AT518287B1 - Scheinwerfer für Kraftfahrzeuge mit zumindest einer Laserlichtquelle - Google Patents

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AT518287B1
AT518287B1 ATA50134/2016A AT501342016A AT518287B1 AT 518287 B1 AT518287 B1 AT 518287B1 AT 501342016 A AT501342016 A AT 501342016A AT 518287 B1 AT518287 B1 AT 518287B1
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Abstract

Ein Scheinwerfer für Kraftfahrzeuge mit zumindest einer Laserlichtquelle (1), deren Laserstrahl (3) auf zumindest ein Lichtkonversionsmittel gelenkt wird, welches einen Phosphor (6) zur Lichtkonversion aufweist, und mit einem Projektionssystem (8) zur Projektion des an dem zumindest einen Lichtkonversionsmittel erzeugten Lichtes (7) in den Fahrbahnraum, bei welchem an dem Phosphor (6) zumindest zwei Elektroden (10, 11) angeordnet sind, welche die Beläge eines Kondensators (CP) mit dem Phosphor (6) als Dielektrikum bilden, und eine Messeinrichtung (12) vorgesehen ist, mit welcher die zumindest zwei Elektroden (10, 11) verbunden sind und welche zur Messung der Kapazität des Kondensators (CP) sowie zur Abgabe eines Signals (s) eingerichtet ist, falls die ermittelte Kapazität außerhalb eines festgelegten Toleranzbereiches um einen Sollwert liegt.

Description

Beschreibung
SCHEINWERFER FÜR KRAFTFAHRZEUGE MIT ZUMINDEST EINER LASERLICHTQUELLE [0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Scheinwerfer für Kraftfahrzeuge mit zumindest einer Laserlichtquelle, deren Laserstrahl auf zumindest ein Lichtkonversionsmittel gelenkt wird, welches einen Phosphor zur Lichtkonversion aufweist, und mit einem Projektionssystem zur Projektion des an dem zumindest einen Lichtkonversionsmittel erzeugten Lichtes in den Fahrbahnraum, wobei an dem Phosphor zumindest zwei Elektroden angeordnet sind, welche die Beläge eines Kondensators mit dem Phosphor als Dielektrikum bilden, und eine Messeinrichtung vorgesehen ist, mit welcher die zumindest zwei Elektroden verbunden sind und welche zur Messung der Kapazität des Kondensators sowie zur Abgabe eines Signals eingerichtet ist, falls die ermittelte Kapazität außerhalb eines festgelegten Toleranzbereiches um einen Sollwert liegt.
[0002] Laserlichtquellen (z.B. Halbleiterlaser, Laserdioden) weisen eine Reihe von speziellen vorteilhaften Eigenschaften, wie z.B. hohe Strahlungsintensitäten und eine kleine lichtemittierende Fläche auf. Außerdem sind die ausgestrahlten Lichtbündel weitestgehend kollimiert.
[0003] Daraus ergibt sich für die Verwendung von Laserlichtquellen zu Beleuchtungszwecken, insbesondere für Fahrzeuge, eine Reihe von Vorteilen. Beispielsweise können optische Systeme, bei denen als Lichtquelle eine Laserlichtquelle zum Einsatz kommt, mit kleineren Brennweiten und stärker gebündelten Strahlverläufen realisiert werden. Mit weniger stark kollimierten Lichtbündeln - beispielsweise von Glühlampen oder LEDs stammenden - ist dies nicht möglich. Es lassen sich somit bei Verwendung von Laserlichtquellen optische Systeme für Laserlicht mit geringem Bauraum realisieren.
