JP2012509562A - 出力照明を生成する照明装置及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つの発光装置３と、少なくとも１つの指向特性を持つ出力照明を生成するための発光装置３の光路１５内の少なくとも１つの光学要素７とを有する照明装置１に関する。本発明による照明装置は、自身を通過する光の少なくとも１つの物理的特性を変更するスクリーン様部材５と、スクリーン様部材５上に中間の画像９を生成する光学装置４とを更に有しており、スクリーン様部材５及び光学装置４の両方は、発光装置３と光学要素７との間の光路１５内に配されており、光学要素７は、画像９を投射する光学要素１２である。本発明は、更に、複数の指向特性を持つ出力照明を生成する対応する方法に関する。

Description

本発明は、少なくとも１つの発光装置装置と、少なくとも１つの指向特性を持つ出力照明を生成するための前記発光装置の光路内の少なくとも１つの光学要素とを有する照明装置に関する。

発光装置を有する照明装置は、例えば、車両照明装置として知られている。現在の車両照明装置は、フィラメントベースの装置、放電ベースの装置又は発光ダイオード（ＬＥＤ）ベースの装置である。十分な精度によって指定されている照明特性を実現するために、これらの照明装置は、相当な機械的なボリュームを有しており、このボリュームは、主に既存の発光装置又は光源（例えば、白熱及び高輝度放電ランプ及びＬＥＤ）の比較的大きな大きさによってもたされている。更に、単一の照明装置から２つ以上の照明特性又はビームパターンを得ることは、困難である。現在のフィラメントベースの車両照明装置は、２つの異なるフィラメント間のスイッチングによってアドレス指定可能な、「ハイビーム」及び「ロービーム」を生成することができる。

現代の車両（例えば乗用車）において、更に様々な前方照明特性（例えば、駐車灯、日中走行灯、ターンをする間のサイド・ポジショニング・ビーム、フォグライト、遠方から到来する交通のみが存在する状況における使用のためのセミハイビーム）に対する必要性が、存在している。

ドイツ国特許第４２ ２８ ８９５ Ａ１号は、車両照明装置として形成される照明装置であって、光を発するレーザーとして形成されている複数の発光装置と、１つの静的な指向特性を持つ出力照明を生成する前記発光装置の光路内の少なくとも１つの光学要素とを有する照明装置を示している。

本発明の目的は、複数の指向出力特性を有する照明を生成することができる小型の照明装置を提供することにある。

この目的を達成するために、本発明による照明装置は、自身を通過する光の少なくとも１つの物理的特性を変更するためのスクリーン様部材と、前記スクリーン様部材上に中間の画像を生成する光学装置とを更に有しており、前記スクリーン様部材及び前記光学装置の両方は、前記発光装置と前記光学要素との間の光路内に配されており、前記光学要素は、前記画像を投射するための光学要素である。

前記照明装置は、光源としての前記発光装置と、前記画像を形成する及び／又は変更する前記光学装置とを使用して複数の異なる中間の画像を生成することができる。前記光学装置は、発せられた光の方向において前記発光装置の後ろに配されている。前記光学要素は、前記照明装置のコリメート要素である。前記コリメート要素は、前記スクリーン様部材を出る光の方向において、中間のスクリーン様部材の後ろに配されている。前記コリメート光学要素は、前記スクリーン様部材上に生成された前記中間の画像の空間座標を、指定された指向特性を持つ出力照明の角度座標に本質的に変換する。このようにして、小型の照明装置が構成され、全て１つの同じ装置からの幾つかの異なって成形された光円錐を生成することができる。前記光路は、前記発光装置、前記光学装置、前記スクリーン様部材及び前記光学要素によって決定される。

前記発光装置は、好ましくは、レーザー（放射の誘導放出による光増幅）及び／又は高輝度発光装置である。レーザーのブライトネス（輝度）は、従来のＬＥＤによって達成可能なブライトネスよりも少なくとも１００倍高い（〜１０^９ｃｄ／ｍ^２ 対 〜１０^７ｃｄ／ｍ^２）。前記レーザーは、好ましくは、ソリッドステートレーザー及び／又はレーザーダイオードである。本発明において、「高輝度発光装置」なる語は、４・１０^７ｃｄ／ｍ^２以上の輝度（≧ ４０メガニットに相当する平方ミリメートル当たり４０カンデラ：４０Ｍｃｄ／ｍ^２）を有する発光装置に関する。

