DE102014110601A1

DE102014110601A1 - Scheinwerfer für Fahrzeuge

Info

Publication number: DE102014110601A1
Application number: DE102014110601.6A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Kloos
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2014-07-28
Filing date: 2014-07-28
Publication date: 2016-01-28
Anticipated expiration: 2034-07-29
Also published as: CN105318246A; US20160025290A1; US9791120B2; DE102014110601B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Scheinwerfer für Fahrzeuge mit einer Anzahl von halbleiterbasierten Lichtquellen, die auf einem Substrat angeordnet sind, und mit einer Optikeinheit, die mindestens eine Linse mit einer Linsenfläche aufweist zur Erzeugung einer vorgegebenen Lichtverteilung, wobei die Linsenfläche mittels einer Linsengleichung berechenbar ist, die durch eine um einen Deformationsparameter ergänzte Kegelschnittgleichung gebildet ist, sodass die Linsenfläche mit einer Abweichung zu einer Kegelschnittform ermittelt wird, wobei ein erster Deformationsparameter zur Änderung der Linsenfläche entsprechend unterschiedlicher Formänderungsgrade in Richtung der optischen Achse und senkrecht zur optischen Achse einerseits und dass ein zweiter Deformationsparameter zur Änderung der Linsenfläche entsprechend gleicher Formänderungsgrade in Richtung der optischen Achse und senkrecht zur optischen Achse anderseits vorgesehen sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Scheinwerfer für Fahrzeuge mit einer Anzahl von halbleiterbasierten Lichtquellen, die auf einem Substrat angeordnet sind, und mit einer Optikeinheit, die mindestens eine Linse mit einer Linsenfläche aufweist zur Erzeugung einer vorgegebenen Lichtverteilung, wobei die Linsenfläche mittels einer Linsengleichung berechenbar ist, die durch eine um einen Deformationsparameter ergänzte Kegelschnittgleichung gebildet ist, sodass die Linsenfläche mit einer Abweichung zu einer Kegelschnittform ermittelt wird.
Aus der DE 10 2012 106 490 A1 ist bspw. ein Scheinwerfer für Fahrzeuge bekannt, der eine Mehrzahl von matrixartig angeordneten halbleiterbasierten Lichtquellen (LED-Lichtquellen) und eine in Hauptabstrahlrichtung vorgelagerte Optikeinheit bestehend aus einer Primärlinse und einer Sekundärlinse aufweist. Die Sekundärlinse bildet das eingangsseitig eingehende Licht entsprechend einer vorgegebenen Lichtverteilung ab. Hierzu wird eine lichtausgangsseitige Linsenfläche der Sekundärlinse mittels einer Kegelschnittgleichung, die um die Deformationsparameter ergänzt wird, berechnet. Die Deformationsparameter sind als Asphärenterme ausgebildet, bei denen jeweils Asphärenkoeffizienten mit einer gradzahligen Potenz des Lateralabstandes eines Punktes der Linsenfläche multipliziert werden. Hierzu wird folgende Gleichung verwendet:
wobei

z: = z-Koordinate auf der optischen Fläche,
r: = Lateralabstand eines Punktes auf der optischen Fläche von der z-Achse,
c: = Scheitelkrümmung der asphärischen Basislinie,
K: = konische Konstante,
α: = Asphärenkoeffizient.

