的光束19布置。
[0099]通过图9的透镜10实现在测量屏21上的光分布31在图10中示出。在所有示出和描述的按本发明的投影透镜10的实施形式中的特点在于，可以在光分布31的各个子区域中局部产生光源图像30，其竖直的延展明显不同并且其最高点靠近明暗分界线。
[0100]迄今，仅示出和描述了投影透镜10，其具有光出射面13，该光出射面在竖直方向显得弯曲并且在水平方向几乎是平的。当然也可以这样构造面12，13，使得在光出射面13的竖直和水平方向出现弯曲。这种投影透镜10的例子在图11中示出。在这种情况下，设置有不同的局部的分别在整个透镜10上的透镜部段，其分别具有不同的图像尺寸。在图11中示出的整个透镜10仅在竖直方向使光源8变形。在图12中示出了通过图11所示的透镜10产生的、在测量屏21上的仅在竖直方向变形的光源图像30。相应在测量屏21上生成的光分布31在图13中示出，该光分布由图12所示的图像30叠加而成。
[0101]在图14中在水平截面图中示出了成像的投影透镜10，其仅在水平方向使光源8变形。在此也通过附图标记18表示强烈发散的光束以及通过附图标记19表示聚集光束。通过图14所示的透镜10产生的、仅在水平方向变形的在测量屏21上的光源图像30示例性的在图15中示出。在图16中示出了在测量屏21上相应生成的光分布31。因此，图14所示的投影透镜10除了产生具有高梯度的明暗分界线之外也产生光分布31 (侧面散射)的水平延伸。与光分布31通过不同大小的光源图像30 (参见图12)的竖直延伸一样，在图15中的水平变形中，所有的光源图像30或其最高点位于明暗分界线旁并且有助于光分布的水平中央的最大值。如果如在传统的系统中一样，为了侧面发散将光源图像朝侧面移动，则其在光分布的中央没有提供贡献。
[0102]在图17中举例示出了成像的透镜10的透视图，其将光源8在竖直方向且在水平方向变形。为此，在透镜10的光出射面13上大致在中央构造有局部的凹陷14。通过透镜10产生的在竖直和水平方向变形的在测量屏21上的光源图像30在图18中示出。通过图17的透镜10通过按图18的光源图像30叠加实现的在测量屏21上的相应的光分布31在图19中示出。
[0103]为了与图17所示的按本发明的投影透镜10，图18所示的相应的光源图像30和图19所示的相应生成的光分布31相比较，在图24中示出了由现有技术已知的传统的投影透镜20，在图25中示出了通过图24的已知透镜20产生的传统的光源图像22以及在图26中示出了通过图24的已知透镜20通过叠加按图25的光源图像22实现的传统光分布23。明显可以看出，传统透镜20的不同的光源图像22全部都几乎精确地一样大。相应地，生成的传统的光分布23在明暗分界线的区域中缺少强烈地亮度梯度以及缺少足够的前部地带照明和侧边照明。可以看出，光分布23在竖直方向仅仅具有约O度至-3度的延伸(缺少前部地带照明)以及在水平方向具有约-4度到4度的延伸(缺少侧边照明)。
[0104]在水平和竖直方向使光源图像30变形的可能性，也就是增大或缩小光源图像，按本发明的投影透镜10允许符合要求地设计希望的光分布31。大的光源图像30用于前部地带和/或侧向散射，小的光源图像用于明暗分界线附近的光分布中心。
[0105]因为不同大小的光源图像30不同地对光源8的变形起反应，这种特性也可以用于实现可变的光分布31。相应再次参考图13，其中示出了用于近光灯的带有水平的明暗分界线的光分布31。在图20中示出了用于远光灯的相应的光分布，其中，光源8仅关于投影透镜20基本上垂直于光轴向下运动。可清楚看出，光分布在近光灯(参见图13)和远光灯(参见图20)之间切换时在核心区域几乎没有变化。其仅略微向上朝水平方向上升，如通常希望的那样。通过大的光源图像30产生的前部地带区域反之被明显提升。这尤其在于不同的图像尺寸。如果所有的光源图像30具有类似的大小，其在光源8的位置改变时类似地明显运动。
[0106]按本发明的用于产生不同大小的光源图像30的投影透镜10使得能够通过光学元件相互的相对运动不仅移动光分布31，而且也基本上改变其形状。这例如在从近光灯切换到远光灯(所谓的双-功能)时是希望的。在此，在光源8向上或向下相对运动时，光源图像30强烈的向上或向下运动。这被用于在将光分布31从近光灯切换到远光灯时使核心光分布仅略微向上(快到明暗分界线下面)(参见图13)移动到水平线(参见图20)，而较大的光分布30更多地向上运动(从靠近前部地带到水平线周围和上方的区域)，这在驾驶员的视向导引方面是有利的。在近光灯时，驾驶员的主要注意力在前部地带照亮区直至明暗分界线，在远光灯时，驾驶员也照亮并识别明显位于水平线上方的路牌等。
[0107]本发明的其它可能的构造形式如下:
[0108]-替代光源8也可以使用传输光线的元件(光导体、附加光学器件等)的脱耦面；
[0109]-除了光源8之外，可以在投影光学器件10的焦点中设置一个或多个遮蔽元件(例如遮盖装置)，其能够提高光分布在明暗分界线区域内的梯度；
[0110]-替代光源8，也可以使用其他光学系统(例如反射器、必要时带有遮盖装置)的光分布。可以利用不同的成像大小来改变光分布31，例如偏离前部地带或将光线更强地局部聚集。
[0111]-替代直的水平明暗分界线当然也可以产生这样的明暗分界线，其弯曲和/或倾斜地(例如在近光灯时有15 %的升角)延伸。这种明暗分界线优选满足ECE和/或SAE规定的要求。
[0112]-替代所有的光源图像30直接定位在明暗分界线上，也可以将一些光源图像30竖直和/或水平地局部移动。竖直移动与在传统的反射系统中一样有意义，以便能够更好地控制光源8关于其相对投影透镜10的位置，关于其构造等的公差，因此公差不会导致不允许的光分布31，例如因为在明暗分界线以上的亮度值过高。
[0113]-替代透镜10的平的光出射面13可以为透镜10配设局部的结构，其偏移明暗分界线，也就是导致明暗分界线不清楚。
[0114]-还要注意的是，通过按本发明的投影透镜替代带有明暗分界线的光分布31也可以产生这样一个光分布，其没有明暗分界线(例如远光灯分布)。不同大小的光源图像30也非常适合产生远光灯分布。因此可以针对性地改变光分布的特性。一样大的光源图像将产生几乎恒定的均匀的光分布。如果具有小和大的图像，可以在光分布的希望区域内使用小图像用于产生显著的“顶点”最大值。
[0115]-替代具有明暗分界线的光分布31，也可以产生这样的光分布，其没有明暗分界线。不同大小的光源图像30也良好地适于产生用于信号功能的光分布(例如闪光信号灯、位置灯、驻车灯、尾灯、日间行车灯等)。也可能的是，这种透镜10从光出射面13的所有区域在希望的方向射出光线，这导致由这些方向构成的特别均匀的图像。
[0116]-替代所谓的双功能中移动光源8，也可以在不同位置在光模块7中设置一个或多个另外的光源，并为此针对性地接通和/或断开。
[0117]总的来说，本发明描述了一种投影透镜10，其通过光入射面12和/或光出射面13的特殊造型可以产生不同大小的光源图像30。该光源图像30可以根据希望的目的几乎任意地定位在光分布31中。
[0118]传统的投影透镜20，如在图21中所示，具有这样的缺点，即，前部地带和/或光分布23的侧边区域(参见图23)仅能不足地被照亮，因为其类似地产生大的光源图像22 (参见图22)并且所有的光源图像22几乎定位在明暗分界线的下方。通过同样由现有技术已知的投影透镜20，如例如在图1中所示，类似大的光源图像在光分布23的中央(参见图2)，下降到测量屏21上大致竖直线VV的区域中，以便能更好地照亮光分布23的前部地带。然后，下降的光源图像在产生明暗分界线时缺失，其较弱并且没有通常要求的清晰度(光亮度的梯度)。
[0119]通过按本发明的投影透镜10既可以令人满意地照亮前部地带(和/或光分布的侧边区域)，也可以产生清晰的明暗分界线。这由此实现，即，至少一些光源图像30通过局部改变透镜10的图像尺寸被增大，使得大的光源图像30以其上面的点尽管与以前一样还是可以紧密的靠近明暗分界线，但另一方面，通过其下面的区域这样远地凸出到光分布31的前部区域中(和/或光分布的侧边区域中)，使得其能够良好地照亮前部地带或侧边区域。
[0120]以下参照图28至30再次根据不同光分布的比较说明按本发明的投影透镜10的主要优点和特征。图28示出了通过由现有技术已知的、按图21的透镜20可实现的光分布
23。其具有足够好的有效距离，可以看出，光重心23*远离机动车，也就是靠近明暗分界线。在图31中示出了在机动车前20至50米距离的相应的亮度分布。然而，图28的光分布23仅实现了有限的前部地带照明，可以看出，光分布23仅能到达机动车附近6米区域。在图34中示出了机动车前面O至10米的间距的相应亮度分布。
[0121]图29示出了通过由现有技术公开的按图1的透镜20可实现的光分布23。其具有相当差的有效距离，可以看出，光重心23*较近地在机动车前面，也就是远离地位于明暗分界线下面。在图32中示出了机动车前20至50米的距离的相应的亮度分布。然而，图29所示的光分布23实现了良好的前部地带照明，可以看出，光分布23到达机动车附近4米区域。在图35中示出了在机动车前O至10米的距离的相应亮度分布。
