DE102007018996A1

DE102007018996A1 - Scheinwerfer für Fahrzeuge

Info

Publication number: DE102007018996A1
Application number: DE102007018996A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Kloos; Karsten Eichhorn
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2007-04-21
Filing date: 2007-04-21
Publication date: 2008-10-23

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Scheinwerfer für Fahrzeuge mit einer Lichtquelleneinheit enthaltend mindestens ein Leuchtelement und mit einem in Lichtabstrahlrichtung vor der Lichtquelleneinheit angeordneten massiven Optikelement, das sich unmittelbar an die Lichtquelleneinheit anschließt, wobei das Optikelement eine Lichtauskoppelfläche mit einer Mehrzahl von in Richtung der optischen Achse verlaufenden ovalförmigen Krümmungslinien aufweist, derart, dass zumindest bezüglich der optischen Achse nahe verlaufende Lichtstrahlen des von der Lichtquelleneinheit abgestrahlten Lichtbündels an der Lichtauskoppelfläche in Richtung eines gemeinsamen Brennpunktes einer Brennebene gebrochen werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Scheinwerfer für Fahrzeuge mit einer Lichtquelleneinheit enthaltend mindestens ein Leuchtelement und mit einem in Lichtabstrahlrichtung vor der Lichtquelleneinheit angeordneten massiven Optikelement, das sich unmittelbar an die Lichtquelleneinheit anschließt.
Aus der DE 103 15 131 A1 ist ein Scheinwerfer für Fahrzeuge bekannt, der eine Lichtquelleneinheit bestehend aus einer Mehrzahl von LED-Leuchtelementen aufweist. In Lichtabstrahlrichtung vor der Lichtquelleneinheit ist ein massives Optikelement angeordnet, dass das von der Lichtquelleneinheit eingekoppelte Licht entsprechend einer vorgegebenen Lichtverteilung an Seitenflächen totalreflektiert bzw. an einer auf der der Lichtquelleneinheit abgewandten Seite angeordneten Lichtauskoppelfläche bricht. Eine „Vorformung" der Lichtverteilung zur Beeinflussung der Leuchtdichtegradienten wird mittels einer Leuchtelemente-Chip-Geometrie erzielt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Scheinwerfer für Fahrzeuge derart weiterzubilden, dass auf effektive Weise zum einen eine Verbesserung der Lichtausbeute der Lichtquelleneinheit und zum anderen eine Bereitstellung einer Lichtverteilung in einer dem Optikelement vorgelagerten Ebene gewährleistet ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist der erfindungsgemäße Scheinwerfer in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Optikelement eine Lichtauskoppelfläche mit einer Mehrzahl von in Richtung der optischen Achse verlaufenden ovalförmigen Krümmungslinien aufweist, derart, dass zumindest bezüglich der optischen Achse nahe verlaufende Lichtstrahlen des von der Lichtquelleneinheit abgestrahlten Lichtbündels an der Lichtauskoppelfläche in Richtung eines gemeinsames Brennpunktes einer Brennebene gebrochen werden.
Vorteilhaft ermöglicht die Erfindung zum einen eine Verringerung der Verluste beim Lichtaustritt aus der Lichtquelleneinheit und zum anderen eine „Vorformung" des Lichtes in einer dem Optikelement vorgelagerten Brennebene. Grundgedanke der Erfindung ist es, das Optikelement als ein refraktives Primäroptikelement auszugestalten, wobei das von der Lichtquelleneinheit emittierte Licht lediglich an einer ovalförmigen Lichtauskoppelfläche des Primäroptikelementes gebrochen wird zur Bildung der vorgegebenen Lichtverteilung.