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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Laserlichtmodul nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren nach dem Oberbegriff des unabhängigen Verfahrensanspruchs auf.
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Ein solches Laserlichtmodul ist aus der
DE 10 2012 220 481 bekannt und weist einen Laser, einen Konverter, einen Detektor und ein Steuergerät auf. Der Konverter ist im Strahlengang einer von dem Laser ausgehenden Laserstrahlung angeordnet ist und streut von dem Laser her einfallende Laserstrahlung zu einem (ersten) Teil und konvertiert von dem Laser her einfallende Laserstrahlung zu einem (zweiten) Teil in Sekundärstrahlung mit einer im Vergleich zur Laserstrahlung größeren Wellenlänge. Der Detektor ist in einem Strahlengang von Strahlung angeordnet, die von dem Konverter ausgeht und erzeugt einen Messwert als Istwert der von der Intensität der vom Konverter ausgehenden und auf den Detektor einfallenden Strahlung abhängig ist. Das Steuergerät vergleicht den Istwert mit einem Sollwert und steuert den Laser in Abhängigkeit von dem Vergleich des Istwerts mit dem Sollwert. Unter einem Strahlengang wird dabei ein Raumbereich verstanden, in dem Strahlung von einem ersten Ort zu einem zweiten Ort propagiert.
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Ein gattungsgemäßes Verfahren zum Steuern eines Laserlichtmoduls eines Kraftfahrzeugscheinwerfers, der einen Laser, einen im Strahlengang einer von dem Laser ausgehenden Laserstrahlung angeordneten Konverter, einen Detektor, der einen von einer Intensität einer vom Konverter ausgehenden und auf den Detektor einfallenden Strahlung abhängigen Messwert als Istwert erzeugt, und ein Steuergerät aufweist, das den Istwert mit einem Sollwert vergleicht und den Laser in Abhängigkeit von dem Vergleich des Istwerts mit dem Messwert steuert, ist ebenfalls aus der
DE 10 2012 220 481 bekannt.
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Die mit Lasern angeregte Lichterzeugung mit fluoreszierenden Leuchtmitteln ermöglicht die Realisierung von kompakten weißen Lichtquellen mit hoher Leuchtdichte. Diese Technik ist unter der Abkürzung LARP (Laser Activated Remote Phosphor) bekannt. Dabei wird das Leuchtmittel durch die einfallende Laserstrahlung zur Fluoreszenz angeregt. Das im Leuchtmittel erzeugte Fluoreszenzlicht besitzt größere Wellenlängen als das einfallende Laserlicht, und es besitzt auch eine größere spektrale Breite. Durch Mischen von Licht- und ggf. auch von Strahlungsanteilen, die verschiedene Wellenlängen aufweisen, emittiert das Leuchtmittel weißes Mischlicht. Dabei soll der Begriff der Strahlung hier auch Anteile mit Wellenlängen bezeichnen, die kleiner sind als die Wellenlängen des sichtbaren Lichtes. Eine ultraviolette Strahlung ist ein Beispiel einer solchen Strahlung.
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Mit dieser Technik können Scheinwerfer mit extrem hoher Beleuchtungsstärke gebaut werden, die erste Anwendungen im Automobilbereich finden. Weitere Vorteile der Technik sind, dass die hohe Leuchtdichte eine Reduzierung der geometrischen Abmessungen erlaubt.
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Die Erzeugung von Lichtströmen mit Lasern ist im Vergleich zu einer Erzeugung vergleichbarer Lichtströme mit Leuchtdioden noch sehr teuer. Aus diesem Grund ist es wichtig, eine möglichst hohe Konversionseffizienz für die Umwandlung der Laserstrahlung in weißes Licht zu erzielen, so dass möglichst wenige teure Laser zum Erzeugen einer regelkonformen Scheinwerferlichtverteilung benötigt werden.
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Ferner soll der Farbton des weißen Lichtes innerhalb der Lichtverteilung möglichst konstant sein.
