DE102012106409A1

DE102012106409A1 - Scheinwerfer für Fahrzeuge

Info

Publication number: DE102012106409A1
Application number: DE201210106409
Authority: DE
Inventors: Gerhard Kloos
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2012-07-17
Filing date: 2012-07-17
Publication date: 2014-01-23

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Scheinwerfer für Fahrzeuge mit einer Mehrzahl von LED-Lichtquellen, die in einem LED-Feld matrixartig angeordnet sind und die jeweils ein Teillichtbündel emittieren, das auf eine in Hauptabstrahlrichtung vorne angeordnete Optikeinheit trifft zur Abbildung von Lichtflecken, die sich zu einer vorgegebenen Lichtverteilung zusammensetzen, wobei ein refraktiv-optisches Element (8, 18) vorgesehen ist, derart, dass in der Lichtverteilung benachbart abgebildete Lichtflecken unmittelbar aneinander liegen oder sich überlappen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Scheinwerfer für Fahrzeuge mit einer Mehrzahl von LED-Lichtquellen, die in einem LED-Feld matrixartig angeordnet sind und die jeweils ein Teillichtbündel emittieren, das auf eine in Hauptabstrahlrichtung vorne angeordnete Optikeinheit trifft zur Abbildung von Lichtflecken, die sich zu einer vorgegebenen Lichtverteilung zusammensetzen.
Aus der DE 10 2008 027 320 A1 ist ein Scheinwerfer für Fahrzeuge bekannt, der eine Mehrzahl von LED-Lichtquellen aufweist, die matrixartig in einem LED-Feld angeordnet sind. Dem LED-Feld ist eine Optikeinheit mit einem ersten Linsenelement und einem zweiten Linsenelement vorgelagert, so dass eine Fernlichtverteilung erzeugt werden kann. Zusätzlich ist eine Ansteuereinheit vorgesehen, die die LED-Lichtquellen derart ansteuert, dass in Abhängigkeit von der aktuellen Verkehrssituation entweder eine Voll-Fernlichtverteilung oder eine Teil-Fernlichtverteilung erzeugt wird. Bei der Voll-Fernlichtverteilung ist eine maximale Anzahl von LED-Lichtquellen eingeschaltet, die den Verkehrsraum ausleuchten, in dem sich kein weiteres Verkehrsobjekt befindet. In der Teil-Fernlichtverteilung ist eine verminderte Anzahl von LED-Lichtquellen eingeschaltet, so dass nicht der gesamte Verkehrsraum, sondern nur ein um einen Entblendungsbereich verminderter Verkehrsraum ausgeleuchtet wird. In dem Entblendungsbereich dieser Lichtverteilung befindet sich ein Verkehrsobjekt, beispielsweise ein vorausfahrendes Fahrzeug oder ein entgegenkommendes Fahrzeug, das nicht geblendet wird. Bei dem bekannten Scheinwerfer wird somit eine „adressierbare“ Fernlichtfunktion bereitgestellt, die eine optimale Entblendung anderer Verkehrsobjekte ermöglicht. Die Lichtverteilung setzt sich aus einer Mehrzahl von Lichtflecken zusammen, die durch Abbildung der LED-Lichtquellen mittels der Linsenelemente der Optikeinheit gewonnen werden. Damit keine unerwünschten Streifen („Lattenzauneffekt“) in der Lichtverteilung entstehen, müssen die Linsenelemente der Optikeinheit so aufeinander abgestimmt sein, dass benachbarte Lichtflecken unmittelbar aneinander liegen oder sich überlappen. Durch beispielsweise Form- oder Positionsänderungen der Linsenelemente können die Lichtflecken bzw. Einzelabbildungen der LED-Lichtquellen zwar gut „aufgeweicht“ werden. Allerdings ändert sich hier auch die Farbkorrektion des Scheinwerfers, das heißt die sphärische Aberration, die Koma, der Astigmatismus, die Bildfeldwölbung und die chromatische Aberration wird beeinträchtigt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Scheinwerfer für Fahrzeuge derart weiterzubilden, dass mit geringem Aufwand zum einen Inhomogenitäten einer Lichtverteilung verringert und zum anderen eine optimale Farbkorrektur aufrechterhalten werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein refraktiv-optisches Element vorgesehen ist, derart, dass in der Lichtverteilung benachbart abgebildete Lichtflecken unmittelbar aneinander liegen oder sich überlappen.
