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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug (Kfz) mit einer Laserlichtquelle, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine derartige Beleuchtungseinrichtung ist beispielsweise in der
EP 2 525 140 A2 beschrieben.
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Laserlichtquellen (z.B. Halbleiterlaser, Laserdioden) haben verschiedene für Beleuchtungseinrichtungen interessante Eigenschaften, wie z.B. eine kleine lichtaussendende Fläche, hohe Strahlungsintensitäten, sowie die Ausstrahlung von weitgehend kollimierten Lichtbündeln. Mit Laserlichtquellen können daher optische Systeme mit kleineren Brennweiten und stärker gebündelten Strahlungsverläufen aufgebaut werden, als für konventionelle Lichtquellen wie Glühlampen oder Leuchtdioden. Ferner können Laserlichtquellen hohe Leuchtdichten bereitstellen. Dadurch lassen sich optische Systeme auf vergleichsweise geringem Bauraum und mit kleinen Lichtaustrittsflächen realisieren, wodurch die Gestaltungsfreiheit beim Design der Beleuchtungseinrichtung erhöht werden kann.
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Die Eigenschaften des Laserlichts können bei der Verwendung von Laserlichtquellen in Beleuchtungseinrichtungen für Kraftfahrzeuge jedoch zu besonderen Herausforderungen führen, welche bei Verwendung von konventionellen Lichtquellen nicht bestehen. Zum einen ist das aus der Laserlichtquelle austretende Licht in der Regel stark kollimiert und weist eine hohe zeitliche und räumliche Kohärenz auf. Bei den typischen hohen Strahlungsintensitäten von Laserlichtquellen ist Laserlicht daher potenziell gefährlich und kann insbesondere das menschliche Auge schädigen. Diese Gefährdung ist besonders ausgeprägt, wenn das Licht mittels einer bündelnden oder kollimierenden Abstrahloptik in eine Abstrahllichtverteilung projiziert wird, wie es z.B. bei Kfz-Scheinwerfern der Fall ist, da dann zu hohe Intensitäten auftreten können.
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Im Bereich der Kfz-Beleuchtungseinrichtung muss das abgestrahlte Licht außerdem eine vorgeschriebene Farbverteilung und/oder Farbtemperatur aufweisen. Für das ausgesandte Licht eines Kfz-Scheinwerfers ist z.B. weißes Mischlicht erwünscht bzw. gesetzlich vorgeschrieben. Ein Laser strahlt jedoch meist monochromatisches Licht (z.B. UV-Licht) oder Licht in einem sehr engen Wellenlängenbereich aus.
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Die Umwandlung von monochromatischem Licht in polychromatisches oder weißes Licht kann grundsätzlich mit Wellenlängenkonvertern erfolgen. Dabei ist der Konverter im Strahlengang des von der Lichtquelle ausgestrahlten Lichtes angeordnet und derart ausgebildet, dass er durch das eingestrahlte Licht zur Abgabe von Licht mit gewünschten spektralen Eigenschaften angeregt wird. Solche Wellenlängenkonverter sind z.B. als Lumineszenzkonverter ausgebildet. Sie weisen z.B. einen Lumineszenzfarbstoff auf, wobei das auf den Lumineszenzkonverter eingestrahlte Primärlicht (z.B. einer blaues Licht ausstrahlenden LED) diesen zur Fotolumineszenz, Fluoreszenz oder Phosphoreszenz anregt. Dadurch gibt der Konverter selbst Licht mit wenigstens einer anderen, in der Regel längeren, Wellenlänge (z.B. gelb) ab, oder wirkt als Mischlichtquelle für Licht mit einem vergrößerten Spektralbereich.
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Insgesamt ist eine Verwendung von Laserlichtquellen in Kfz-Beleuchtungseinrichtungen nur dann möglich, wenn die Einhaltung der Sicherheitsvorschriften zum Betrieb von Lasereinrichtungen sichergestellt ist und die abgestrahlte Lichtverteilung die vorgeschriebenen Charakteristika aufweist. Eine Blendung oder Gefährdung von Verkehrsteilnehmern durch Laserlicht muss vermieden werden. Dem Wellenlängenkonverter kommt daher eine sicherheitsrelevante Funktion zu. Wird der Wellenlängenkonverter beschädigt, aus dem Strahlengang entfernt oder in seiner Funktion beeinträchtigt, so kann potentiell gefährliche Laserstrahlung ohne Umwandlung in ungefährliches Licht aus der Beleuchtungseinrichtung austreten. Es müssen daher Maßnahmen getroffen werden, eine ungewollte Ausstrahlung von Laserlicht zu vermeiden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine KFZ-Beleuchtungseinrichtung mit Laserlichtquellen bereitzustellen, welche eine hohe Effizienz aufweist und bei welcher eine Gefährdung durch austretende Laserstrahlung zuverlässig vermieden werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Beleuchtungseinrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Die Beleuchtungseinrichtung umfasst wenigstens eine Laserlichtquelle zur Ausstrahlung eines Primärlichtbündels von Laserlicht mit wenigstens einer ersten Wellenlänge bzw. mit Licht in einem ersten Wellenlängenbereich. Ein Wellenlängenkonverter ist vorgesehen, um das eingestrahlte Laserlicht in eine Nutzlichtverteilung, d.h. in eine für die Zwecke der Kfz-Beleuchtungseinrichtung nutzbare Lichtverteilung umzuwandeln. Die Nutzlichtverteilung weist vorzugsweise wenigstens eine weitere Wellenlänge bzw. wenigstens einen weiteren Wellenlängenbereich auf. Die Umwandlung geschieht vorzugsweise unter Ausnutzung von Photolumineszenz, wobei ggf. auch ein Anteil des Laserlichts gestreut wird und sich mit dem umgewandelten Licht zur Nutzlichtverteilung mischt. Der Wellenlängenkonverter ist derart angeordnet, dass das Primärlichtbündel in einem Primärraumwinkelbereich um eine Primärstrahlrichtung konzentriert auf den Wellenlängenkonverter trifft. Zur Umformung der Nutzlichtverteilung in eine Abstrahllichtverteilung der Beleuchtungseinrichtung ist eine Abstrahloptikeinrichtung vorgesehen. Die Abstrahllichtverteilung ist dann beispielsweise um eine Hauptabstrahlrichtung der Beleuchtungseinrichtung konzentriert.