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Ein Nachteil der Laserscheinwerfer besteht darin, dass bei einem beschädigtem Scheinwerfer Laserstrahlung auch ungeschwächt aus dem Laserscheinwerfer austreten kann. Dieses Risiko besteht insbesondere dann, wenn das fluoreszierende Leuchtmittel beschädigt wird. Als Ursache solcher Beschädigungen kommen insbesondere Risse aufgrund von Alterungsprozessen, Erschütterungen oder Temperaturschwankungen in Frage. Eine Abschaltung des Lasers im Defektfall verhindert zwar eine unerwünschte Erhöhung der aus dem Lichtmodul austretenden Laserstrahlungsintensität, beeinträchtigt aber auch sehr stark die Funktion des Scheinwerfers, Licht zu erzeugen.
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Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe eines Laserlichtmoduls der eingangs genannten Art, das eine hohe Effizienz und Farbkonstanz besitzt und bei dem das Risiko, dass durch einen Defekt Laserlicht austritt, sehr gering ist und bei dem im Defektfall eine Erhöhung austretender Laserstrahlungsintensität vermieden werden kann, ohne die lichterzeugende Funktion des Laserlichtmoduls mehr als unbedingt nötig zu beeinträchtigen. Der wichtigste Vorteil ist die Möglichkeit einer sicheren und einfachen Detektion eines Defekts.
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Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtungsaspekte der Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst und unterscheidet sich vom eingangs genannten Stand der Technik durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
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Der erfindungsgemäße Scheinwerfer zeichnet sich demnach dadurch aus, dass das Laserlichtmodul eine Lichtumlenkeinheit aufweist, mit der voneinander verschiedene Teilbereiche des Konverters zeitlich getrennt voneinander mit Laserstrahlung beleuchtbar sind und wobei der Detektor für verschiedene Teilbereiche teilbereichsindividuelle Istwerte erfasst und wobei das Steuergerät dazu eingerichtet, insbesondere dazu programmiert ist, den Sollwert für einen jeweils ersten Teilbereich in Abhängigkeit von einem Istwert zu bestimmen, der für einen jeweils anderen Teilbereich bestimmt worden ist.
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Mit Blick auf ihre Verfahrensaspekte zeichnet sich die vorliegende Erfindung dadurch aus, dass voneinander verschiedene Teilbereiche des Konverters zeitlich getrennt voneinander mit Laserstrahlung beleuchtet werden, für verschiedene Teilbereiche teilbereichsindividuelle Istwerte erfasst werden, ein Sollwert für einen jeweils ersten Teilbereich in Abhängigkeit von einem Istwert bestimmt wird, der für einen jeweils anderen Teilbereich bestimmt worden ist, der für den ersten Teilbereich gebildete Sollwert mit dem für diesen ersten Teilbereich erfassten Istwert verglichen wird, und dass dann wenn die Abweichung des Istwertes von dem Sollwert einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, die auf den zugehörigen Teilbereich des Konverters gerichtete Strahlung reduziert wird.
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Dadurch, dass die Strahlung reduziert wird, die auf den Teilbereich gerichtet ist, in dem eine den Schwellenwert übersteigende Abweichung festgestellt wurde, kann eine unerwünschte Zunahme der austretenden Laserstrahlungsintensität vermieden werden. Dadurch, dass dies teilbereichsindividuell erfolgt, kann die Intensität der auf die übrigen Teilbereiche gerichteten Laserstrahlung erhalten bleiben, so dass auch die lichterzeugende Funktion dieser Teilbereiche erhalten bleibt, bzw. der Scheinwerfer zumindest noch bis zur nächsten Reparaturmöglichkeit betrieben wird.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Laser eine Laserdiode ist, deren Strahlungsleistung vom Steuergerät gesteuert wird und welche Laserdiode die Laserstrahlung mit Wellenlängen aus dem ultravioletten oder blauen Teil des Spektrums elektromagnetischer Wellen emittiert.