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch Anordnung eines zusätzlichen refraktiv-optischen Elementes eine kontrollierte Minimierung des unerwünschten Lattenzauneffektes ermöglicht wird, ohne dass der Farbkorrekturzustand des Gesamtsystems hinsichtlich sphärischer Aberration und/oder Koma und/oder Astigmatismus und/oder Bildfeldwölbung und/oder chromatisch Aberration wahrnehmbar beeinträchtigt wird. Das erfindungsgemäße refraktiv-optische Element ermöglicht somit eine Entkopplung zwischen „Winkelaufweichen“ der abgebildeten LED-Lichtquellen und einer Farbkompensation. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das refraktiv-optische Element leicht austauschbar ist. Hierdurch können mehrere Betriebsarten desselben Scheinwerfersystems durch Austauschen angepasster refraktivoptischer Elemente verwirklicht werden. Mittels der refraktiv-optischen Elemente können mit der gleichen Optikeinheit unterschiedliche Homogenitätsgrade der Lichtverteilungen erzeugt werden, insbesondere kann der Grad der Überlappung benachbarter Lichtflecken unterschiedlich eingestellt werden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das refraktiv-optische Element eine Anzahl von regelmäßig angeordneten Elementarzellen an, die erhaben auf einer ersten Flachseite und/oder auf einer zweiten Flachseite einer Basisfläche des refraktiv-optischen Elementes angeordnet sind. Diese Elementarzellen können linear bzw. gitterförmig oder ring- bzw. kreisförmig oder kreisausschnittförmig auf der Basisfläche angeordnet sein. Hierdurch ergibt sich eine Vielzahl von Ausgestaltungen der optisch wirksamen Oberfläche auf dem refraktiv-optischen Element, die unterschiedlichen Anforderungen genügen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das refraktiv-optische Element im Bereich einer Aperturblende des Scheinwerfers angeordnet. In diesem Bereich kann die optische Wirkung des Elementes am besten verwirklicht werden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Seitenansicht eines Scheinwerfers,
2 eine vergrößerte Seitenansicht eines in dem Scheinwerfer gemäß 1 eingesetzten refraktiv-optischen Elementes nach einer ersten Ausführungsform und
3 eine vergrößerte Seitenansicht eines refraktiv-optischen Elementes nach einer zweiten Ausführungsform.
Ein Scheinwerfer für Fahrzeuge kann beispielsweise zur Erzeugung einer Fernlichtverteilung eingesetzt werden. Bevorzugt wird der Scheinwerfer zur Erzeugung einer dynamischen Fernlichtverteilung eingesetzt, wobei verkehrssituationsabhängig einzelne LED-Lichtquellen 1 aus- bzw. eingeschaltet werden. Befindet sich eine maximale Anzahl von LED-Lichtquellen 1 mittels einer nicht dargestellten Ansteuereinheit im eingeschalteten Zustand, kann eine Voll-Fernlichtverteilung erzeugt werden, bei der die LED-Lichtquellen 1 zu Lichtflecken abgebildet werden, die den Verkehrsraum vollständig ausleuchten. Befindet sich ein Verkehrsobjekt, beispielsweise ein vorausfahrendes Fahrzeug oder ein entgegenkommendes Fahrzeug, in dem Vorfeld des Fahrzeugs, werden in Abhängigkeit von durch Detektiermittel erkannte Änderungen der aktuellen Lage dieses Verkehrsobjektes LED-Lichtquellen 1 ab- bzw. zugeschaltet, so dass lediglich eine Teil-Fernlichtverteilung erzeugt wird. Diese weist einen Entblendungsbereich auf, der nicht ausgeleuchtet wird und in dem sich das andere Verkehrsobjekt befindet. Hierdurch wird eine unerwünschte Blendung des im Vorfeld befindlichen Verkehrsobjektes verhindert.