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Im Strahlengang zwischen dem Wellenlängenkonverter und der Abstrahloptikeinrichtung ist ein Zwischenreflektor angeordnet, welcher sich derart schalenartig um den Wellenlängenkonverter wölbt, dass die von dem Wellenlängenkonverter ausgestrahlte Nutzlichtverteilung möglichst vollständig erfasst und zu der Abstrahloptikeinrichtung umgelenkt wird. Dabei weist der Zwischenreflektor eine Laserstrahlfalle auf, welche derart ausgebildet ist, dass die Umlenkung zu der Abstrahloptikeinrichtung für das Primärlichtbündel oder für solche Laserstrahlen des Primärlichtbündels unterbunden ist, wenn die Laserstrahlen nicht von dem Wellenlängenkonverter erfasst werden, z.B. wenn der Wellenlängenkonverter für das Primärlichtbündel oder für Teile des Primärlichtbündels unwirksam ist. Dies kann z.B. auftreten, wenn der Wellenlängenkonverter zerstört ist oder sich nicht ordnungsgemäß im Strahlengang befindet.
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Durch die Laserstrahlfalle wird vermieden, dass potenziell gefährliches, unumgewandeltes Laserlicht in die Abstrahllichtverteilung gelangt. Da die Laserlichtfalle an dem Zwischenreflektor und nicht an der Abstrahloptikeinrichtung angeordnet ist, kann die geometrische Ausdehnung der Laserlichtfalle vergleichsweise klein sein. Insbesondere kann der Zwischenreflektor in geringem Abstand zu dem Wellenlängenkonverter angeordnet sein. Dies führt dazu, dass bei ordnungsgemäßem Betrieb nur ein geringer Anteil der Nutzlichtverteilung von der Laserlichtfalle erfasst wird und so eine hohe optische Effizienz erzielt werden kann. Ferner können Sicherheitsmaßnahmen wie Laserlichtblenden an der Abstrahloptikeinrichtung bei Bedarf entfallen, so dass die Abstrahloptikeinrichtung eine hohe optische Qualität aufweisen kann.
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Im Normalbetrieb trifft das von der Laserlichtquelle ausgestrahlte Primärlichtbündel auf den Wellenlängenkonverter, welcher dann die Nutzlichtverteilung abgibt. Diese wird von dem Zwischenreflektor erfasst und zu der Abstrahloptikeinrichtung umgelenkt, welche die Abstrahllichtverteilung erzeugt. Insofern wirkt der Wellenlängenkonverter als die eigentliche, die Nutzlichtverteilung speisende Lichtquelle, welche eine den Sicherheitsvorschriften entsprechende Strahlung abgibt.
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Der Wellenlängenkonverter ist grundsätzlich in der eingangs beschriebenen Art ausgebildet. Das Laserlicht des Primärlichtbündels kann je nach Ausgestaltung der Laserlichtquelle z.B. nahezu monochromatisch sein und wird durch die Wirkung des Wellenlängenkonverters in das Licht der Nutzlichtverteilung umgewandelt, vorzugsweise in polychromatisches oder weißes Licht. Hierzu ist der Wellenlängenkonverter z.B. als Photolumineszenzelement ausgebildet, welches Licht des Primärlichtbündels mit einer ersten Wellenlänge in Licht mit wenigstens einer weiteren Wellenlänge umwandelt. Dabei kann ein Teil des eingestrahlten Laserlichts ohne Wellenlängenkonversion gestreut werden und mit dem umgewandelten Licht gemischt werden. Denkbar ist jedoch auch eine vollständige Konversion im Licht mit den gewünschten spektralen Eigenschaften. Die Vorgänge im Wellenlängenkonverter führen insbesondere dazu, dass die in der Regel stark kollimierte Strahlung des Primärlichtbündels in die wesentlich stärker divergierende und gestreute Nutzlichtverteilung umgewandelt wird.
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Prinzipbedingt ist das Primärlichtbündel der Laserlichtquelle vergleichsweise stark kollimiert. Aus diesem Grund kann auch eine Laserlichtfalle mit kleinen geometrischen Abmessungen ausreichend sein, um die unerwünschte Laserstrahlung aus dem Wirkungsbereich der Abstrahloptikeinrichtung zu entfernen, wenn der Wellenlängenkonverter in einem Störfall nicht mehr wirksam ist oder aus dem Strahlengang entfernt ist.