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Bevorzugt ist auch, dass das Laserlichtmodul eine erste Strahlformungsoptik aufweist, welche eine Sammellinse und/oder einen bündelnden Hohlspiegelreflektor und/oder eine bündelnde katadioptrische Optik aufweist und im Strahlengang zwischen dem Laser und der Lichtumlenkeinheit angeordnet ist.
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Ferner ist bevorzugt, dass der Konverter aus einem Material besteht, das von der einfallenden Laserstrahlung zur Fluoreszenz angeregt wird.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Lichtumlenkeinheit einen mit einem Aktor gekoppelten und schnell beweglichen Mikrospiegel aufweist.
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Bevorzugt ist auch, dass der Aktor ein elektrostatisch arbeitender MEMS-Aktor ist (MEMS = micro electromechanical system) und zusammen mit dem Mikrospiegel die Lichtumlenkeinheit bildet.
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Ferner ist bevorzugt, dass der Konverter in einer konverterseitigen Brennfläche einer Projektionsoptik angeordnet ist.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich durch einen Strahlteiler aus, der im Strahlengang der vom Laser ausgehenden Laserstrahlung zwischen dem Laser und der Lichtumlenkeinheit angeordnet ist.
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Bevorzugt ist auch, dass der Strahlteiler aus einem dichroitischen Spiegel besteht, der für vom Konverter aus der Laserstrahlung erzeugtes Fluoreszenzlicht eine hohe Reflexion besitzt und der so angeordnet ist, dass er auf sich einfallendes Fluoreszenzlicht auf den Detektor richtet.
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Ferner ist bevorzugt, dass der Strahlteiler ein metallisch beschichtetes Glasplättchen ist, bei dem die Dicke der Schicht so klein ist, dass sich eine hohe Transmission für einen als Transmissionskanal dienenden Strahlengang, der vom Laser über den Strahlteiler und die Lichtumlenkeinheit zum Konverter führt, und eine viel kleinere Reflexion für einen als Detektionskanal dienenden anderen Strahlengang ergibt, der vom Konverter über die Lichtumlenkeinheit und den Strahlteiler zum Detektor führt.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Transmission größer als 95 %, insbesondere gleich 98 % ist, während die Reflexion bevorzugt kleiner als 5 %, insbesondere gleich 2 % ist.
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Bevorzugt ist auch, dass der Strahlteiler ein polarisierender Strahlteiler ist und dass der Laser Licht emittiert, das in einer Richtung polarisiert ist, die mit der Polarisationsrichtung des polarisierenden Strahlteilers übereinstimmt.
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Ferner ist bevorzugt, dass der Strahlteiler ein unter dem bekannten Brewsterwinkel im Strahlengang angeordnetes Glasplättchen ist.
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Mit Blick auf Verfahrensaspekte zeichnet sich eine Ausgestaltung dadurch aus, dass die Strahlung immer dann reduziert wird, wenn der Laserstrahl auf den zugehörigen Teilbereich gerichtet wird. Es kann auch vorgesehen sein, den Laserstrahl insgesamt zu stoppen, insbesondere, wenn die Schädigung mehrere Teilbereiche erfasst.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Unteransprüchen. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Dabei zeigen, jeweils in schematischer Form:
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1 einen Kraftfahrzeugscheinwerfer mit einem bekannten Laserlichtmodul;
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2 das Laserlichtmodul aus der 1 mit einem beschädigten Konverter;
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3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Laserlichtmoduls;
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4 das Laserlichtmodul aus der 3 mit einem beschädigten Konverter;
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5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Laserlichtmoduls; und
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6 Ein Flussdiagramm als Ausführungsbeispiel von Verfahrensaspekten der Erfindung.
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Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren jeweils gleiche oder zumindest ihrer Funktion nach vergleichbare Elemente.