この非常により高いブライトネスによって、高輝度発光装置を有する前記照明装置は、従来の発光ダイオード（ＬＥＤ）を有する既存の照明装置よりも小型であることができる。

本発明の好ましい実施例によれば、前記照明装置は、車両照明装置である。現代の車両（例えば、乗用車）において、更に様々な前方照明特性に関する必要性が、存在している。

本発明の好ましい実施例によれば、前記スクリーン様部材は、様々な物理的特性を備える光の指向特性に更に整合する。

前記光の物理的特性又は性質は、前記光の色及び／若しくは周波数並びに／又は前記光の偏光である。

中間の前記スクリーン様部材は、好ましくは、少なくとも部分的に透明なスクリーン様部材又は反射性のスクリーン様部材である。前記反射スクリーン様部材は、好ましくは、自身を通過する光の少なくとも１つの物理的特性を変化させる第１のサブ部材と、前記反射性のスクリーン様部材によって反射される光に対して前記第１のサブ部材の後方の側部における反射性の第２のサブ部材とを有する。

一般に、複数の異なる種類のスクリーン様部材が、操作部材として使用されることができる。前記スクリーン様部材は、好ましくは、蛍光体板又は蛍光体薄膜である。前記光又は光ビームは、前記蛍光体板又は蛍光体薄膜を励起するのに使用される。
前記蛍光体板又は蛍光体薄膜は、セリウムドープ・イットリウム・アルミニウム・ガーネット蛍光体（ＣｅドープＹＡＧ蛍光体）又はセラミック蛍光体、特に、"ｌｕｍｉｒａｍｉｃ（登録商標）"セラミック蛍光体でできている。

本発明の他の好ましい実施例によれば、前記発光装置は、青色光及び／又は紫外光を発する装置である。前記発光装置によって発される青色光及び／又は紫外光は、前記蛍光体板又は前記蛍光体薄膜を出る白色光を生成するように、前記蛍光体板又は前記蛍光体薄膜（好ましくは、セリウムドープ・イットリウム・アルミニウム・ガーネット蛍光体及び／又はセラミック蛍光体でできている）を励起するのに使用される。前記スクリーン様部材は、好ましくは、異なる色を有する光の指向特性に整合する。

本発明の他の好ましい実施例において、前記光学装置は、少なくとも１つの走査装置を有する。前記スクリーン様部材上の画像は、前記発光装置（特に、前記レーザー）によって発される光のライン・バイ・ライン走査によって又はリサ-ジュ様の走査によって生成される。

付加的には又は代替的には、前記光学装置は、少なくとも１つのホログラムを備える少なくとも１つのホログラム装置を有している。本発明の好ましい実施例によれば、前記ホログラムは、固定されたホログラム、交換可能なホログラム及び／又は制御可能なホログラムである。

本発明の好ましい実施例によれば、前記照明装置は、前記出力照明の光円錐を制限するための開口部材を有する。この開口部材を使用することにより、前記出力照明の少なくとも１つは、鋭い境界線を有することができる。

本発明の他の好ましい実施例によれば、当該車両照明装置は、前記車両の前方における領域を照明するヘッドライト装置である。前記領域は、前記車両が通っている道路又は街路の領域である。

本発明は、更に、少なくとも１つの発光装置、光学装置、スクリーン様部材、及び指向特性を持つ出力照明を生成するための少なくとも１つの光学要素を使用して、複数の前記指向特性を持つ出力照明を生成する方法であって、
− 前記発光装置及び前記光学装置によって発される光を使用することにより前記スクリーン様部材上に少なくとも１つの中間の画像を生成するステップと、
− 前記スクリーン様部材によって前記光の少なくとも１つの物理的特性を変更するステップと、
− 前記光学要素によって前記画像を投射するステップと、
を有する方法に関する。

前記発光装置は、好ましくは、レーザーであり、更に好ましくは、半導体レーザーである。

前記光の物理的特性の変更は、好ましくは、色及び／又は偏光の変更である。更に好ましくは、前記発光装置は、青色光及び／又は紫外光を発する装置である。前記発光装置によって発される青色光及び／又は紫外光は、前記スクリーン様部材を励起するのに使用され、前記スクリーン様部材は、蛍光体板又は蛍光体薄膜を出る白色光を生成するように、前記蛍光体板又は前記蛍光体薄膜（好ましくは、セリウムドープ・イットリウム・アルミニウム・ガーネット蛍光体又はセラミック蛍光体でできている）として形成されている。