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Um im Störfall die Umlenkung von Laserstrahlung zu der Abstrahloptikeinrichtung zu unterbinden, ist die Laserstrahlfalle vorzugsweise derart an dem Zwischenreflektor angeordnet, dass solche Lichtstrahlen, welche in dem Primärraumwinkelbereich um die Primärstrahlrichtung auf den Zwischenreflektor zu verlaufen, von der Laserstrahlfalle erfasst werden und dadurch nicht zu der Abstrahloptikeinrichtung umgelenkt werden.
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Die Laserstrahlfalle kann ein Durchstrahlloch in dem Zwischenreflektor bzw. in einer Reflexionsfläche des Zwischenreflektors umfassen. Das Durchstrahlloch ist insbesondere derart angeordnet, dass solche Lichtstrahlen (insbesondere Laserlichtstrahlen), die in dem Primärraumwinkelbereich um die Primärstrahlrichtung auf den Wellenlängenkonverter und weiter auf den Zwischenreflektor zu verlaufen, durch das Durchstrahlloch hindurchstrahlen. Denkbar ist weiter, dass das Durchstrahlloch von dem Wellenlängenkonverter aus betrachtet in Primärstrahlrichtung an dem Zwischenreflektor angeordnet und räumlich derart bemessen ist, dass der gesamte Primärraumwinkelbereich von dem Durchstrahlloch überdeckt ist. Im Störfall, wenn der Wellenlängenkonverter unwirksam oder aus dem Strahlengang entfernt ist, tritt die potentiell gefährliche Laserstrahlung durch das Durchstrahlloch aus der Einrichtung aus und wird nicht von der Abstrahloptikeinrichtung erfasst.
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Die Laserstrahlfalle muss jedoch nicht zwingend ein Durchstrahlloch im Zwischenreflektor umfassen. Stattdessen kann die Laserstrahlfalle auch von einem lichtabsorbierenden Bereich des Zwischenreflektors, z.B. aus einem geeigneten Absorbermaterial für Laserlicht, gebildet sein.
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Um den Austritt von Laserstrahlung zuverlässig zu vermeiden, kann zusätzlich ein Lichtabsorber vorgesehen sein, welcher derart angeordnet ist, dass die von der Laserstrahlfalle erfassten Lichtstrahlen von dem Lichtabsorber absorbiert werden. Der Lichtabsorber kann direkt an dem Zwischenreflektor angeordnet sein und/oder mit diesem einstückig verbunden sein. Der Lichtabsorber kann beispielsweise im Strahlengang hinter einem Durchstrahlloch der genannten Art angeordnet sein. Der Lichtabsorber ist z.B. im Strahlengang auf dem Wellenlängenkonverter folgend und in Primärstrahlrichtung hinter dem Wellenlängenkonverter angeordnet. Insofern bildet der Lichtabsorber vorzugsweise einen Teil der Laserstrahlenfalle. Insbesondere ist der Lichtabsorber außerhalb, auf der konvex gewölbten Seite des schalenartig gewölbten Zwischenreflektors angeordnet. Der Wellenlängenkonverter und der Lichtabsorber können hierbei auf gegenüberliegenden Seiten des Zwischenreflektors angeordnet sein. Der Zwischenreflektor erstreckt sich insofern z.B. zwischen dem Wellenlängenkonverter und dem Lichtabsorber. Die zu absorbierende Laserstrahlung durchtritt den Zwischenreflektor dann insbesondere durch die Laserstrahlfalle bzw. das Durchstrahlloch und trifft auf den Lichtabsorber.
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Grundsätzlich kann der Zwischenreflektor auch so ausgebildet sein, dass Laserstrahlen des Primärlichtbündels, welche nicht von dem Wellenlängenkonverter erfasst werden, in eine andere Richtung (Absorptionsrichtung) zu einem Lichtabsorber umgelenkt werden und/oder stark gestreut werden.
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Grundsätzlich ist es vorteilhaft, wenn das Primärlichtbündel vergleichsweise stark kollimiert ist, da dann die räumliche Ausdehnung der Laserstrahlfalle klein bemessen sein kann. Insofern ist es vorteilhaft, wenn eine Primäroptik, wie z.B. eine Kondensorlinse, ein Strahlführungsmittel, ein Lichtleiter oder Ähnliches im Strahlengang zwischen Laserlichtquelle und Wellenlängenkonverter angeordnet ist. Die Primäroptik ist vorzugsweise dazu ausgebildet, das Laserlicht der Laserlichtquelle in den Primärraumwinkelbereich um die Primärstrahlrichtung auf den Wellenlängenkonverter zu lenken. Die Primäroptik kann insbesondere kollimierend, bündelnd oder homogenisierend wirken.
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Die Laserlichtquelle und der Wellenlängenkonverter können auf gegenüberliegenden Seiten des Zwischenreflektors angeordnet sein. Insofern kann sich der Zwischenreflektor zwischen Laserlichtquelle und Wellenlängenkonverter erstrecken. Diese räumliche Trennung ermöglicht eine effiziente Kühlung von Laserlichtquelle und Wellenlängenkonverter. Die Primäroptik kann dann z.B. mit der Laserlichtquelle auf einer Seite des Zwischenreflektors angeordnet sein, und der Wellenlängenkonverter auf der gegenüberliegenden Seite des Zwischenreflektors.