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Im Einzelnen zeigt die 1 einen Kraftfahrzeugscheinwerfer 10 mit einem Gehäuse 12, dessen Lichtaustrittsöffnung von einer transparenten Abdeckscheibe 14 abgedeckt wird. Innerhalb des Gehäuses 12 ist ein Laserlichtmodul 16 angeordnet. Das Laserlichtmodul 16 weist einen Laser 18, eine Lichtumlenkeinheit 20, einen Konverter 22, eine Projektionsoptik 24 und ein Steuergerät 26 auf. Optional weist das Laserlichtmodul 16 noch eine erste Strahlformungsoptik 28 auf.
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Der Laser 18 ist zum Beispiel eine Laserdiode, deren Strahlungsleistung vom Steuergerät 26 gesteuert wird und welche Laserdiode Laserstrahlung 30 mit Wellenlängen aus dem ultravioletten (370 bis 420 nm Wellenlänge) oder blauen Teil (440 bis 460 nm Wellenlänge) des Spektrums elektromagnetischer Wellen emittiert.
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Die Laserstrahlung 30 ist auf einen Mikrospiegel 32 der Umlenkeinheit 20 gerichtet. Die Strahlformungsoptik 28 weist eine Sammellinse und/oder einen bündelnden Hohlspiegelreflektor und/oder eine bündelnde katadioptrische Optik auf und ist im Strahlengang zwischen dem Laser 18 und der Lichtumlenkeinheit 20 angeordnet und fokussiert die Laserstrahlung 30 auf den Konverter 22.
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Die Lichtumlenkeinheit 20 lenkt die Laserstrahlung 30 nacheinander auf verschiedene Teilbereiche 22a, 22b des Konverters 22. Die Strahlen 30a und 30b repräsentieren von der Lichtumlenkeinheit 20 zu verschiedenen Zeitpunkten ausgehende Strahlen, mit denen verschiedene Teilbereiche 22a, 22b des Konverters 22 beleuchtet werden. Der Strahl 30a ergibt sich bei einer ersten Spiegelstellung, und der Strahl 30b entspricht einer zweiten Spiegelstellung des Mikrospiegels 32, wobei der Laserstrahk insgesamt einen Bereich von horizontal ca. 2 bis 3 cm und vertikal ca. 1 cm abscannt. Diese Angaben sind nur als grobe Richtwerte zu verstehen. Die Größe der Teilbereiche ist duch die Spotgröße ds Lasers auf dem Konverteer gegeben und beträgt typischerweise 0,1 bis 1 mm.
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Der Konverter 22 besteht aus einem Material, das von der einfallenden Laserstrahlung 30, 30a, 30b zur Fluoreszenz angeregt wird. Solche Konverter bestehen zum Beispiel aus mit Cerium dotiertem YAG-Phosphor und sind aus dem Stand der Technik bekannt. Ein Teil der auf den Konverter 22 einfallenden primären Laserstrahlung, sei es ultraviolette Strahlung oder blaues Licht, wird dabei in sekundäre Strahlung in Form von Fluoreszenzlicht aus dem gelb/roten Teil des Spektrums elektromagnetischer Wellen konvertiert.
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Ein weiterer Teil der gebündelt einfallenden primären Laserstrahlung wird im Konverter 22 ohne Wellenlängenkonversion gestreut.
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Bei einem passenden Intensitätsverhältnis von gestreuter Primärstrahlung und wellenlängenkonvertierter Sekundärstrahlung ergibt sich durch additive Mischung weißes Mischlicht 34, das auch von seinem Farbton her als Scheinwerferlicht nutzbar ist. Von dem Konverter 22 ausgehendes weißes Mischlicht 34 wird von der Projektionsoptik 24, die eine Linse und/oder einen Reflektor und/oder eine katadioptrische Optik aufweisen kann, durch die transparente Abdeckscheibe 14 hindurch in das Vorfeld des Scheinwerfers gerichtet, in dem sich bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung die Straße befindet.