[0004] Laser strahlen in der Regel monochromatisches Licht oder Licht in einem engen Wellenlängenbereich aus. Bei einem Kfz-Scheinwerfer ist allerdings für das abgestrahlte Licht „weißes Mischlicht erwünscht oder gesetzlich vorgeschrieben, sodass sich Laserlichtquellen in einem Kfz-Scheinwerfer nicht ohne weiteres einsetzen lassen und man Lichtkonversionsmittel verwendet. Ein solches Lichtkonversionsmittel enthält einen „Phosphor oder Phosphorkörper, oft in Form eines Plättchens, was weiter unten näher beschrieben wird.
[0005] Bei Verwendung von Laserlichtquellen ergibt sich das Problem, dass diese, insbesondere für das menschliche Auge, ein hohes Gefahrenpotential darstellen. Dies resultiert daraus, dass Laser üblicherweise kohärentes und stark kollimiertes Licht ausstrahlen, welches bei den typischen hohen Strahlungsintensitäten von Laserlichtquellen potenziell gefährlich ist. Dies gilt insbesondere bei Strahlungsleistungen von einigen Watt, wie sie im Bereich der KfzBeleuchtung erwünscht ist.
[0006] Es müssen daher, um Laserlichtquellen im Kfz-Bereich, insbesondere bei Kfz- Scheinwerfern einsetzen zu können, Sicherheitsvorschriften zum Betrieb von Lasereinrichtungen eingehalten werden. Dabei ist insbesondere sicherzustellen, dass Licht (Laserlicht) aus einem Kfz-Scheinwerfer nur mit einer Intensität unterhalb von vorgeschriebenen Grenzwerten austritt. Außerdem muss eine Blendung oder Gefährdung von Verkehrsteilnehmern vermieden werden.
[0007] Dabei liegt eine besondere Gefahr in einer Beschädigung des Phosphors, beispielsweise einem Bruch oder dem Auftreten von Rissen oder Perforationen. In einem solchen Fall durchsetzt nämlich zumindest ein Teil des primären Laserstrahls den Phosphor, gelangt über das Scheinwerferprojektionssystem auf die Straße und kann Personen gefährden.
[0008] Aus der nachveröffentlichten WO 2016156000 A2 geht eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zum Überwachen eines Phosphors zur Lichtkonversion hervor, wobei entsprechend den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs die Kapazität gemessen wird.
[0009] Das Dokument DE 2012 220 481 A1 offenbart eine optische Überwachung der Laserlichtumwandlung durch einen Phosphor, welche die Stromversorgung eines Lasers unterbricht, falls beispielsweise der Phosphor zerbrochen ist.
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AT518 287 B1 2018-03-15 österreichisches patentamt [0010] Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Scheinwerfer zu schaffen, bei welchem ein
Störfall im Sinne einer teilweisen oder vollständigen Beschädigung des Phosphors mit geringem
Aufwand detektiert werden kann, damit Maßnahmen getroffen werden können, um die von der
Laserstörstrahlung ausgehende Gefährdung zu verhindern bzw. minimal halten.
[0011] Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem Scheinwerfer der eingangs angegeben Art, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Messeinrichtung als Wechselspannungsmessbrücke ausgebildet ist und der Kondensator mit dem Phosphor als Dielektrikum in einem Brückenzweig liegt.
[0012] Eine zweckmäßige und günstig realisierbare Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Wechselspannungsmessbrücke eine Wien-Brücke ist.
[0013] Weiters ist es zweckmäßig, wenn in einem weiteren Brückenzweig ein Referenzkondensator liegt, der gleich wie der Phosphor ausgestaltet ist.
[0014] Es kann auch mit Vorteil vorgesehen sein, dass der Phosphor quaderförmig ausgebildet ist.
[0015] Andererseits ist es in vielen Fällen opportun, wenn der Phosphor plättchenförmig ausgebildet ist.
[0016] Bei zweckmäßigen Ausbildungen der Erfindung ist vorgesehen, dass der Phosphor transmissiv ist.
[0017] Sehr vorteilhaft ist es in vielen Fällen, wenn die Elektroden transparent sind.