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Die Laserlichtquelle kann insbesondere außerhalb, auf der konvex gewölbten Seite des schalenartig gewölbten Reflektors angeordnet sein. Der Zwischenreflektor kann dann ein Einstrahlloch aufweisen, durch welches das Primärlichtbündel auf den Wellenlängenkonverter einstrahlbar ist. Das Einstrahlloch ist vorzugsweise von dem genannten Durchstrahlloch der Laserstrahlfalle verschieden. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Laserstrahlung auch im Störfall nicht direkt auf den Zwischenreflektor trifft und nicht zu der Abstrahloptikeinrichtung umgelenkt wird, sondern nur die von dem Wellenlängenkonverter ausgestrahlte Nutzlichtverteilung.
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Vorzugsweise ist der Wellenlängenkonverter an einer reflektierenden Oberfläche eines Trägers angeordnet, wobei die reflektierte Oberfläche derart ausgebildet und orientiert ist, dass bei Abwesenheit des Wellenlängenkonverters (Störfall) solche Laserstrahlen, die in dem Primärraumwinkel um die Primärstrahlrichtung auf die reflektierende Oberfläche auftreffen, zu der Laserstrahlfalle reflektiert werden.
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Der Zwischenreflektor ist vorzugsweise derart gewölbt, dass die von dem Wellenlängenkonverter ausstrahlbare Nutzlichtverteilung (die prinzipbedingt insbesondere divergierende, diffuse oder radial abgestrahlte Lichtbündel umfasst) gesammelt und kollimiert oder zu der Abstrahloptikeinrichtung hin gebündelt wird.
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Denkbar ist beispielsweise, dass der Zwischenreflektor eine solche schalenartig um den Wellenlängenkonverter gewölbte Form aufweist, dass ein erster Brennbereich (insbesondere Brennpunkt) und ein hiervon verschiedener zweiter Brennbereich (insbesondere Brennpunkt) derart definiert ist, dass ein von dem ersten Brennpunkt ausgehendes divergierendes Lichtbündel von dem Zwischenreflektor auf den zweiten Brennpunkt gebündelt wird. Vorzugsweise ist der Wellenlängenkonverter in dem ersten Brennpunkt angeordnet. Der Wellenlängenkonverter wirkt in der Regel als nahezu radial (ggf. in einen Halbraum) abstrahlende Lichtquelle für die Nutzlichtverteilung. Diese wird bei der genannten Ausgestaltung von dem Zwischenreflektor zu dem zweiten Brennpunkt hin gebündelt, so dass der zweite Brennpunkt als virtuelle Quelle für eine divergierende, nahezu radial abgestrahlte Nutzlichtverteilung wirkt.
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Denkbar ist diesbezüglich insbesondere, dass der Zwischenreflektor als elliptischer Reflektor oder Rotationsellipsoid ausgebildet ist. Die von einem Brennpunkt des Ellipsoiden ausgehende, divergierende Strahlung wird dann zu dem zweiten Brennpunkt umgelenkt. Für die nachfolgende Abstrahloptikeinrichtung kann daher der zweite Brennpunkt als effektive, virtuelle Lichtquelle für die Nutzlichtverteilung wirken. Denkbar ist jedoch auch, dass der Zwischenreflektor zwei parabolische Teilschalen aufweist, wobei je eine Teilschale einen Brennpunkt definiert. Die parabolischen Teilschalen sind insbesondere derart miteinander verbunden (insbesondere einstückig), dass ihre konkav gewölbten Bereiche einander zugewandt sind und so ein insgesamt schalenartiger, sich um den Wellenlängenkonverter wölbender Zwischenreflektor gebildet ist.
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Zur weiteren Ausgestaltung ist die Abstrahloptikeinrichtung derart ausgebildet, dass wenigstens ein Brennbereich (insbesondere Brennpunkt) der Abstrahloptikeinrichtung definiert ist, wobei der Brennbereich (insbesondere Brennpunkt) der Abstrahloptikeinrichtung mit dem genannten zweiten Brennbereich (insbesondere Brennpunkt) des Zwischenreflektors zusammenfällt.
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Der Zwischenreflektor weist vorzugsweise eine im Vergleich zu den Abmessungen der Beleuchtungseinrichtung kleine Brennweite auf, so dass sich die Einheit aus Wellenlängenkonverter, Zwischenreflektor, ggf. Laserlichtquelle und ggf. Primäroptik sowie anderen Bauteilen auf kleinem Bauraum realisieren lässt. Insbesondere ist die Brennweite des Zwischenreflektors kleiner oder ein Vielfaches kleiner als die Brennweite der Abstrahloptikeinrichtung.
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Grundsätzlich kann die Abstrahloptikeinrichtung als Abstrahlreflektor, vorzugsweise als schalenartig gewölbter Abstrahlreflektor, ausgebildet sein. Der Abstrahlreflektor wölbt sich vorzugsweise um die Gesamtanordnung aus Wellenlängenkonverter und Zwischenreflektor. Insbesondere ist der Abstrahlreflektor entgegengesetzt zum Zwischenreflektor gewölbt, vorzugsweise derart, dass das Licht von dem Zwischenreflektor zunächst in eine Rückwärtsrichtung und dann vom Abstrahlreflektor in eine Vorwärtsrichtung der Beleuchtungseinrichtung gelenkt wird. Denkbar ist jedoch auch, dass die Abstrahloptikeinrichtung als Transmissionsoptik, beispielsweise Projektionslinse, ausgebildet ist.