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Der Spiegel oder Mikrospiegel
32 der Lichtumlenkeinheit
20 ist mit einem Aktor
36, zum Beispiel einem elektrostatisch arbeitenden MEMS-Aktor gekoppelt und schnell beweglich. Der Aktor
36 bildet zusammen mit dem Mikrospiegel
32 ein bevorzugtes Beispiel einer Lichtumlenkeinheit
20. Eine solche Aktor-Spiegel-Kombination ist zum Beispiel aus der Veröffentlichung
"Micro Machines 2012, 3(2), 509–528: http://www.mdpi.com/2072-666x/3/2/509)" bekannt. Nach dieser Veröffentlichung lässt sich der Mikrospiegel mit einer Frequenz im KHz-Bereich verstellen, wobei unter einer Verstellung hier eine Änderung des Winkels zwischen der Spiegelfläche und der Richtung des einfallenden Strahls gemeint ist. Der Aktor
36 und damit die Winkelstellung des Mikrospiegels
32 im Laserstrahlengang wird bevorzugt durch das Steuergerät
26 gesteuert. Durch gesteuertes Bewegen des Mikrospiegels
32 lässt sich der Laserstrahl
30a,
30b in schneller Folge auf verschiedene Teilbereiche des Konverters
22 richten, so dass auch jeweils verschiedene Teilbereiche des Konverters
22 zur Emission von weißem Mischlicht
34 angeregt werden. Beispiele solcher Teilbereiche sind die Teilbereiche
22a,
22b. Der Konverter
22 ist bevorzugt in der konverterseitigen Brennfläche der Projektionsoptik
24 angeordnet und wird daher von der Projektionsoptik
24 in das Vorfeld des Scheinwerfers
10 abgebildet.
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Je nach Stellung des Mikrospiegels 32 wird damit ein anderer Punkt oder kleiner Bereich im Scheinwerfervorfeld ausgeleuchtet. Eine bestimmte Lichtverteilung wird dadurch erzeugt, dass der Mikrospiegel 32 in einer Sequenz über den Konverter 22 bewegt wird, bei der sich die Form der gewünschten Lichtverteilung als Summe aller sequentiell ausgeleuchteten kleinen Bereiche ergibt. Dabei wird die Sequenz fortwährend mit einer so hohen Frequenz (> 100 Hz) wiederholt, dass der menschliche Sehsinn in den wiederholt angeleuchteten kleinen Bereichen nur eine mittlere Helligkeit wahrnimmt. Durch die gesteuert abtastende und damit scannende Bewegung des Laserstrahls 30 über die Konverterfläche lassen sich nahezu beliebige Lichtverteilungen erzeugen. Dies gilt insbesondere dann, wenn zusätzlich eine synchron zum Scannen erfolgende Modulation der Laserstrahlungsleistung durch das Steuergerät 26 erfolgt.
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2 zeigt Elemente des Laserlichtmoduls 16 aus der 1, wobei der Konverter 22 hier im Gegensatz zu der 1 eine Beschädigung aufweist. Diese Beschädigung liegt in der 2 in einem mittleren Teilbereich 22.1 des Konverters 22. Als Folge der Beschädigung, bei der es sich zum Beispiel um einen Riss oder um eine Ablösung eines Teils des Materials des Konverters 22 von einem transparenten Träger handeln kann, tritt eine lokal erhöhte Transmission des Konverters 22 auf. Als Folge tritt immer dann, wenn die Lichtumlenkeinheit 20 den Laserstrahl 30 auf die beschädigte Stelle 22.1 des Konverters 22 richtet, energiereiche Laserstrahlung 30 durch den Konverter 22 hindurch und wird durch die Projektionsoptik 24 in das Scheinwerfervorfeld gerichtet, was unerwünscht ist.
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Die Beschädigung kann mit dem erfindungsgemäßen Laserscheinwerfer detektiert werden. Wenn eine solche Beschädigung detektiert wird, ermöglicht die Erfindung eine Verringerung oder sogar eine Vermeidung des unerwünschten Austritts von Laserstrahlung durch einen Eingriff auf die Steuerung der Laserleistung.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Laserlichtmoduls 31. Das erfindungsgemäße Laserlichtmodul 31 basiert auf dem bekannten Laserlichtmodul 16 der 1. Insofern ist die Beschreibung der 1 und der darin gezeigten Merkmale auch als Beschreibung der 3 und der darin gezeigten Merkmale zu verstehen, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes beschrieben wird.