[0018] In diesem Fall können die Elektroden vorteilhafterweise aus aufgedampften Indiumzinnoxid bestehen.
[0019] Auch kann es für gewisse Scheinwerfervarianten zweckmäßig sein, wenn der Phosphor reflektiv ist.
[0020] Die Erfindung samt weiteren Vorteilen ist im Folgenden an Hand beispielsweiser Ausführungsformen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigen [0021] Fig. 1 [0022] Fig. 2 [0023] Fig. 3 [0024] Fig. 4 [0025] Fig. 5 in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines Scheinwerfers mit den für die Erfindung wesentlichen Komponenten ein Detail der Fig. 1 in vergrößerter Darstellung, in weiter vergrößerter perspektivischer Darstellung einen Phosphor mit Elektroden, in Seitenansicht einen Phosphor mit Beschädigungen und eine mögliche Messbrücke zur Feststellung einer Kapazitätsänderung [0026] Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird nun ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Insbesondere sind die für einen erfindungsgemäßen Scheinwerfer 1 wichtigen Teile dargestellt, wobei es klar ist, dass ein KFZ-Scheinwerfer noch viele andere Teile enthält, die seinen sinnvollen Einsatz in einem Kraftfahrzeug, wie insbesondere einem PKW oder Motorrad, ermöglichen. An dieser Stelle sei angemerkt, dass der hier dargestellte und beschriebene „Scheinwerfer auch als Scheinwerfermodul oder als Beleuchtungseinheit dienen kann, das in einem Scheinwerfer sitzt, der mehrere Module aufweist. Der Begriff „Scheinwerfer ist somit in diesem weiteren Sinn zu verstehen.
[0027] Lichttechnischer Ausgangspunkt des Scheinwerfers ist eine Laserlichtquelle 2, die, gebündelt durch eine Fokussieroptik 3 einen Laserstrahl 4 abgibt. Der Laserlichtquelle ist eine Laseransteuerung 5 zugeordnet, welche zur Stromversorgung sowie zur Überwachung der Laseremission oder z.B. zur Temperaturkontrolle dient und auch zum Modulieren der Intensität des abgestrahlten Laserstrahls eingerichtet sein kann. Unter Modulieren wird in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verstanden, dass die Intensität der Laserlichtquelle geändert werden kann, sei es kontinuierlich oder gepulst, im Sinne eines Ein- und Ausschaltens.
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AT518 287 B1 2018-03-15 österreichisches patentamt [0028] Die Laserlichtquelle 2 gibt beispielsweise blaues oder UV-Licht in Form des Laserstrahls 4 ab, welcher auf einen Phosphor 6 eines Lichtkonversionsmittels trifft, welcher in bekannter Weise zur Lichtkonversion dient. Der Phosphor 6 - man könnte auch von einem Phosphorkörper sprechen - wandelt beispielsweise blaues oder UV- Licht in weißes Licht um. Unter Phosphor wird in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ganz allgemein ein Teil aus einem Stoff oder einer Stoffmischung verstanden, welche Licht einer Wellenlänge in Licht einer anderen Wellenlänge oder eines Wellenlängengemisches, insbesondere in weißes Licht, umwandelt, was unter dem Begriff Wellenlängenkonversion subsumierbar ist.
[0029] Man verwendet Lumineszenz-Farbstoffe, wobei die Ausgangswellenlänge im Allgemeinen kürzer und damit energiereicher als das emittierte Wellenlängengemisch ist. Der gewünschte Weißlichteindruck entsteht dabei durch additive Farbmischung. Dabei wird unter weißes Licht Licht einer solchen Spektralzusammensetzung verstanden, welches beim Menschen den Farbeindruck weiß hervorruft. Der Begriff Licht ist natürlich nicht auf für das menschliche Auge sichtbare Strahlung eingeschränkt. Für das Lichtkonversionsmittel - den „Phosphor kommen beispielsweise Optokeramiken in Frage, das sind transparente Keramiken, wie beispielsweise YAG:Ce (ein Yttrium-Aluminium-Granat mit Cer dotiert).