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Optikelement in mindestens einem Längsschnitt eine ovalförmige und/oder ellipsoidförmige und/oder eiförmige Krümmungslinie auf. Beispielsweise kann der Verlauf der Krümmungslinien unterschiedlich sein, so dass sich unterschiedliche Streuwirkungen erzielen lassen. Vorteilhaft wird durch die ovalförmigen Krümmungslinien der Lichtauskoppelfläche bewirkt, dass zumindest achsnahe Lichtstrahlen in Richtung eines gemeinsamen Brennpunktes in der Brennebene gesammelt werden. Eine Einstellung der Winkelverteilung in der Brennebene kann durch geeignete Wahl der geometrischen Parameter des ovalförmigen Optikelementes und der Brechzahl desselben erfolgen.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung schneidet eine in vertikaler Richtung obere Kante der Lichtquelleneinheit die optische Achse des Optikelementes. Vorteilhaft wird hierdurch nach Abbildung der Lichtverteilung durch das Optikelement in der Brennebene eine vorgeformte Lichtverteilung mit Hell-Dunkel-Grenze begünstigt. Eine Beeinflussung der Lichtverteilung kann durch Anordnen einer Blende in der Brennebene erfolgen.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das Optikelement fest mit der Lichtquelleneinheit verbunden, wobei vorzugsweise die Lichtquelleneinheit auf einer Lichteinkoppelseite des Optikelementes angespritzt ist. Vorteilhaft können hierdurch die von der Lichtquelleneinheit emittierten Lichtstrahlen relativ ungestört (geringe Brechwirkung) in das Optikelement eingekoppelt werden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vor dem Primäroptikelement ein Sekundäroptikelement angeordnet, das die Lichtverteilung in den Straßenraum hin abbildet. Vorzugsweise ist das Sekundäroptikelement als eine Kollimationslinse ausgebildet, deren Brennpunkt mit dem Brennpunkt des Primäroptikelementes zusammenfällt. Die Kollimationslinse parallelisiert das Licht und bildet die Lichtverteilung ins Unendliche ab.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann die Lichtquelleneinheit eine Mehrzahl von in Chipform ausgebildeten LED-Leuchtelementen aufweisen, die jeweils mit einer Maske versehen sind. Hierdurch können die LED-Leuchtelemente auf eine gemeinsame Brennebene ausgerichtet werden. Vorteilhaft lassen sich hierdurch höhere Lichtströme erzielen. Ferner ermöglicht diese Variante, dass einzelne LED-Leuchtelemente gezielt ein-, zu- und ausgeschaltet werden können.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine perspektivische Seitenansicht eines Optikelementes des Scheinwerfers, an dessen Lichteinkoppelfläche eine Lichtquelleneinheit angeordnet ist und wobei ausgewählte Krümmungslinien dargestellt sind, und
2 ein schematischer Längsschnitt durch den Scheinwerfer mit einem alternativ geformten Optikelement.
Ein Scheinwerfer für Fahrzeuge zur Erzeugung einer Abblendlichtverteilung bzw. Fernlichtverteilung besteht im Wesentlichen aus einer Lichtquelleneinheit 1 und einer in Lichtabstrahlrichtung 2 vor der Lichtquelleneinheit 1 angeordneten Optikeinheit 3.
Die Optikeinheit 3 umfasst zum einen ein ovalförmiges Optikelement, nämlich ein Primäroptikelement 4, 4', das auf einer Lichteinkoppelseite 5 unmittelbar an die Lichtquelleneinheit 1 angrenzt. Vorzugsweise ist das Primäroptikelement 4, 4' fest mit der Lichtquelleneinheit 1 verbunden, wobei beispielsweise das Primäroptikelement 4, 4' an der Lichtquelleneinheit 1 angespritzt ist.