本発明の好ましい実施例によれば、前記出力照明の指向特性は、前記中間の画像の変更及び／又は前記出力照明の光円錐を制限するための開口部材を移動することによる開口の変更によって、変更される。

本発明のこれらの及び他の見地は、以下に記載される実施例を参照して、明らかになり、説明されるであろう。

本発明の第１の実施例による車両照明装置として形成される照明装置の配置を示している。 図１Ａの車両照明装置によって生成される照明の輝度特性曲線を示している。 前記照明装置の中間のスクリーン様部材上の異なる種類の中間の画像を模式的に示している。 本発明の第２の実施例による車両照明装置の配置を示している。 本発明の第３の実施例による車両照明装置の配置を示している。 前記照明装置の光学装置の一実施例を示している。 前記照明装置の光学装置の一実施例を示している。 前記照明装置の光学装置の一実施例を示している。

図１Ａは、光（レーザー光）を発するレーザー３'（放射の誘導放出による光増幅）として形成されている発光装置３、光学装置４、スクリーン様部材５、付加的な開口部材６及び光学要素７を有する車両照明装置２として形成されている照明装置１を示している。レーザー３は、ソリッドステートレーザー８（図示略）であり、好ましくは、半導体レーザーである。光学装置４は、発せられた前記光の方向においてレーザー３'の後ろに位置されている。光学装置４は、スクリーン様部材５上に中間の画像９（図１Ｃに示されている）を生成するように前記光を偏向する。スクリーン様部材５は、蛍光体板１１として形成される少なくとも部分的に透明なスクリーン様部材１０である。蛍光体板１１は、前記光の少なくとも１つの物理的特性（即ち、前記光の色）を操作する。透明なスクリーン様部材１０の第１の側部に当たっている前記レーザー光によって生成される自己発光画像９は、透明スクリーン様部材１０の対向する第２の側において可視的である。光学要素７は、車両照明装置１の前方における領域１３上の光円錐１４によって指定された指向特性を備える画像９を投射するための光学要素１２である。

照明装置１の光路１５は、レーザー３'、光学装置４、スクリーン様部材５及び光学要素１２によって決定される。付加的には、光円錐１４は、スクリーン様部材５と光学要素１２との間の光路１５の１つの横方向の軸外部分（lateral off-axis section）内に配されている開口部材６によって制限される。開口部材６は、指定された出力特性を持つ前記照明の１つの鋭い輪郭を生成するためのナイフエッジスクリーン１６として形成されている。図１乃至３に示されている車両照明装置２は、ヘッドライト装置１７である。

照明装置１は、光源としての発光装置３（特に、レーザー３'）と画像９を形成する及び／又は変更するための光学装置４とを使用して、スクリーン様部材５上に複数の異なる中間の画像９を生成することができる。このレーザー２は、好ましくは、ソリッドステートレーザー８である。発光装置３は、青色光及び／又は紫外光を発する装置１８である。発光装置１８によって発される青色光及び／又は紫外光は、白色光を生成するように蛍光体板１１を励起するのに使用される。蛍光体板１１は、好ましくは、蛍光体板１１を出る白色光を生成するようにセラミック蛍光体又はセリウムドープ・イットリウム・アルミニウム・ガーネット蛍光体でできている。

光学要素１２は、照明装置１のコリメータ要素１２である。コリメート要素１２は、スクリーン様部材５を出る光の方向において、中間のスクリーン様部材５の後ろに配されている。コリメート要素１２は、スクリーン様部材５上に生成される中間の画像９の空間座標を、指定された指向特性を持つ出力照明の角度座標に本質的に変換する。このようにして、小型の照明装置１（特に、小型の車両照明装置２）が構成され、全て１つの同じ装置１からの幾つかの異なって成形された光円錐を生成することができる。

自動車のヘッドライトに必要とされている前記出力特性（前記ビームのプロファイル）は、厳しい規則の影響を受けている。例として、「ロービーム」のプロファイルに対する要件（Ｒ９８―垂直方向における、ガス放電光源を備える自動車車両のヘッドランプ）が、図１Ｂに示されている。地平線と０．５７°だけ低い点との間において、当該輝度は、１ルクス（最高）から２０ルクス（最小）まで増大される必要がある。このようなコントラスト（１：２０）は、３０ｍｍの焦点距離を有するコリメーターレンズとして形成されている光学要素７のための通常のセリウムドープ・イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｃｅ：ＹＡＧセラミック）蛍光体板１１内で約３００μｍの距離にわたって到達するのは難しい。