[0030] Der Phosphor hat meist die Form eines Plättchens, wobei nach dem Auflicht- oder dem Durchlichtprinzip gearbeitet werden kann. Im ersten Fall („reflektiv, Auflicht) wird das konvertierte Licht an derselben Seite abgestrahlt, auf welcher der Laserstrahl auftrifft, im zweiten, in Fig. 1 gezeigten Fall („transmissiv, Durchlicht) wird das konvertierte Licht an jener Seite abgestrahlt, welche der von dem Laser bestrahlten Seite gegenüberliegt. In beiden Fällen kann das genutzte Licht auch aus einer Mischung des z.B. blauen Laserlichtes mit dem konvertierten Licht bestehen, um ein möglichst „weißes Licht zu erhalten.
[0031] Der Phosphor 6 ist im vorliegenden Fall quaderförmig ausgebildet, er kann aber, je nach spezifischem Anwendungsfall, auch plättchenförmig sein, d.h. ein Körper, bei welchem eine Abmessung verglichen zu den anderen sehr gering ist. Der Phosphor muss auch keineswegs eben sein, er kann auch eine Krümmung aufweisen.
[0032] Wie oben erwähnt ist im vorliegenden Fall der Phosphor 6 transmissiv, d.h. das auf der gegenüberliegenden Seite des Laserstrahleinfalls ausgehende Licht ist ein über einen großen Raumwinkel ausgestrahltes Mischlicht 7 der gewünschten Farbe. Dieses von dem Phosphor ausgehende Mischlicht 7 wird mittels eines Projektionssystems 8, das hier als Reflektor ausgebildet ist, in den Fahrbahnraum projiziert.
[0033] Falls der Phosphor 6 eine Beschädigung aufweist, beispielsweise durch Überhitzung oder einen Bruch, kann der Laserstrahl 4 durch den Phosphor 6 hindurch treten. In Fig. 1 ist ein in einem Störfall durchtretender, im Vergleich zum Mischlicht stark fokussierter und entsprechen energiedichter Störstrahl 9 eingezeichnet. Es ist klar, dass ein solcher relativ energiereicher Störstrahl eine potentielle Gefahr für Lebewesen, insbesondere für das Augenlicht von Menschen darstellen kann, da er durch das Projektionssystems 8 den Scheinwerfer 1 verlassen und Schaden anrichten würde.
[0034] Um einen solchen Störfall sofort zu erkennen, sieht die Erfindung nun vor, dass an dem Phosphor 6 zumindest zwei Elektroden, in Fig. 1 die Elektroden 10, 11, angeordnet sind, welche die Beläge eines Kondensators CP mit dem Phosphor als Dielektrikum bilden, und eine Messeinrichtung 12 vorgesehen ist, mit welcher die Elektroden verbunden sind und die zur Messung der Kapazität des Kondensators CP sowie zur Abgabe eines Signals s eingerichtet ist, falls die ermittelte Kapazität außerhalb eines festgelegten Toleranzbereiches um einen Sollwert liegt. In Fig. 1 sind zwei Leitungen 13, 14 eingezeichnet, welche die Elektroden 10, 11 mit der Messeinrichtung 12 verbinden. Das Signal s kann der Laseransteuerung 5 zugeführt sein, um diese zum sofortigen Abschalten der Laserlichtquelle 2 zu veranlassen, sofern ein Störfall vorliegt und ebenso kann das Signal s einer Anzeigeeinrichtung 15 zur Abgabe z.B. eines Alarmsignals zugeführt sein.