[0122]图30示出了通过按本发明的透镜10可实现的光分布31。其具有足够好的有效距离，可以看出，光重心31*远离地在机动车前面，也就是靠近明暗分界线。在图33中示出了机动车前20至50米距离的相应的亮度分布。此外，图30所示的光分布31实现了良好的前部地带照明，可以看出，光分布31—直到达机动车附近小于4米区域。在图36中示出了在机动车前O至10米的距离的相应的亮度分布。
【权利要求】
1.一种用于计算光学透镜(10)的表面(12，13)的方法，其特征在于: a)预先规定希望的光分布，该光分布应当由通过计算的透镜(10)的光线产生， b)使所述透镜(10)的第一表面(13)变形，目的是在光分布中产生不同大小的光源图像； c)使透镜(10)的与第一表面(13)相对的第二表面(12)变形，目的是使所有的光源图像这样移动，使得光源图像分别以其最高的点直接位于生成的光分布的明暗分界线旁或上，该光分布通过透镜(10)以变形的表面(12，13)产生； d)通过与预先规定的光分布比较确定生成的光分布的质量； e)如果质量在能预先规定的临界值之上，存储计算出的用于透镜(10)的表面(12，13)并终止方法， f)否则重新使第一表面(13)变形，目的是在光分布中产生光源图像更大或更小的束； g)重新使第二表面(12)变形，目的是使所有的光源图像这样移动，使得光源图像分别以其最高的点位于生成的光分布的明暗分界线旁或上， h)重复步骤f)和g)，直至生成的光分布的质量处于临界值之上，以及 i)存储计算出的用于透镜(10)的表面(12，13)并终止方法。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一表面(12)是透镜(10)的光出射面，光线从透镜(10)通过该光出射面射出，并且第二表面(13)是透镜(10)的光入射面，光线通过该光入射面进入到透镜(10)中。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(f)中在使第一表面(13)重新变形时改变通过透镜(10)的变形部段产生的图像尺寸。
4.根据前列权利要求之一所述的方法，其特征在于，借助于优化程序确定光分布的质量。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过预先规定的数量的优化流程定义临界值。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述优化程序利用目标函数来描述光分布，该光分布通过带有变形的表面(12，13)的透镜(10)实现，其中，该目标函数通过表面(12，13)的变形最小化。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，采用偏差平方和作为目标函数。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，使用最小二乘法最小化偏差平方和。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，将预先规定的光分布和通过带有变形的表面(12，13)的透镜(10)实现的光分布的亮度值在相同的像素栅格中针对选定的像素相互比较，分别由特定像素中的亮度值的偏差的平方计算出偏差平方和。
10.一种用于在计算机的处理器上执行的计算机程序，其特征在于，当该计算机程序在处理器上运行时，其编程用于执行按权利要求1至9之一所述的方法。
11.一种用于机动车前照灯(I)的光模块(7)的投影透镜(10)，其中，该投影透镜(10)用于将至少一部分由光模块(7)的光源(8)发出的光线投影到配备有前照灯(I)的机动车前面的行车道上，用于产生近光光分布(31)，其特征在于，投影透镜(10)的表面(12，13)按权利要求1至9之一所述的方法计算得出。
12.一种用于机动车前照灯(I)的光模块(7)，该光模块(7)包括用于发出光线的光源(8)和用于将至少一部分由光源(8)发出的光线投影到配备有前照灯(I)的机动车前面的行车道上用于产生近光光分布(31)的投影透镜(10)，其特征在于，所述光模块(7)具有按权利要求11所述的投影透镜。
13.机动车前照灯(I)，包括带有用于发出光线的光源(8)的光模块(7)和用于将由光源(8)发出的光线的至少一部分投影到配设有前照灯(I)的机动车前面的行车道上用于产生近光的光分布(31)的投影透镜(10)，其特征在于，所述前照灯(I)具有按权利要求12所述的光模块。
【文档编号】F21W101/10GK104375269SQ201410392038
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年8月11日 优先权日:2013年8月12日
【发明者】S·维尔斯多夫, H·凯勒曼 申请人:汽车照明罗伊特林根有限公司