図１Ｂの図は、１２０μｍ厚さの蛍光体板１１における前記要件を表している輝度曲線１９（輝度 対 仰角）を示しており、従来のＬＥＤ光源に基づくヘッドライト装置１７と比較して１００倍高いブライトネスが、実現されている。このことは、投射光学要素１２の焦点距離が、３０ｍｍのオーダでなければならないことを意味し、このことが、十分な結合ＮＡと、従って十分な結合効率とに到達するのを難しくしている。

更に高いコントラスト（おそらく１：２００まで。なぜならば、コリメート光学系は、一般に、道路上の利用可能であるコントラストを減少するので。）に到達するために、ナイフエッジスクリーン１６を利用することによって及び／又は蛍光体板１１の構造において、特別な準備が必要であり得る。ナイフエッジスクリーン１６は、モータによって移動可能であるように構成されることができ、ロービームを生成する場合には適所にあり、ハイビームを生成する場合には取り除かれる。

図１Ｃは、画像９を有するスクリーン様部材５の第２の側部において切り取られた側面図である。画像９は、３つの異なる仕方において部材５上に生成される。図１Ｃ内の左側の画像９は、リサージュ様走査によって生成される。図１Ｃの右側の画像９は、ライン・バイ・ライン操作によって生成され、真ん中の画像９は、図４に示されているホログラム２０を使用してホログラフィック制御によって生成される。

本発明は、蛍光体板１１が一方の側において励起され、出力ビームが他方の側から出る幾何学的配置だけでなく、蛍光体板１１が一方の側において励起され、生成されたビームが同じ側から発される幾何学的配置にも適用可能である。

図２は、反射スクリーン様部材２１を備える車両照明装置１を示している。反射スクリーン様部材２１は、好ましくは、反射スクリーン様部材２１によって反射される光に対して後ろ側に反射薄膜を備える蛍光体薄膜又は蛍光体板１１である。

プログラム可能なレーザービームパターンを得るために、２つ以上のレーザー３'及び／又はレーザアレイを使用することも、可能である。異なる発光装置３又は放出点は、蛍光体板１１の異なる部分が照明される仕方において配置されることができ、蛍光体板１１における全体のビームパターンのプログラム可能性をもたらす。図３は、レーザシステム２２を形成する３つのレーザー３'を備えている照明装置１を示している。

本発明の他の実施例によれば、蛍光体板１１又は蛍光体薄膜の蛍光体組成物は、空間的に可変（蛍光体板１１にわたる空間座標の関数として可変）にされている一方で、発する光（又はレーザビーム）の色は、放射の角度によって可変にされることができる（従って、放射されたパターンの異なる部分に対して異なる）。

図４Ａ、４Ｂ及び図４Ｃは、発光装置３（特に、レーザー３'）及び光学装置４の配置２３の３つの異なるアセンブリを示している。配置２３は、レーザー光を発するレーザー３'、コリメーターレンズ２４及び光学装置４を有している。配置２３内で、光学装置４は、コリメートされたレーザー光の方向においてレーザー３'及びコリメーターレンズ２４の後ろに配されている。光学装置４は、スクリーン様部材５上の中間の画像９（図１Ｃに示されている）を生成するように前記レーザー光を偏向する。図４Ａに示されている光学装置４は、走査装置２５を有している。走査装置２５は、コリメートされたレーザー光（レーザビーム）に対して垂直なＸＹ平面において、かつ、レンズ２６をデフォーカスするための前記コリメートされたレーザー光のＺ方向において、レンズ２６を移動するためのＸＹＺ操作装置２７のホルダ内の集束レンズ２６を有している。このようなＸＹＺ操作装置２７は、ＣＤ及び／又はＤＶＤ装置の分野において良く知られている。

図４Ｂに示されている光学装置４は、ホログラム装置２８を有している。ホログラム装置２８は、固定されたホログラム２０又は交換可能なホログラム２０と、集束レンズ２６とを有している。図４Ｃに示されている光学装置４は、プログラム可能なホログラム２０を有するホログラム装置２８と、集束レンズ２６とを有する。ホログラム装置２８を有する光学装置４は、フーリエ変換を実行することによって、中間のスクリーン様部材５において中間の画像９の指定された振幅分布を生成するためのコヒーレントな前記レーザー光を使用する。