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Zur weiteren Ausgestaltung kann die Laserlichtfalle zusätzlich einen Laserdetektor aufweisen, welcher dazu eingerichtet ist, zu erkennen, ob von der Laserlichtfalle Laserlicht erfasst wird. Wenn die Laserlichtfalle Laserlicht erfasst, so weist dies auf einen Störfall hin, in dem der Wellenlängenkonverter nicht ordnungsgemäß arbeitet. Denkbar ist beispielsweise, dass der Laserdetektor anspricht, wenn Licht oberhalb eines Intensitätsschwellwertes und/oder innerhalb eines definierten Wellenlängenintervalls detektiert wird. Das Wellenlängenintervall kann beispielsweise spezifisch auf die Laserlichtquelle abgestimmt gewählt sein. Vorzugsweise weist die Beleuchtungseinrichtung dann eine Steuereinrichtung auf, welche derart ausgebildet ist und mit dem Laserdetektor zusammenwirkt, dass eine Notabschaltung der Laserlichtquelle erfolgt, wenn mittels des Laserdetektors ein Störfall erkannt wird, d.h. wenn von der Laserlichtquelle erfasstes Laserlicht detektiert wird.
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Grundsätzlich kann der Wellenlängenkonverter als Transmissionskonverter ausgebildet sein, welcher eine Einstrahlfläche zum Einstrahlen des Primärlichtbündels und eine Ausstrahlfläche zur Abgabe der Nutzlichtverteilung aufweist. Denkbar ist jedoch auch, dass der Wellenlängenkonverter als Reflexionskonverter ausgebildet ist, wobei das Primärlichtbündel auf eine aktive Fläche eingestrahlt wird und diese aktive Fläche auch die Nutzlichtverteilung abgibt.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung ergibt sich dadurch, dass die Laserlichtquelle, der Wellenlängenkonverter, der Zwischenreflektor und die Laserlichtfalle, sowie ggf. weitere Bauteile wie Absorber, Detektor, Primäroptik, usw. als vormontierte Baueinheit zu einem Lichtquellenmodul miteinander verbunden sind.
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Das Lichtquellenmodul weist insbesondere einen dem Zwischenreflektor gegenüberliegenden Abstrahlabschnitt auf, durch welchen im Betrieb die Nutzlichtverteilung abgestrahlt wird. Ein solches kompakt zusammengefasstes Lichtquellenmodul kann beispielsweise anstelle einer konventionellen Lichtquelle verwendet werden. Die Nutzlichtverteilung kann mit der nachfolgenden Abstrahloptikeinrichtung in die gewünschte Abstrahllichtverteilung umgeformt werden. Der Abstrahlabschnitt kann zur weiteren Ausgestaltung von einer transparenten Abdeckscheibe abgedeckt sein, so dass ein geschlossenes Lichtquellenmodul gebildet ist. Dadurch kann der Wellenlängenkonverter, die Lichtquelle und ggf. weitere Bauteile des Lichtquellenmoduls gegen den Eintrag von Schmutz und Feuchtigkeit geschützt werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden weiter anhand der beigefügten Figuren erläutert.
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Es zeigen:
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1 skizzierte Darstellung eines erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung im Normalbetrieb;
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2 die Beleuchtungseinrichtung gemäß 1 im Störfall;
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3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung;
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4 eine wiederum weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung.
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In der nachfolgenden Beschreibung sowie in den Figuren sind für identische oder einander entsprechende Merkmale jeweils dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Die 1 zeigt in skizzierter Darstellung eine Beleuchtungseinrichtung 10, beispielsweise für ein Kraftfahrzeug, mittels welcher eine beispielsweise um eine Hauptabstrahlrichtung 12 konzentrierte Abstrahllichtverteilung 14 erzeugt werden soll.
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Die Beleuchtungseinrichtung 10 umfasst eine Laserlichtquelle 16, beispielsweise eine Laserdiode, mittels welcher ein Primärlichtbündel 18 von Laserlicht ausstrahlbar ist. Zur Umwandlung des Laserlichts in eine für die Zwecke der Kfz-Beleuchtung nutzbare Nutzlichtverteilung 20 ist ein Wellenlängenkonverter 22 (z. B. Photolumineszenzelement) vorgesehen. Im dargestellten Beispiel ist der Wellenlängenkonverter als Transmissionskonverter ausgebildet. Dieser weist eine Einstrahlfläche 24 auf, auf welche das Primärlichtbündel 18 in einem Primärraumwinkelbereich um eine Primärstrahlrichtung 26 einstrahlbar ist. Zur besseren Bündelung des Primärlichtbündels 18 auf den Wellenlängenkonverter 22 kann eine Primäroptik 28 vorgesehen sein, die im dargestellten Beispiel als Kondensorlinse ausgebildet ist. Denkbar sind auch Lichtleiter oder andere Lichtführungsmittel als Primäroptiken. Durch das eingestrahlte Primärlichtbündel 18 wird der Wellenlängenkonverter 22 zur Abgabe der Nutzlichtverteilung 20 angeregt. Diese wird bei einem als Transmissionselement ausgebildeten Wellenlängenkonverter 22 vorzugsweise von einer der Einstrahlfläche 24 gegenüberliegenden Ausstrahlfläche 30 abgegeben.