Vorzugsweise ist die Lichtquelleneinheit 1 luftdicht an dem Primäroptikelement 4, 4' angesetzt, so dass die von der Lichtquelleneinheit 1 emittierten Lichtstrahlen 6 quasi ungebrochen in das Primäroptikelement 4, 4' eingekoppelt werden und dann über eine auf der der Lichtquelleneinheit 1 abgewandten Seite des Primäroptikelementes 4, 4' angeordneten Lichtauskoppelfläche 7 ausgekoppelt werden.
Die Lichtquelleneinheit 1 weist vorzugsweise eine Mehrzahl von in Chipform ausgebildeten LED-Leuchtelementen auf, die reihenförmig oder in einem Rechteck angeordnet sein können. Die LED-Leuchtelemente können somit ein Leuchtfeld bilden, das im Bereich einer optischen Achse 8 des Primäroptikelementes 4, 4' angeordnet ist. Vorzugsweise ist eine in vertikaler Richtung oben angeordnete Kante der Lichtquelleneinheit 1 in Höhe der optischen Achse 8 angeordnet. Die obere Kante der Lichtquelleneinheit 1 schneidet somit die optische Achse 8 des Primäroptikelementes 4, 4'.
Zum anderen weist die Optikeinheit 3 ein Sekundäroptikelement 9 auf, das in Lichtabstrahlrichtung 2 vor dem Primäroptikelement 4, 4' angeordnet ist. Das Sekundäroptikelement 9 ist als eine Kollimationslinse ausgebildet, die das von dem Primäroptikelement 4, 4' abgestrahlte Licht 6 ins Unendliche parallelisiert. Zu diesem Zweck weist die Kollimationslinse 9 solche Linsenflächen 10, 10' auf, dass ein Brennpunkt f_K der Kollimationslinse 9 mit einem Brennpunkt f_P des Primäroptikelementes 4, 4' zusammenfällt. Wie aus den 1 und 2 verdeutlicht wird, weist das Primäroptikelement 4, 4' solche im Längsschnitt desselben verlaufende ovalförmige Krümmungslinien 11 auf, das zumindest die achsnahen Lichtstrahlen 6 in dem Brennpunkt f_P gesammelt werden. Die nicht dargestellten achsfernen Lichtstrahlen werden zumindest in einer Brennebene B, die senkrecht zur optischen Achse 8 verläuft und in der die Brennpunkte f_K und f_P liegen, abgebildet. Es ergibt sich somit eine vorgeformte Lichtvertei lung mit einer Hell-Dunkel-Grenze. Gegebenenfalls kann durch Einbringen einer Blende 12, siehe 2, die Lichtverteilung bzw. die Hell-Dunkel-Grenze beeinflusst werden.
Wie aus 1 zu ersehen ist, ist das Primäroptikelement 4, 4' eiförmig ausgebildet, es weist eiförmige Krümmungslinien 11 auf, wobei eine größte Breite b des Primäroptikelementes 4, 4' auf einer der Lichteinkoppelseite 5 zugewandten Seite bezüglich einer Quermittelebene Q des Primäroptikelementes 4, 4' angeordnet ist.
Das in 2 dargestellte Primäroptikelement 4' ist im Vergleich zu dem Primäroptikelement 4 nach 1 kürzer ausgebildet.
Das eiförmige Primäroptikelement 4, 4' ist rotationssymmetrisch ausgebildet, wobei sich in Umfangsrichtung kreisförmige Krümmungslinien 13 ausbilden.
Vorzugsweise ist die Kollimationslinse 9 ebenfalls rotationssymmetrisch bezüglich der optischen Achse 8 angeordnet.
Nach einer alternativen Ausführungsform der Erfindung können die ovalförmigen Krümmungslinien 11 auch ellipsoidförmig ausgebildet sein. Der Unterschied zwischen der ellipsoidförmigen und eiförmigen Ausgestaltung der Krümmungslinien 11 besteht darin, dass bei der Ausführungsform mit den eiförmigen Krümmungslinien 11 eine größere Exzentrizität des Primäroptikelementes 4, 4' auf einer der Lichtquelleneinheit 1 zugewandten Halbseite desselben vorliegt.
Das Primäroptikelement 4, 4' weist auf der Lichteinkoppelseite 5 eine senkrecht zur optischen Achse 8 verlaufende Grenzfläche 14 auf, an der die Lichtquelleneinheit 1 angesetzt ist.
Die Lichtauskoppelfläche 7 des Primäroptikelementes 4, 4' gemäß der beschriebenen Ausführungsform berechnet sich nach folgender Formel
wobei