Zur Erzeugung einer solchen Voll-Fernlichtverteilung bzw. Teil-Fernlichtverteilung bzw. Fernlichtverteilung weist der Scheinwerfer neben matrixartig in einem LED-Feld 2 angeordneten LED-Lichtquellen 1 eine Optikeinheit 3 auf, die durch ein erstes Linsenelement 4 und ein zweites Linsenelement 5 gebildet ist. Vermittels des ersten Linsenelementes 4 und des zweiten Linsenelementes 5 wird das von dem LED-Feld 2 abgestrahlte Lichtbündel L so geformt, dass die gewünschte Fernlichtverteilung entsteht. Die Fernlichtverteilung setzt sich aus den jeweils von den LED-Lichtquellen abgestrahlten und durch die Optikeinheit 3 in ihrer Richtung umgelenkten Teillichtbündel zusammen, die in Hauptabstrahlrichtung 6 ein Vorfeld des Fahrzeugs ausleuchten.
Im Bereich einer Aperturblende 7 des Scheinwerfers ist ein refraktiv-optisches Element 8 angeordnet, das sich plattenförmig senkrecht zu einer optischen Achse des Scheinwerfers erstreckt. Das refraktiv-optische Element 8 ist plattenförmig ausgebildet. Es weist eine Basisfläche 9 mit einer ersten Flachseite 10 und einer zweiten Flachseite 11 auf. Nach einer ersten Ausführungsform des refraktiv-optischen Elementes gemäß den 1 und 2 ist die Basisfläche 9 auf einer der Optikeinheit 3 bzw. dem LED-Feld 2 zugewandten Seite mit an der ersten Flachseite 10 regelmäßig angeordneten Elementarzellen 12 und an der zweiten Flachseite 11 angeordneten weiteren anders ausgebildeten Elementarzellen 12’ versehen. Die Elementarzellen 12 weisen jeweils eben verlaufende Flächenstücke auf, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch gitterförmig angeordnete Prismenflächen gebildet sind.
Diese Prismenflächen 12 erstrecken sich gitterförmig auf der ersten Flachseite 10. Die Erhabenheit dieser prismenförmigen Flächenstücke 12 bezüglich der Basisfläche 9 liegt im mm-Bereich oder im zehntel-mm-Bereich. Die Basisfläche 9 weist eine Dicke b auf, die gleich oder kleiner 1 mm ist.
Dieses refraktiv-optische Element 8 ermöglicht eine Winkelaufweitung, so dass benachbarte Lichtflecken der Lichtverteilung unmittelbar aneinander liegen oder überlappend angeordnet sind. Dies führt einer Homogenisierung der Lichtverteilung, wobei zum einen unerwünschte dunkle Streifen („Lattenzauneffekt“) in der Lichtverteilung vermieden werden und zum anderen die mit der Optikeinheit 3 berechnete Farbkorrektur nicht beeinträchtigt wird. Das bedeutet, dass eine „Aufweichung“ der LED-Lichtquellenabbildungen bzw. der Lichtflecken erfolgt, ohne dass dadurch eine Farbkompensation bzw. Farbkorrektur verändert wird.
Nach einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform kann das refraktivoptische Element 8 statt einer gitterförmigen Teilung auch eine kreisförmige oder kreisausschnittförmige bzw. kreissymmetrische Teilung aufweisen. Die Elementarzellen 12 erstrecken sich dann teilkreisförmig bzw. kreisförmig bezogen auf die optische Achse.
Nach einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform der Erfindung können die Elementarzellen 12 nicht eben verlaufende Flächenstücke aufweisen, die mittels einer kontinuierlichen mathematischen Funktion, beispielsweise durch eine Sinusfunktion beschrieben werden.
Nach einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung können die Elementarzellen 12 auch Flächenstücke aufweisen, deren Normalenorientierungen in einem sehr geringen Raumwinkelbereich variiert werden. Es werden Abweichungen in einem sehr geringen Raumwinkelbereich von einer vorgegebenen normalen Zielrichtung stochastisch ermittelt.
Bezüglich des refraktiv-optischen Elementes 8, das in 2 dargestellt ist, gilt folgende Gleichung für den Anstellwinkel der Elementarzelle 12: n·sinα = sin(α + δ), wobei