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Das in der 3 gezeigte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Laserlichtmoduls 31 weist zusätzlich zu den bereits in der 1 gezeigten Merkmalen einen Strahlteiler 38 und einen Detektor 40 auf. Darüber hinaus ist das Steuergerät 26 dazu eingerichtet, vom Detektor 40 empfangene Signale auszuwerten.
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Dabei wird hier unter dem Steuergerät die Gesamtheit aller Signale ausgebenden und verarbeitenden Elektronikbaugruppen verstanden, die nicht Teile des Detektor oder des Aktors sind und die an der Steuerung der Strahlrichtung und der Auswertung der Detektorsignale beteiligt sind, unabhängig davon, ob diese Baugruppen zu einer baulichen Einheit und/oder in einem gemeinsamen Gehäuse zusammengefasst sind, oder ob diese Baugruppen verteilt im Scheinwerfer angeordnet sind. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Steuergerät 26 zur Auswertung von Signalen des Detektors 40 und zur Steuerung der Lichtumlenkeinheit 20 und des Lasers 18 eingerichtet.
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Der Strahlteiler 38 besteht in einer ersten bevorzugten Alternative aus einem dichroitischen Spiegel, der die blaue oder ultraviolette Laserstrahlung transmittiert und das im Konverter 26 generierte Fluoreszenzlicht reflektiert. Das im Konverter generierte Fluoreszenzlicht besitzt keine ausgeprägte Vorzugsrichtung und wird daher teilweise auch in Richtung des Mikrospiegels 32 emittiert. Der Mikrospiegel 32 reflektiert einfallendes Fluoreszenzlicht auf den Strahlteiler 38, der für Fluoreszenzlicht eine hohe Reflexion besitzt und der so angeordnet ist, dass er auf sich einfallendes Fluoreszenzlicht auf den Detektor 40 richtet.
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Ein Strahlengang, der vom Laser 18 über den Strahlteiler 38 und die Lichtumlenkeinheit 20 zum Konverter 22 führt, wird im Folgenden auch als Transmissionskanal bezeichnet. Ein anderer Strahlengang, der vom Konverter 22 über die Lichtumlenkeinheit 20 und den Strahlteiler 38 zum Detektor 40 führt, wird im Folgenden auch als Detektionskanal bezeichnet.
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In einer zweiten bevorzugten Alternative ist der Strahlteiler so beschichtet, dass viel Licht (bevorzugt mehr als 98 %) in den Transmissionskanal und nur wenig Licht, bevorzugt weniger als 2, in den Detektionskanal gelenkt wird. Die Transmission ist bevorzugt größer als 95 %, insbesondere gleich 98 %, während die Reflexion dann zwangsläufig kleiner als 5 % ist.
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In einer dritten bevorzugten Alternative ist der Strahlteiler ein sogenannter polarisierender Strahlteiler, und der Laser emittiert Strahlung, die bevorzugt in einer Richtung polarisiert ist, die mit der Polarisationsrichtung des polarisierenden Strahlteilers übereinstimmt. Dieses Licht wird dann vom Strahlteiler im Transmissionskanal mit nur kleinen Verlusten transmittiert. Das vom Konverter in den Reflexionskanal gestreute Licht ist teilweise depolarisiert, und so wird ein Teil dieses Lichtes vom Strahlteiler auf den Detektor gelenkt. Bei totaler Depolarisation beträgt dieser Teil 50 % des gesamten, von dem Konverter in den Reflexionskanal gestreuten Lichtes.