Je höher die Anforderungen an die Genauigkeit der Linsenfläche gestellt werden, desto mehr Asphärenterme müssen dem die Kegelschnittgleichung repräsentierenden ersten Term der Linsengleichung hinzugefügt werden. Bei Scheinwerfer mit Linsen, die einen hohen Korrektionsgrad verlangen, wie bspw. bei LED-Matrixscheinwerfern, wird eine hohe Anzahl von Asphärenkoeffizienten benötigt, was den Aufwand erhöht. Ferner ist bei zusätzlichen Asphärentermen keine unmittelbare geometrische Deutung hinsichtlich der Linsenflächenveränderung möglich, was die Berechnung erschwert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Scheinwerfer für Fahrzeuge enthaltend eine Optikeinheit mit einer Linse derart weiterzubilden, dass die Berechnung einer Linsenfläche einfacher und schneller erfolgt, wobei sich ein relativ hoher Korrektionsgrad erzielen lässt.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Deformationsparameter zur Änderung der Linsenfläche entsprechend unterschiedlicher Formänderungsgrade in Richtung der optischen Achse und senkrecht zur optischen Achse einerseits und dass ein zweiter Deformationsparameter zur Änderung der Linsenfläche entsprechend gleicher Formänderungsgrade in Richtung der optischen Achse und senkrecht zur optischen Achse anderseits vorgesehen sind.
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein gezieltes Aufsuchen einer optimalen Linsenflächenkontur gewährleistet ist, wobei die Optimierungsschritte der Linsenflächenbestimmung einer geometrischen Bedeutung zugänglich sind. Auf diese Weise ist der Lösungsweg besser nachvollziehbar als bei einer erratischen Suche. Da die erfindungsgemäßen Deformationsparameter leichter einer geometrisch-optischen Deutung zugänglich sind, kann die Güte der gefundenen Linsenflächenlösung besser abgesichert werden. Unterschiedliche Linsenflächen können besser miteinander verglichen werden bzw. weitere Varianten der Linsenflächenform können unter veränderten Randbedingungen leichter abgeleitet werden. Dadurch, dass zur Beschreibung der Linsenfläche eine geringe Anzahl von beschreibenden Größen erforderlich ist, kann die Optimierung der Linsenflächenform beschleunigt, robuster und leichter anschaulich gestaltet werden. Ein hoher Korrektionsgrad der Linse lässt sich somit schneller und gezielter erreichen.
Nach der Erfindung ist ein erster Deformationsparameter vorgesehen, dessen Variierung eine Änderung der Linsenfläche in unterschiedliche Richtungen ermöglicht. Er bewirkt nämlich unterschiedliche Formänderungsgrade in Richtung der optischen Achse und senkrecht zur optischen Achse. Es handelt sich quasi um einen lateralisotrope Änderung der Linsenfläche. Ferner ist ein zweiter Deformationsparameter vorgesehen, dessen Variierung zu gleichen Formänderungsgraden der Linsenfläche führt sowohl in Richtung der optischen Achse als auch senkrecht zu derselben. Es erfolgt somit eine gleichmäßige Änderung, quasi isotrop. Vorteilhaft kann hierdurch durch Änderung des ersten Deformationsparameters und/oder des zweiten Deformationsparameters eine gezielte Variierung der Linsenfläche bewirkt werden, sodass die Ziel- Linsen-Flächenform schneller und leichter gefunden werden kann.