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Die Nutzlichtverteilung 20 wird von einem sich schalenartig um den Wellenlängenkonverter 22 wölbenden Zwischenreflektor gesammelt und zu einer im dargestellten Beispiel als schalenartigen Abstrahlreflektor ausgebildeten Abstrahloptikeinrichtung 34 umgelenkt. Die Abstrahloptikeinrichtung 34 formt die Nutzlichtverteilung 20 in die Abstrahllichtverteilung 14 um.
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Im dargestellten Beispiel wird die von dem Wellenlängenkonverter 22 abgegebene Nutzlichtverteilung 20 von dem Zwischenreflektor 32 zunächst in eine rückwärtige Richtung, im Wesentlichen in entgegengesetzter Richtung zur Hauptabstrahlrichtung 12 umgelenkt und trifft auf die Abstrahloptikeinrichtung 34, welche die Nutzlichtverteilung 20 in eine Vorwärtsrichtung (je nach Ausgestaltung in die Hauptabstrahlrichtung 12) umlenkt.
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Der Wellenlängenkonverter 22 weitet bei der Umwandlung des Laserlichts des Primärlichtbündels 18 dieses prinzipbedingt stark auf, so dass die Nutzlichtverteilung 20 von dem Wellenlängenkonverter 22 als vergleichsweise stark divergierende oder teilweise diffuse Lichtverteilung abgegeben wird. Der Zwischenreflektor 32 wölbt sich derart um den Wellenlängenkonverter 22, dass ein Großteil oder vorzugsweise die gesamte von dem Wellenlängenkonverter 22 abgestrahlte Nutzlichtverteilung 20 erfasst wird.
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Der in 1 die Abstrahloptikeinrichtung 34 bildende Abstrahlreflektor 34 ist in entgegengesetzter Richtung zu dem Zwischenreflektor 32 gewölbt. Der Abstrahlreflektor 34 weist insbesondere eine Formgebung derart auf, dass ein Brennpunkt 36 der Abstrahloptikeinrichtung 34 definiert ist.
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Die Wölbung des Zwischenreflektors 32 ist vorzugsweise derart gewählt, dass zwei voneinander verschiedene Brennpunkte (erster Brennpunkt 38 und zweiter Brennpunkt 40) definiert sind. Die Brennpunkte 38 und 40 haben beispielsweise die optische Eigenschaft, dass ein von dem ersten Brennpunkt 38 ausgehendes divergierendes Lichtbündel auf den zweiten Brennpunkt 40 fokussiert wird. Eine in dem ersten Brennpunkt 38 angeordnete Punktlichtquelle würde insofern zu einer von dem zweiten Brennpunkt 40 ausgehenden ebenfalls radial verteilten Lichtverteilung führen (virtuelle Punktlichtquelle). Beispielsweise kann der Zwischenreflektor 32 hierzu als Hälfte eines Rotationsellipsoiden ausgebildet sein, dessen Brennpunkte 38 und 40 die genannten Eigenschaften aufweisen. Denkbar ist jedoch auch, dass der Zwischenreflektor 32 aus Abschnitten von Paraboloiden zusammengesetzt ist, wobei je einer der Brennpunkte 38 und 40 einem Abschnitt eines Paraboloids zugeordnet ist.
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Wie in 1 erkennbar, kann der Wellenlängenkonverter 22 derart angeordnet sein, dass sein die Nutzlichtverteilung 20 abgebender, optisch aktiver Bereich (hier: die Ausstrahlfläche 30) im Bereich des ersten Brennpunktes 38 liegt. Der Zwischenreflektor 32 und die Abstrahloptikeinrichtung 34 sind dann vorzugsweise derart in Bezug aufeinander angeordnet, dass der Brennpunkt 36 der Abstrahloptikeinrichtung 34 und der zweite Brennpunkt 40 des Zwischenreflektors 32 zusammenfallen oder nahe beieinander liegen. Die von dem Wellenlängenkonverter 22 abgegebene, divergierende Nutzlichtverteilung wird dann von dem Zwischenreflektor 32 derart auf den zweiten Brennpunkt 40 gebündelt, dass von diesem wiederum eine divergierende Nutzlichtverteilung 20 ausgeht, welche von der Abstrahloptikeinrichtung 34 kollimiert oder parallelisiert und um die Hauptabstrahlrichtung 12 konzentriert umgelenkt wird.
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Probleme können sich beim Auftreten eines Störfalls ergeben, insbesondere wenn der Wellenlängenkonverter 22 aus dem Strahlengang entfernt ist, beispielsweise beschädigt ist oder aus sonstigen Gründen nicht mehr wirksam ist. Dann würde die Laserstrahlung des Primärlichtbündels 18 von dem Zwischenreflektor 32 über die Abstrahloptikeinrichtung 34 im Wesentlichen in die Hauptabstrahlrichtung 12 umgelenkt. Dies kann zu einer Gefährdung durch austretendes Laserlicht führen.
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Um dies zu verhindern, weist der Zwischenreflektor 32 eine Laserstrahlfalle 42 auf, die im Folgenden anhand von 2 näher erläutert wird.