n: = Brechungsindex der Basisfläche,
δ: = vorgegebener Ablenkwinkel bezüglich Hauptabstrahlrichtung,
α: = Anstellwinkel der Elementarzelle 12.

Als Näherung ergibt sich folgende Formel: α = δ / n – 1
Um eine gewünschte Winkelaufweitung der Teillichtbündel zu erreichen, muss δ mit einem positiven und negativen Wert vorgegeben werden: δ = ±γ
Durch Verknüpfung der Gleichung für das refraktiv-optische Element mit der Systemmatrix für die präzise Optikeinheit 3 erhält man die folgende Gleichung, die die Wirkung des refraktiv-optischen Elementes in linearer Näherung beschreibt:
wobei

y₀ und β₀: Ort bzw. Winkel eines Lichtstrahls in der Brennebene und
y₃ und β₃: Ort und Winkel eines Lichtstrahls auf einer Testwand im Abstand d des Scheinwerfers,
f: Brennweite des Scheinwerfers.

Für den resultierenden Winkel des Strahls β₃ ergibt sich:
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gemäß 3 ist ein zweiteiliges refraktiv-optisches Element 18 vorgesehen, das aus zwei Basisflächen 19, 19’ besteht, auf dessen voneinander abgekehrten Flachseiten 10 jeweils unterschiedliche Elementarzellen 12, 12’ angeordnet sind. Vorteilhaft ist das refraktiv-optische Element 18 einfach herstellbar, da es aus jeweils einem Bauteil mit lediglich einer einzigen optisch wirksamen Flachseite 10 besteht. Vorzugsweise sind die beiden Basisflächen 19, 19’ der Bauteile unmittelbar aneinander liegend angeordnet, beispielsweise durch Verkleben, so dass sich kein unerwünschter Brechungsindexsprung einstellt. Auf der Basisfläche 19, 19’ befindet sich keine optische Struktur.
Das refraktiv-optische Element 8 ist transparent ausgebildet und besteht aus einem dielektrischen Werkstoffe, beispielsweise Glas oder Polymer.
Nach einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform kann die Optikeinheit auch aus lediglich einem einzigen Linsenelement bestehen.
Ferner kann nach einer alternativen Ausführungsform keine Ansteuereinheit vorgesehen sein, so dass lediglich eine vorgegebene statische Fernlichtverteilung oder eine andere Lichtverteilung erzeugbar ist.
Bezugszeichenliste

1: LED-Lichtquellen
2: LED-Feld
3: Optikeinheit
4: erstes Linsenelement
5: zweites Linsenelement
6: Hauptabstrahlrichtung
7: Aperturblende
8: refraktiv-optisches Element
9: Basisfläche
10: erste Fläche
11: zweite Fläche
12, 12’: Elementarzellen
18: refraktiv-optisches Element
19, 19’: Basisflächen
b: Abstand
L: Lichtbündel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008027320 A1 [0002]

Claims

Scheinwerfer für Fahrzeuge mit einer Mehrzahl von LED-Lichtquellen, die in einem LED-Feld matrixartig angeordnet sind und die jeweils ein Teillichtbündel emittieren, das auf eine in Hauptabstrahlrichtung vorne angeordnete Optikeinheit trifft zur Abbildung von Lichtflecken, die sich zu einer vorgegebenen Lichtverteilung zusammensetzen, dadurch gekennzeichnet, dass ein refraktiv-optisches Element (8, 18) vorgesehen ist, derart, dass in der Lichtverteilung benachbart abgebildete Lichtflecken unmittelbar aneinander liegen oder sich überlappen.
Scheinwerfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das refraktivoptische Element (8, 18) plattenförmig ausgebildet und dass das refraktivoptische Element (8, 18) eine Anzahl von regelmäßig angeordneten Elementarzellen (12, 12’) aufweist, die sich erhaben von einer ersten Flachseite (10) und/oder einer zweiten Flachseite (11) einer Basisfläche (9, 19, 19’) des refraktiv-optischen Elementes (8, 18) erstrecken.
Scheinwerfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dicke (b) der Basisfläche (9, 19, 19’) kleiner oder gleich einem Millimeter ist.
Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Elementarzellen (12, 12’) gitterförmig oder kreisförmig oder kreisausschnittförmig auf der Basisfläche (9, 19, 19’) erstrecken.
Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elementarzellen (12, 12’) durch eben verlaufende oder nicht eben verlaufende brechende Flächenstücke gebildet sind.
Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht eben verlaufenden brechenden Flächenstücke (12, 12’) entsprechend einer kontinuierlichen mathematischen Funktion, insbesondere entsprechend einer Sinusfunktion, verlaufen.
Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhabenheit der Elementarteile (12, 12’) im mm-Bereich oder im zehntel-mm-Bereich liegt.
Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das refraktiv-optische Element (8, 18) im Bereich einer Aperturblende (7) des Scheinwerfers angeordnet ist.
Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ansteuereinheit zur Ansteuerung der LED-Lichtquellen (1) vorgesehen ist, so dass in Abhängigkeit von einer durch Detektiermittel erkannten Änderung der Verkehrssituation entweder eine maximale Anzahl von LED- Lichtquellen eingeschaltet werden zur Erzeugung einer Voll-Fernlichtverteilung oder eine verminderte Anzahl von LED-Lichtquellen (1) eingeschaltet werden zur Erzeugung einer Teil-Fernlichtverteilung enthaltend einen Entblendungsbereich, in dem sich ein anderes Verkehrsobjekt befindet.
Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Optikeinheit (3) ein erstes Linsenelement (4) und/oder ein zweites Linsenelement (5) aufweist zur Erzeugung der Voll-Fernlichtverteilung und/oder der Teil-Fernlichtverteilung.