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der erste Deformationsparameter so ausgebildet, dass dessen Variierung eine rotationsellipsoidförmige Änderung der Linsenfläche bewirkt. Ferner ist der zweite Deformationsparameter so ausgebildet, dass dessen Variierung eine kugelförmige Änderung der Linsenfläche bewirkt. Der zweite Deformationsparameter ermöglicht somit eine isotrope Änderung der Linsenfläche., Der erste Deformationsparameter bewirkt eine Änderung der Linsenflächenform mit unterschiedlichen Formänderungsgraden in Richtung der optischen Achse und senkrecht zu derselben. Die Änderung des ersten Deformationsparameters bewirkt somit eine lateralisotrope Änderung der Linsenfläche. Es handelt sich somit um eine lateralisotrope Änderung der Linsenflächenbeschreibung.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Deformationsparameter jeweils als eine Reihe gebildet, wobei sich Summanden der Reihe durch ein Produkt aus einem Deformationskoeffizienten und einen Ortsvektor zusammensetzen. Die Deformationsparameter sind abhängig von einer Ortskoordinate der zu berechnenden Linsenfläche im kartesischen Koordinatensystem. Die Ortskoordinate dient als Laufvariable der Flächenbeschreibung und gibt den Abstand im Raum zu einem der Linsenscheitel an.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Berechnung der Linsenfläche ausgehend von einer mittels der Kegelschnittgleichung beschriebenen Kegelform (Ausgangszustand) zu einer die die lichttechnischen Anforderungen erfüllenden Linsenfläche (Zielzustand), wobei die Linsenoberfläche durch stetige Deformation verändert wird.
Weiter Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Seitenansicht eines Scheinwerfers mit einer Lichtquelle und einer Optikeinheit enthaltend eine Linse,
2 Darstellung einer Linsenfläche der Linse bei Variation eines Deformationsparameters U der Linsengleichung und
3 Darstellung der Linsenfläche der Linse bei Variation eines Deformationsparameters V der Linsengleichung.
Ein Scheinwerfer für Fahrzeuge dient zur Erzeugung einer vorgegebenen Lichtverteilung, bspw. einer Abblendlichtverteilung, Fernlichtverteilung, Autobahnlichtverteilung bzw. adaptiven Lichtverteilung.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung gemäß 1 weist der Scheinwerfer einen Anzahl von halbleiterbasierten Lichtquellen 1 auf, die auf einem Substrat 2 angeordnet sind. Das Substrat 2 ist als eine Leiterplatte, vorzugsweise als eine starre Leiterplatte ausgebildet, die sich in einer senkrecht zu einer optischen Achse 3 einer in Hauptabstrahlrichtung H vor den Lichtquellen 1 angeordneten Optikeinheit 4 erstreckt. Die halbleiterbasierten Lichtquellen 1 sind als LED-Lichtquellen ausgebildet, die matrixartig auf dem Substrat 2 angeordnet sind. Das Substrat 2 trägt somit eine Mehrzahl von diesen halbleiterbasierten Lichtquellen.
Die in Hauptabstrahlrichtung H vor den Lichtquellen 1 angeordnete Optikeinheit 4 weist ein Primäroptikelement 5 und ein in Hauptabstrahlrichtung H vor demselben angeordneten Sekundäroptikelement 6 auf. Das Primäroptikelement 5 ist in der Nähe des Substrats 2 angeordnet.
Das Sekundäroptikelement 6 ist als eine Linse ausgebildet, die über eine kuppelförmige Linsenflächen 7 verfügt. Die Linse 6 bewirkt eine Kollimation von durch die Lichtquellen 1 emittierten Lichtstrahlen L, wie aus der 1 ersichtlich ist. Die Optikeinheit 4 kann somit auch als eine Kollimationseinheit angesehen werden.
Üblicherweise wird die Linsenfläche mit einer Linsengleichung berechnet, die als eine Kegelschnittgleichung in Scheitelform mit als Polynomentwicklung hinzugefügten Asphärentermen dargestellt ist. Diese Linsengleichung ist nach der z-Koordinate aufgelöst, die zugleich in Richtung der optischen Achse weist. Es ergibt sich somit folgende explizite Linsengleichung.
wobei:

Die Asphärenterme dienen als Deformationsparameter und geben somit die Abweichung der Linsenfläche zu der Kegelform an.
Nach der Erfindung wird von einer Kegelschnittgleichung in Scheitelform ausgegangen, die in implizierter Form vorliegt. Diese Linsengleichung wird um Deformationsparameter ergänzt, wobei ein erster Deformationsparameter U und ein zweiter Deformationsparameter V mit unterschiedlichen Vorzugsrichtungen versehene Änderungen der Linsenfläche 7 bewirken. Durch Variation des ersten Deformationsparameters U erfolgt eine rotationsellipsoidförmige Änderung der Linsenfläche 7. Durch Variation des zweiten Deformationsparameters V erfolgt eine kugelförmige Änderung der Linsenfläche 7. Die erfindungsgemäße Linsengleichung ist im Folgenden wiedergegebene:
wobei:
k = konische Konstante
R = Krümmungsradius der Linsenfläche 7
Der erste Deformationsparameter U ergibt sich als eine Reihenentwicklung U(r →) = U₁r →² + U₂r →⁴ + ... wobei die Reihe eine Summe von Produkten bildet, die sich aus Deformationskoeffizienten U₁, U₂...U_n und Ortsvektoren r → zusammensetzen. Die Deformationskoeffizienten U1, U2...Un dienen in diesen Termen als Entwicklungskoeffizienten. Mit jedem weiteren Term erhöht sich die Potenz der Ortsverktoren r → um zwei.
Der zweite Deformationsparameter V wird als Reihenentwicklung V(r →) = V₁r →⁴ + V₂r →⁶ + ... gebildet, wobei Summanden der Reihe durch das Produkt aus Deformationskoeffizienten V₁, V₂, ... V_n und dem Ortsvektor r → gebildet sind. Die Potenz der Terme beginnt mit vier und erhöht sich mit jedem weiteren Term um zwei. Die Terme des zweiten Deformationsparameters V weisen somit wie die Terme des ersten Deformationsparameters U gradzahlige Potenzen auf.
Wie aus der Linsengleichung zu entnehmen ist, wird der erste Deformationsparameter U mit einer z-Koordinate multipliziert, wobei die z-Koordinate in Richtung der optischen Achse 3 weist. Der zweite Deformationsparamter V ist als ein Summand in der Linsengleichung angeordnet.
Durch Variation des ersten Deformationsparameters U und/oder des zweiten Deformationsparameters V kann ausgehend von einem Ausgangszustand, in dem U = 0 und V = 0 sind und die Linsenfläche 7 damit mit der Kegelschnittgleichung beschrieben ist, eine stetige kontinuierliche Deformation der Kegelförmigen Linsenfläche in Richtung eines Zielzustandes erfolgen, in dem die Linsenfläche 7 die optischen Voraussetzungen zur Erzeugung der vorgegebenen Lichtverteilung erfüllt.
Die Variation des ersten Deformationsparameters U bewirkt eine unterschiedliche Änderung der Linsenfläche 7 in Richtung der optischen Achse 3 und in Richtung senkrecht zur optischen Achse 3, wie aus 2 ersichtlich ist. Dort sind zwei Deformationen U_D1 und U_D2 exemplarisch dargestellt, die durch unterschiedliche erste Deformationsparameter U bewirkt werden. Es ist ersichtlich, dass beide Deformationsparameter U_D1 und U_D2 eine rotationsellipsoidförmige Änderung der Linsenfläche 7 bewirken. Der Deformationsparameter U_D2 bewirkt jedoch eine im Vergleich zu U_D1 verhältnismäßig größere Änderung in Richtung der optischen Achse 3 als in Richtung quer zu derselben. Der erste Deformationsparameter 1 bewirkt somit eine lateralisotrope Deformation der Linsenfläche 7.
In 3 sind beispielhaft zwei zweite Deformationsparameter V_D1 und V_D2 dargestellt, die quasi eine isotrope Deformation der Linsenfläche 7 bewirken. Der Deformationsparameter V_D2 bewirkt im Vergleich zum Deformationsparameter V_D1 eine Deformation der Linsenfläche 7 gleichmäßig in Richtung der optischen Achse 3 und senkrecht zu optischen Achse 3.
Die unterschiedlichen Deformationvorzugssrichtungen bzw. unterschiedlichen Deformationskonture bewirkenden Deformationsparameter U einerseits und V andererseits ermöglichen somit ein gezielteres annähern der Linsenfläche 7 ausgehend von der Kegelform an die ideale Linsenform, die die gewünschten optischen Eigenschaften aufweist. Vorteilhaft kann hierdurch insbesondere eine Scheiteldicke der Linse 6 reduziert werden.
Nach einer nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung kann die Optikeinheit auch lediglich eine einzige Linse aufweisen.
Alternativ kann die Optikeinheit auch aus einer Mehrzahl von Linsen gebildet sein, wobei mindestens eine Linse nach der erfindungsgemäßen Linsengleichung berechnet wird und die anderen Linsen nach der bekantnen Linsengleichung berechnet wird.
Bezugszeichenliste