[0035] In Fig. 2, welche ein vergrößertes Detail der Fig. 1 darstellt, erkennt man auch, dass der
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Phosphor optional eingekapselt werden kann, z.B. mittels durchsichtiger oder durchscheinender Abdeckplättchen 16, 17, damit störende Umwelteinflüsse, wie zum Beispiel ein Kondensat, auf dem Phosphor nicht auftreten können bzw. die Kapazität bzw. die Impedanz des Phosphors 6 dadurch nicht beeinflusst wird. Andererseits ist es auch möglich, keine Verkapselung vorzusehen und absichtlich durch eine entsprechende Auslegung der Elektroden die Kapazität stark abhängig von Oberflächenablagerungen zu machen. Damit kann beispielsweise eine Kondensation an der Oberfläche des Phosphors festgestellt werden, welche für den Betrieb gefährliche ist, da durch eine Kondensation eine Ablenkung des Laserstrahls auftritt und somit die Gefahr eines nicht vorgesehenen Austritts eines Laserstörstrahls 9.
[0036] In Fig. 3 ist in weiter vergrößerter Darstellung ein quaderförmiger Phosphor 6 mit zwei Elektroden 10, 11 gezeigt, von welchen Leitungen 13, 14 ausgehen, wobei der Phosphorkörper eine Dielektrizitätskonstante ε bei einem Elektrodenabstand d aufweist. Natürlich könnten die Elektroden auch an anderen, vorzugsweise aber nicht notwendigerweise gegenüberliegenden Flächen des Phosphors angeordnet sein.
[0037] Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht eines beschädigten Phosphors 6, welcher eine Beschädigung in Form von Rissen 18 zeigt. Solche Risse führen zu einer Änderung der Kapazität des Kondensators CP, der von den Elektroden 10,11 und dem Phosphor 6 gebildet wird.
[0038] Was die Messeinrichtung 12 betrifft, so sollte es für den Fachmann klar sein, dass unzählige Messverfahren und -einrichtungen zur Kapazitätsmessung existieren. Im Besonderen eignen sich Wechselstrommessbrücken, von welchen in Fig. 5 die dem Messtechniker bekannte Wien-Brücke gezeigt ist. Die Brücke enthält vier Zeige, wobei zwei Zweige ohmsche Widerstände R2 und R3 aufweisen und die anderen beiden Zweige Impedanzen, in der gezeigten Ersatzschaltung aus einem Kondensator und einem Parallelwiderstand bestehend. In einem Impedanzzweig liegt der zu messende, hier veränderliche Kondensator CP des Phosphors 6 und der Parallelwiderstand RP, der gleichfalls durch den Phosphor repräsentiert ist. In dem anderen Impedanzzweig liegt ein Referenzkondensator ΰϊ und sein zugehöriger Widerstand R^ Die Brücke liegt mit zwei Brückenknoten an einer Wechselspannung Uw- Ist die Brücke in einem abgeglichenen Zustand, so ist die Spannung Uo zwischen den anderen beiden Brückenknoten gleich Null. Angewendet auf die Erfindung ist es sinnvoll, den Referenzkondensator ΰϊ in elektrischer Hinsicht gleich auszubilden, wie den von dem Phosphor 6 gebildeten Kondensator CP.
[0039] Im ungestörten Betrieb des Scheinwerfers, nämlich bei unbeschädigtem Phosphor, ist die Brücke abgeglichen. Tritt beispielsweise ein Riss 18 (Fig. 4) in dem Phosphor 6 auf, so ändert sich die Kapazität des Kondensators CP, die Brücke wird verstimmt und es tritt eine Spannung Uo auf, welche in der Messeinrichtung 12 detektiert und entsprechend verwertet werden kann.
[0040] Es soll nochmals betont werden, dass diese Methode des Erkennens einer Kapazitätsänderung nur eine von vielen Möglichkeiten ist, welche dem Fachmann zur Verfügung stehen. Prinzipiell könnte des Weiteren bei entsprechender Auslegung der Messeinrichtung zusätzlich oder alternativ auch eine Änderung des Parallelwiderstandes RP als ein Kriterium für einen Fehlerzustand des Phosphors ausgewertet werden.