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Die 2 zeigt die Beleuchtungseinrichtung 10 gemäß 1 bei Vorliegen eines Störfalls, in welchem der Wellenlängenkonverter 22 aus dem Strahlengang entfernt ist. Im dargestellten Beispiel breitet sich daher das Primärlichtbündel 18 ohne Umwandlung durch den Wellenlängenkonverter 22 in Richtung der Primärstrahlrichtung 26 zu dem Zwischenreflektor 32 hin aus. Um die Umlenkung des gefährlichen Laserlichts zu der Abstrahloptikeinrichtung 34 zu unterbinden, ist die Laserstrahlfalle 42 vorgesehen. Diese umfasst im dargestellten Beispiel ein Durchstrahlloch 44 in der Reflexionsfläche des Zwischenreflektors 32. Das Durchstrahlloch 44 ist derart angeordnet, dass die in dem Primärraumwinkelbereich um die Primärstrahlrichtung 26 auf den Zwischenreflektor 32 zu verlaufenden Laserstrahlen durch das Durchstrahlloch 44 austreten. Das Durchstrahlloch 44 ist insbesondere derart bemessen, dass für sämtliche in dem Primärraumwinkelbereich verlaufenden Laserstrahlen die Umlenkung zu der Abstrahloptikeinrichtung 34 unterbunden wird. Da das Primärlichtbündel 18 prinzipbedingt und/oder durch die Wirkung der Primäroptik 28 vergleichsweise stark kollimiert ist, kann das Durchstrahlloch 44 eine kleine Abmessung aufweisen, so dass im ordnungsgemäßen Betrieb (vgl. 1) nur geringe Strahlungsverluste auftreten.
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Die von der Laserstrahlfalle 42 erfassten und durch das Durchstrahlloch 44 durchtretenden Strahlen können von einem Lichtabsorber 46 aufgenommen und absorbiert, beispielsweise in Wärme umgewandelt werden. Der Lichtabsorber 46 ist dazu vorzugsweise im Strahlengang unmittelbar hinter dem Durchstrahlloch 44 angeordnet und vorzugsweise mit dem Zwischenreflektor 32 verbunden. Im dargestellten Beispiel ist der Lichtabsorber 46 außerhalb des sich schalenartig wölbenden Zwischenreflektors 32 angeordnet, d.h. auf derjenigen Seite des Zwischenreflektors 32, die im Normalbetrieb dem Wellenlängenkonverter 22 gegenüberliegt. Denkbar ist jedoch auch, dass der Lichtabsorber 46 in den Zwischenreflektor 32 integriert ist, insbesondere an der Position des Durchstrahllochs 44 anstelle dieses Durchstrahllochs 44.
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Bei den Ausgestaltungen gemäß 1 und 2 sind Laserlichtquelle 16 und Wellenlängenkonverter 22 auf einer gemeinsamen Seite des Zwischenreflektors 32 angeordnet.
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Die 3 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Beleuchtungseinrichtung 50, bei welcher die Laserlichtquelle 16 und der Wellenlängenkonverter 22 auf gegenüberliegenden Seiten des Zwischenreflektors 32 angeordnet sind. Insofern erstreckt sich der Zwischenreflektor 32 zwischen Laserlichtquelle 16 und Wellenlängenkonverter 22.
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Im dargestellten Beispiel ist die Laserlichtquelle 16 außerhalb des sich um den Wellenlängenkonverter 22 wölbenden Zwischenreflektor 32 angeordnet, also auf dessen konvex gewölbter Seite. Das Primärlichtbündel 18 wird – ggf. nach Führung durch eine Primäroptik 28 – durch ein Einstrahlloch 52 in dem Zwischenreflektor 32 auf den Wellenlängenkonverter 22 eingestrahlt. Das Primärlichtbündel 18 trifft dann wiederum in einem Primärraumwinkelbereich um die Primärstrahlrichtung 26 auf den Wellenlängenkonverter 22.
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Im dargestellten Beispiel ist der Wellenlängenkonverter 22 an einem Träger 54 angeordnet, welcher eine reflektierende Oberfläche 56 aufweist. Dabei ist der Wellenlängenkonverter 22 beispielsweise plattenartig ausgebildet und bedeckt die reflektierende Oberfläche 56 vorzugsweise vollständig. Durch das eingestrahlte Primärlichtbündel 18 wird der Wellenlängenkonverter 22 zur Abgabe der Nutzlichtverteilung angeregt, wie vorstehend beschrieben. Dabei kann ein Teil der Nutzlichtverteilung von einer dem Zwischenreflektor 32 zugewandten Oberfläche des Wellenlängenkonverters 22 abgegeben werden. Ein anderer Teil kann beispielsweise von dem Wellenlängenkonverter 22 in Richtung des Trägers 54 abgegeben werden und von der reflektierenden Oberfläche 56 in Richtung zu dem Zwischenreflektor 32 (ggf. durch den Wellenlängenkonverter 22 hindurch) zurückgeworfen werden. Ist in einem Störfall der Wellenlängenkonverter 22 unwirksam oder aus dem Strahlengang entfernt, so besteht die Gefahr, dass das Primärlichtbündel 18 von der reflektierenden Oberfläche 56 des Trägers 44 zu dem Zwischenreflektor 32 und von diesem zu der Abstrahloptikeinrichtung 34 reflektiert wird. Um dies zu verhindern, ist wiederum eine Laserstrahlfalle 42 vorgesehen, welche beispielsweise in der zu den 1 und 2 erläuterten Art mit einem Durchstrahlloch 44 und ggf. einem Lichtabsorber 46 ausgebildet sein kann. Die reflektierende Oberfläche 56 und die Laserlichtfalle 42 (insbesondere das Durchstrahlloch 44) sind derart ausgestaltet und in Bezug aufeinander ausgerichtet, dass bei Abwesenheit des Wellenlängenkonverters 22 (Störfall) das auf die reflektierende Oberfläche 54 auftreffende Primärlichtbündel 18 in den Wirkungsbereich der Laserstrahlfalle 42 reflektiert wird, insbesondere durch das Durchstrahlloch 44 hindurch reflektiert wird. Denkbar ist auch, dass die reflektierende Oberfläche 56 derart ausgebildet ist, dass auf sie auftreffendes Licht stark gestreut wird und so eine Gefährdung durch kollimierte Laserstrahlung reduziert wird.