1: Lichtquellen
2: Substrat
3: Achse
4: Optikeinheit
5: Primäroptikelement
6: Sekundäroptikelement
7: Linsenfläche
H: Hauptabstrahlrichtung
L: Lichtstrahlen
U: Erster Deformationsparameter
V: Zweiter Deformationsparameter
r →: Ortsvektor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012106490 A1 [0002]

Claims

Scheinwerfer für Fahrzeuge mit einer Anzahl von halbleiterbasierten Lichtquellen, die auf einem Substrat angeordnet sind, und mit einer Optikeinheit, die mindestens eine Linse mit einer Linsenfläche aufweist zur Erzeugung einer vorgegebenen Lichtverteilung, wobei die Linsenfläche mittels einer Linsengleichung berechenbar ist, die durch eine um einen Deformationsparameter ergänzte Kegelschnittgleichung gebildet ist, sodass die Linsenfläche mit einer Abweichung zu einer Kegelschnittform ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Deformationsparameter (U) zur Änderung der Linsenfläche (7) entsprechend unterschiedlicher Formänderungsgrade in Richtung der optischen Achse (3) und senkrecht zur optischen Achse (3) einerseits und dass ein zweiter Deformationsparameter (V) zur Änderung der Linsenfläche entsprechend gleicher Formänderungsgrade in Richtung der optischen Achse (3) und senkrecht zur optischen Achse (3) anderseits vorgesehen sind.
Scheinwerfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Deformationsparameter (U) zur rotationsellipsoidförmigen Änderung der Linsenfläche (7) und der zweiter Deformationsparameter (V) zur kugelförmigen Änderung der Linsenfläche (7) vorgesehen dient.
Scheinwerfer nach Anspruch 1 oder 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Deformationsparameter (U, V) jeweils als eine Reihe gebildet sind, wobei sich Summanden der Reihe durch ein Produkt aus einem Deformationskoeffizienten (U₁, U₂, ... U_n; V₁, V₂ ... V_n) und einem Ortsvektor (r →) zusammensetzen.
Scheinwerfer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ortsvektoren (r →) der Reihe von dem Deformationsparametern (U, V) durch gradzahlige Potenzen gebildet sind.
Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Deformationsparameter (U) und eine Koordinate (z), entlang derer eine optische Achse (3) der Linse (6) verläuft, ein Produkt in der Linsengleichung bilden und dass der zweite Deformationsparameter (V) einen von mehreren Summanden der in implizierter Form vorliegenden Linsengleichung bildet.
Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsengleichung durch folgenden Term beschrieben ist:
wobei: k = konische Konstante, R = Krümmungsradius der Linsenfläche, r → = Ortsvektor im Raum, U = erster Deformationsparameter, V = zweiter Deformationsparameter.
Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere halbleiterbasierte Lichtquellen (1) matrixartig angeordnet sind.
Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Optikeinheit (4) ein oder mehrere Linsen aufweist, von denen mindestens eine Linse nach der Linsengleichung berechnet wird.
Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (6) durch Anwendung der Linsengleichung von einem Ausgangszustand, in dem die Linsenfläche (7) durch die Kegelschnittgleichung beschrieben ist, in einen Zielzustand, in dem die Linse (6) die geforderten optischen Eigenschaften aufweist, durch stetige Deformation der Linsenfläche (7) bringbar ist.
Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Lichtverteilung durch mindestens eine Linse (6) erzeugbar ist, bei der die Linsenfläche (7) durch Variation des ersten Deformationsparameters (U) und/oder des zweiten Deformationsparameters (V) in der Linsengleichung berechnet ist.