[0041] Weiters ist es oft sinnvoll, wenn die Elektroden transparent sind und beispielsweise aus aufgedampften Indiumzinnoxid bestehen. Eine solche Lösung kann natürlich mit Vorteil bei einem transmissiven Phosphor angewendet werden.
[0042] Prinzipiell ist es möglich, für den Scheinwerfer sowohl reflektierende als auch transmissive Strahlengänge zu verwenden, wobei letztlich auch eine Mischung von reflektierenden und transmissiven Strahlengängen nicht ausgeschlossen ist.
[0043] Auch kann es sich bei dem Scheinwerfer auch um einen solchen mit einem scannenden Lasersystem handeln, bei welchem an dem Phosphor durch einen über Mikrospiegel abgelenkten Laserstrahl ein Bild „geschrieben wird, welches dann über ein Abbildungssystem auf die Straße projiziert wird. Ein Beispiel eines solchen Scheinwerfers zur Erzeugung eines Bildes
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AT518 287 B1 2018-03-15 österreichisches patentamt durch einen scannenden Laserstrahl ist etwa in der veröffentlichten österreichischen Patentan meldung AT 514 633 A1 der Anmelderin beschrieben.
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Patentamt
LISTE DER BEZUGSZEICHEN
1 Scheinwerfer 17 Abdeckplättchen
2 Laserlichtquelle 18 Risse
3 Fokussieroptik
4 Laserstrahl ε Dielektrizitätskonstante
5 Laseransteuerung CP Kondensator
6 Phosphor Ci Kondensator
7 Mischlicht Rt Widerstand
8 Projektionssystem r2 Widerstand
9 Störstrahl r3 Widerstand
10 Elektrode Rp Widerstand
11 Elektrode
12 Messeinrichtung
13 Leitung Uw Wechselspannung
14 Leitung Uo Spannung
15 Anzeigeeinrichtung d Abstand
16 Abdeckplättchen
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Claims (3)

  1. Patentansprüche
    1. Scheinwerfer für Kraftfahrzeuge mit zumindest einer Laserlichtquelle (1), deren Laserstrahl (3) auf zumindest ein Lichtkonversionsmittel gelenkt wird, welches einen Phosphor (6) zur Lichtkonversion aufweist, und mit einem Projektionssystem (8) zur Projektion des an dem zumindest einen Lichtkonversionsmittel erzeugten Lichtes (7) in den Fahrbahnraum, wobei an dem Phosphor (6) zumindest zwei Elektroden (10, 11) angeordnet sind, welche die Beläge eines Kondensators (CP) mit dem Phosphor (6) als Dielektrikum bilden, und eine Messeinrichtung (12) vorgesehen ist, mit welcher die zumindest zwei Elektroden (10, 11) verbunden sind und welche zur Messung der Kapazität des Kondensators (CP) sowie zur Abgabe eines Signals (s) eingerichtet ist, falls die ermittelte Kapazität außerhalb eines festgelegten Toleranzbereiches um einen Sollwert liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (12) als Wechselspannungsmessbrücke ausgebildet ist und der Kondensator (CP) mit dem Phosphor (6) als Dielektrikum in einem Brückenzweig liegt.
  2. 2. Scheinwerfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannungsmessbrücke eine Wien-Brücke ist.
  3. 3. Scheinwerfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Brückenzweig ein Referenzkondensator liegt, der gleich wie der Phosphor (6) ausgestaltet ist.
    Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 Phosphor (6) quaderförmig ausgebildet ist.
    Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 Phosphor (6) plättchenförmig ausgebildet ist.
    Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 Phosphor (6) transmissiv ist.
    Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 Elektroden (10, 11) transparent sind.
    bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die
    Scheinwerfer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (10, 11) aus aufgedampften Indiumzinnoxid bestehen.
    Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Phosphor (6) reflektiv ist.
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