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Die Verbindung des Wellenlängenkonverters 22 mit dem Träger 54 hat außerdem den Vorteil, dass für den Wellenlängenkonverter 22 eine effektive Kühlung bereitgestellt werden kann.
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Die 4 zeigt eine Beleuchtungseinrichtung 60, bei welcher Laserlichtquelle 16 und Wellenlängenkonverter 22 auf einer gemeinsamen Seite des sich um den Wellenlängenkonverter 22 wölbenden Zwischenreflektor 32 angeordnet sind. Hierbei ist die Laserlichtquelle 16 derart angeordnet, dass das Primärlichtbündel 18 – ggf. nach Wirkung einer Primäroptik 28 – gezielt auf den Zwischenreflektor 32, insbesondere auf einen an dem Zwischenreflektor 32 vorgesehenen Umlenkspiegel 62 für Laserlicht trifft. Der Umlenkspiegel 62 reflektiert das Primärlichtbündel 18 derart, dass es wiederum in einem Primärraumwinkelbereich um die Primärstrahlrichtung 26 auf den Wellenlängenkonverter 22 trifft. Im dargestellten Beispiel ist wiederum eine Ausgestaltung des Wellenlängenkonverters 22 an einem Träger 54 mit reflektierender Oberfläche ähnlich 3 gezeigt. Die dargestellte Ausgestaltung ermöglicht es, die Laserlichtquelle 16 und ggf. die Primäroptik 28 in den Zwischenraum zwischen Abstrahloptikeinrichtung 34 und Zwischenreflektor 32 anzuordnen, ohne dass eine störende Abschattung der Nutzlichtverteilung hervorgerufen wird. Insbesondere kann der Zwischenreflektor 32 derart geformt sein, dass die von dem Wellenlängenkonverter 22 abgegebene Zwischenlichtverteilung an der Laserlichtquelle 16 und ggf. der Primäroptik 28 vorbei zu der Abstrahloptikeinrichtung 34 gelenkt wird. Im Vergleich zu der Ausgestaltung gemäß 1 oder 3 kann dadurch eine kompaktere Gesamtanordnung erzielt werden, da die wesentlichen Bauteile der Beleuchtungseinrichtung 60 im Zwischenraum zwischen Abstrahloptikeinrichtung 34 und Zwischenreflektor 32 angeordnet sind.
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Um im Störfall, insbesondere bei aus dem Strahlengang entfernten Wellenlängenkonverter 22, ein Austreten von gefährlicher Laserstrahlung aus der Beleuchtungseinrichtung 60 zu verhindern, ist an dem Zwischenreflektor 32 wiederum eine Laserstrahlfalle 42 vorgesehen. Diese kann beispielsweise wie im Zusammenhang mit 3 erläutert, ausgestaltet sein. Insbesondere ist die reflektierende Oberfläche 56 des Trägers 54 derart ausgestaltet und ausgerichtet, dass bei Abwesenheit des Wellenlängenkonverters 22 das um die Primärstrahlrichtung 26 auf die reflektierende Oberfläche 56 auftreffende Primärlichtbündel 18 zu der Laserstrahlfalle 42 reflektiert wird.
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Bei sämtlichen Ausgestaltungen kann die Funktionsfähigkeit des Wellenlängenkonverters 22 auf komfortable Weise mittels eines Laserdetektors 64 überwacht werden. Dieser ist dazu ausgebildet, von der Laserlichtfalle 42 erfasstes Laserlicht zu detektieren. Der Laserdetektor 64 kann beispielsweise gemeinsam mit dem Lichtabsorber 46 im Strahlengang nach einem Durchstrahlloch 44 des Zwischenreflektors 32 angeordnet sein. Die Erkennung von Laserlicht in der Laserstrahlfalle 42 ermöglicht beispielsweise eine Notabschaltung der Laserlichtquelle 16 und so eine weitere Erhöhung der Betriebssicherheit.
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Grundsätzlich ist es vorteilhaft, wenn die Laserlichtquelle 16, der Wellenlängenkonverter 22 und der Zwischenreflektor 32, sowie die weiteren, ggf. optional vorgesehenen Bauteile wie Primäroptik 28, Träger 54, Lichtabsorber 46, usw. zu einem mechanisch zusammenhängenden, im Sinne einer Baueinheit vormontierten Lichtquellenmodul zusammengefasst sind. Beispielhaft sind in der 3 die genannten Bauteile mit einem gemeinsamen Bezugszeichen 68 für das Lichtquellenmodul versehen. Ein solches Lichtquellenmodul kann in der Art einer konventionellen Lichtquelle in einer Beleuchtungseinrichtung ausgetauscht werden, ohne dass hierdurch die Abstrahloptikeinrichtung 34 oder weitere Bauteile der Beleuchtungseinrichtung beeinträchtigt werden. Vorzugsweise ist das Lichtquellenmodul nach außen hin abgeschlossen und weist einen mit einer Abdeckscheibe verschlossenen Abstrahlabschnitt auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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