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Eine vierte bevorzugte Alternative des Strahlteilers ist ein unter dem bekannten Brewsterwinkel im Strahlengang angeordnetes Glasplättchen. Unter dem Brewsterwinkel wird polarisiertes Laserlicht, sei es vollständig polarisiertes Laserlicht oder auch nur teilweise polarisiertes Laserlicht, im Transmissionskanal mit hoher Transmission (mehr als 80 %) transmittiert, und vom Konverter in den Detektionskanal gestreutes und damit depolarisiertes Laserlicht wird zu über 10 % reflektiert und damit zum Teil auf den Detektor gelenkt. Optional weist das Laserlichtmodul noch die erste Strahlformungsoptik und ein wellenlängenselektives Filter 42 auf.
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Das wellenlängenselektive Farbfilter ist bevorzugt im Strahlengang zwischen dem Strahlteiler 38 und dem Detektor 40 angeordnet und dient zur Verbesserung der Detektionsempfindlichkeit. Das wellenlängenselektive Farbfilter 42 ist dazu eingerichtet, entweder bevorzugt das Laserlicht, insbesondere nur das Laserlicht, oder aber bevorzugt das Fluoreszenzlicht, insbesondere nur das Fluoreszenzlicht zu transmittieren.
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Im Folgenden wird die Funktion des erfindungsgemäßen Lichtmoduls 31 in Bezug auf die Detektion der Beschädigung des Konverters 22 beschrieben. Dazu wird zunächst ein unbeschädigter Konverter 22 vorausgesetzt.
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Der vom Laser generierte Laserstrahl passiert den Strahlteiler 38 und wird von der ersten Strahlformungsoptik 28 geformt und über die Lichtumlenkeinheit 20 auf den Konverter 22 geführt. Der Laserstrahl wird mittels des Scanners/der Lichtumlenkeinheit 20 über den Konverter bewegt, wobei zum Beispiel der zwischen den Strahlen 30a und 30b in der 1 liegende Winkel überstrichen wird.
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Ein geringer Teil der auf den Konverter einfallenden Laserstrahlung (Primärstrahlung) wird an dem Konvertermaterial reflektiert oder in Rückwärtsrichtung zum Mikrospiegel 32 gestreut. Analog wird ein gewisser Teil der Sekundärstrahlung, die prinzipiell in alle Raumrichtungen emittiert wird, ebenfalls in die Richtung zum Mikrospiegel hin emittiert werden. An dem Mikrospiegel 32 wird dann die dort vom gerade aktuell beleuchteten Teilbereich des Konverters 22 her einfallende Strahlung über die erste Strahlformungsoptik 28 auf den Strahlteiler 38 reflektiert, der einen Teil dieser Strahlung aus dem von der ersten Strahlformungsoptik 28 zum Laser 18 gerichteten Strahlengang heraus teilt und auf den Detektor 40 richtet, der für wenigstens einen Strahlungsbestandteil, sei es die Primärstrahlung (Laserstrahlung), sei es die Sekundärstrahlung (Fluoreszenzlicht), empfindlich ist.
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Die Leistung der vom Strahlteiler 38 her auf den Detektor 40 einfallenden Strahlung bildet sich im Detektorsignal ab. Das Detektorsignal wird im Steuergerät 26 ausgewertet.
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Während des Scanvorgangs bewegt sich der von der Lichtumlenkeinheit 20 (Scanner) ausgehende Laserstrahl über die Oberfläche des Konverters 22. Bei einem unbeschädigten, homogenen Konverter 22 sollte der vom Konverter 22 aus in den Detektionskanal eintretende Lichtanteil (Fluoreszenzlicht oder gestreutes Laserlicht) im Verhältnis zur Laserintensität nahezu konstant sein. Dabei wird unter einem homogenen Konverter 22 ein Konverter verstanden, der über seine Fläche hinweg gleichmäßig reflektiert. Dies setzt insbesondere eine über die gescannte Fläche konstante Dicke und konstante Materialzusammensetzung voraus. Der vom Konverter 22 zum Scanner zurückgestrahlte Strahlungsteil sollte näherungsweise proportional zur momentanen Strahlungsleistung des Lasers sein.