x: die Koordinatenachse entlang der optischen Achse der optischen Komponente,
y: die Koordinatenachse senkrecht zur optischen Achse und im Abstand s zur Scheitelfläche der optischen Komponente,
s: der Abstand von der Scheitelebene der Komponente zum Ort des Bildes,
t: der Abstand von der x-Position der LED zur Scheitelebene der Komponente,
R: ein Auslegungsparameter, der zur Skalierung der Parameterschar von Ausführungsformen herangezogen werden kann,
n: der Brechungsindex der optischen Komponente.

Nach einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform kann das Primäroptikelement 4, 4' auch nicht rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Beispielsweise kann es als ein dreiachsiges ovoidförmiges (eiförmig) Optikelement ausgebildet sein.
Nach einer nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung kann das Primäroptikelement 4, 4' auch an gegenüberliegenden Längsseiten abgeschnitten ausgebildet sein, wobei die so gebildeten Seitenflächen parallel zu der optischen Achse 8 oder in einem spitzen Winkel zueinander verlaufen. Die Lichtquelleneinheit 1 kann in diesem Fall beispielsweise durch ein einziges LED-Leuchtelement gebildet sein.
Nach einer nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung kann zur Erzielung höherer Lichtströme das LED-Leuchtelement auf einer dem Primäroptikelement 4, 4' zugewandten Seite mit einer reflektierenden Fläche versehen sein, so dass hierdurch der erfasste Raumwinkelbereich erhöht wird.
Das Primäroptikelement 4, 4' kann beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial gespritzt sein.

1: Lichtquelleneinheit
2: Lichtabstrahlrichtung
3: Optikeinheit
4, 4': Primäroptikelement
5: Lichteinkoppelseite
6: Lichtstrahlen
7: Lichtauskoppelfläche
8: optische Achse
9: Sekundäroptikelement
10: Linsenflächen
11: ovalförmige Krümmungslinie
12: Blende
13: kreisförmige Krümmungslinie
14: Grenzfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10315131 A1 [0002]

Claims

Scheinwerfer für Fahrzeuge mit einer Lichtquelleneinheit enthaltend mindestens ein Leuchtelement und mit einem in Lichtabstrahlrichtung vor der Lichtquelleneinheit angeordneten massiven Optikelement, das sich unmittelbar an die Lichtquelleneinheit anschließt, dadurch gekennzeichnet, dass das Optikelement (4, 4') eine Lichtauskoppelfläche (7) mit einer Mehrzahl von in Richtung der optischen Achse (8) verlaufenden ovalförmigen Krümmungslinien (11) aufweist, derart, dass zumindest bezüglich der optischen Achse (8) nahe verlaufende Lichtstrahlen (6) des von der Lichtquelleneinheit (1) abgestrahlten Lichtbündels an der Lichtauskoppelfläche (7) in Richtung eines gemeinsamen Brennpunktes (f_P) einer Brennebene (B) gebrochen werden.
Scheinwerfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Optikelement (4, 4') in mindestens einem Längsschnitt eine ovalförmige und/oder ellipsoidförmige und/oder eiförmige Krümmungslinie (11) aufweist.
Scheinwerfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Optikelement (4, 4') derart ausgebildet ist, dass in der Brennebene (B) eine vorgegebene Lichtverteilung mit einer Hell-Dunkel-Grenze gebildet ist.
Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Optikelement (4, 4') als ein Primäroptikelement fest mit der Lichtquelleneinheit (1) verbunden ist.
Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Lichtabstrahlrichtung (2) vor dem Primäroptikelement (4, 4') ein Sekundäroptikelement (9) angeordnet ist, das die Lichtverteilung in den Straßenraum abbildet.
Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sekundäroptikelement (9) als eine Kollimationslinse ausgebildet ist, deren Brennpunkt (f_K) mit dem Brennpunkt (f_P) des Primäroptikelementes (4, 4') zusammenfällt.
Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine in vertikaler Richtung obere Kante der Lichtquelleneinheit (1) die optische Achse (8) des Primäroptikelementes (4, 4') schneidet.
Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Brennebene (B) eine Blende (12) angeordnet ist.
Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Primäroptikelement (4, 4') und/oder das Sekundäroptikelement (9) rotationssymmetrisch bezüglich der optischen Achse (8) ausgebildet ist.
Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Primäroptikelement (4, 4') eiförmig ausgebildet ist, wobei das Primäroptikelement (4, 4') auf einer der Lichtquelleneinheit (1) zugewandten Seite der Quermittelachse (Q) derselben die größte Breite (B) aufweist und wobei das Primäroptikelement (4, 4') auf einer der Lichtquelleneinheit (1) zugewandten Seite eine senkrecht zur optischen Achse (8) verlaufende Grenzfläche (14) aufweist, an der die Lichtquelleneinheit (1) positioniert ist.
Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelleneinheit (1) eine Mehrzahl von in Chipform ausgebildete LED-Leuchtelemente aufweist, die jeweils mit einer Maske versehen sind, derart, dass die LED-Leuchtelemente auf die gemeinsame Brennebene (B) ausgerichtet sind.
Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Primäroptikelement (4, 4') an gegenüberliegenden Längsseiten abgeschnitten ausgebildet ist, wobei die so gebildeten Seitenflächen parallel zu der optischen Achse (8) oder in einem spitzen Winkel zueinander verlaufen.