本発明は、更に、青色光を発する少なくとも１つの発光装置１８、光学装置４、蛍光体板１１及び少なくとも１つの光学要素１２を使用して、少なくとも１つの指向特性を持つ出力照明を生成する方法であって、
− 発光装置１８及び光学装置４によって発される光を使用することによりスクリーン様部材３上に少なくとも１つの中間の画像９を生成するステップと、
− 白色光を生成するように蛍光体板１１によって前記青色光の色を変更するステップと、
− 前記指向特性を持つ出力照明を生成するための光学要素１２によって画像９を投射するステップと、
を有する方法に関する。この方法は、図１Ａ、２及び３に示されている照明装置において実行される。

本発明は、非限定的な例として、添付図面及び上述の記載において詳細に示され記載されたが、開示されている実施例に限定されるものではない。

開示されている前記実施例に対する他の変化は、前記添付図面、本明細書及び添付請求項の熟慮により、添付請求項に記載の本発明を実施する際に当業者によって理解され、行われることができる。添付請求項において、「有する」及びこの活用形の動詞の使用は、請求項に記載されているもの以外の構成要素又はステップを排除するものではなく、単数形の表記も、これらの複数形を排除するものではない。特定の手段が、相互に異なる従属請求項において引用されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利になるように使用されることができないと示すものではない。添付請求項における如何なる符号も、この範囲を制限するものとしてみなしてはならない。

Claims (14)

1. 少なくとも１つの発光装置と、少なくとも１つの指向特性を持つ出力照明を生成するための前記発光装置の光路内の少なくとも１つの光学要素とを有する照明装置であって、前記照明装置は、自身を通過する光の少なくとも１つの物理的特性を変化させるスクリーン様部材と、前記スクリーン様部材上に中間の画像を生成する光学装置とを更に有しており、前記スクリーン様部材及び前記光学装置の両方は、前記発光装置と前記光学要素との間の光路内に配されており、前記光学要素は、前記画像を投射するための光学要素である、照明装置。
2. 前記発光装置は、高輝度発光装置及び／又はレーザーである、請求項１に記載の照明装置。
3. 前記照明装置が車両照明装置である、請求項１に記載の照明装置。
4. 前記光の物理的特性物性が、前記光の色又は前記光の偏光である、請求項１に記載の照明装置。
5. 前記スクリーン様部材が、少なくとも部分的に透明なスクリーン様部材又は反射性のスクリーン様部材である、請求項１に記載の照明装置。
6. 前記スクリーン様部材が、蛍光体板又は蛍光体薄膜である、請求項１に記載の照明装置。
7. 前記発光装置が、青色光及び／又は紫外光を発する発光装置である、請求項１に記載の照明装置。
8. 前記光学装置が、少なくとも１つの走査装置を有している、請求項１に記載の照明装置。
9. 前記光学装置が、少なくとも１つのホログラムを備える少なくとも１つのホログラム装置を有している、請求項１に記載の照明装置。
10. 前記ホログラムが、固定されたホログラム、交換可能なホログラム及び／又は制御可能なホログラムである、請求項９に記載の照明装置。
11. 前記照明装置が、前記出力照明の光円錐を制限するための開口部材を更に有している、請求項１に記載の照明装置。
12. 前記車両照明装置が、ヘッドライト装置である、請求項３に記載の照明装置。
13. 少なくとも１つの発光装置、光学装置、スクリーン様部材及び指向特性を持つ出力照明を生成する少なくとも１つの光学要素を使用して、複数の前記指向特性を有する出力照明を生成する方法であって、
    − 前記発光装置及び前記光学装置によって発される光を使用することにより前記スクリーン様部材上に少なくとも１つの中間の画像を生成するステップと、
    − 前記スクリーン様部材によって前記光の少なくとも１つの物理的特性を変更するステップと、
    − 前記光学要素によって前記画像を投射するステップと、
    を有する方法。
14. 前記出力照明の指向特性は、前記出力照明の光円錐を制限するための開口部材を移動することによる開口の変更及び／又は前記中間の画像の変更によって変更される、請求項１３に記載の方法。

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