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Dieser Zustand wird dadurch detektiert, dass das vom Konverter 22 rückwärts gestreute Licht (Fluoreszenzlicht oder gestreutes Laserlicht) über den Strahlteiler 38 auf den Detektor 40 gerichtet wird. Bei unbeschädigtem Konverter 22 bildet sich im Ausgangssignal des Detektors 40 dann nur die Modulation der Laserstrahlungsleistung ab, die vom Steuergerät 26 vorgegeben wird. Bei einem unbeschädigten, homogenen Konverter 22 und ortsunabhängig konstanter Strahlungsleistung (d.h. vom gerade bestrahlten Teilbereich des Konverters 22 unabhängiger Bestrahlung) sollte der rückwärtsgehende Lichtanteil (Fluoreszenzlicht oder gestreutes Laserlicht) dann nahezu konstant sein. Es kann allerdings auch besondere Ausführungen von Konvertern geben, die zum Beispiel eine gezielte Variation aufweisen, zum Beispiel die nahe des Bereichs, der als Hell-Dunkel-Grenze abgebildet wird, immer effizienter werden.
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4 zeigt den Gegenstand der 3 mit einem lokal beschädigten Konverter. Die Beschädigung liegt, wie beim Gegenstand der 2, in dem mittleren Bereich 22.1 des Konverters 22.
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Eine solche lokale Beschädigung ist zum Beispiel mit einem Riss oder einer Absplitterung von Material verbunden. Als Folge vergrößert sich dort die Transmission des Konverters für die Laserstrahlung, so dass an genau diesem beschädigten Teilbereich mehr nicht konvertierte, energiereiche Laserstrahlung aus dem Scheinwerfer austritt, als dies ohne die Beschädigung der Fall wäre.
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Als Folge der lokal erhöhten Transmission des Konverters 22 für die dort auftreffende Laserstrahlung sinkt der zurückreflektierte Lichtanteil an genau dieser Stelle ab.
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Das Steuergerät 26 erkennt dieses Absinken durch die Auswertung des Detektorsignals. Gleichzeitig kann das Steuergerät 26 das Absinken einem Ort/Teilbereich auf dem Konverter zuordnen, weil das Steuergerät 26 auch die Lichtumlenkeinheit 20 steuert und damit bestimmt, auf welchen Teilbereich des Konverters der Laserstrahl 30 aktuell gerichtet ist.
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Auf diese Weise erlaubt die Erfindung durch ortsaufgelöste Analyse der Änderungen der vom Konverter 22 zum Detektor 40 geführten Strahlungsanteile eine für Teilbereiche der Konverterschicht ortsaufgelöste Detektion von Defekten in der Konverterschicht.
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Die Signalstärke des rückreflektierten Lichts wird bevorzugt auf die aktuelle Lichtleistung des Lasers normiert. Dies erfolgt bevorzugt durch Dividieren des Detektorsignals durch die Strahlungsleistung des Lasers. Änderungen des rückreflektierten Lichtanteils lassen sich sehr empfindlich detektieren, da sie unempfindlich gegen Temperaturschwankungen und Alterungsprozesse von Konverter und Laser sind. Diese Ausgestaltung ist besonders dann von Vorteil, wenn die Lichtleistung des Lasers in Abhängigkeit von der zu erzeugenden Lichtverteilung moduliert wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Steuergerät dazu eingerichtet, die Laserleistung auf einen ungefährlichen Wert zu reduzieren, wenn ein Fehler detektiert wird.
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Dabei ist besonders bevorzugt, dass das Steuergerät dazu eingerichtet ist, die Strahlungsleistung nur an dem kritischen, beschädigten Teilbereich des Konverters zu reduzieren. Dadurch kann erreicht werden, dass der Scheinwerfer auch bei einer Beschädigung des Konverters bis zum nächsten Werkstattbesuch wenigstens teilweise weiter benutzt werden kann und nicht völlig ausfällt. Dieser reduzierte Betriebszustand ist nur mit einer ortsaufgelösten Fehlerkorrektur möglich, wie sie die Erfindung ermöglicht.
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5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel von Vorrichtungsaspekten der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Konverter 22 mit einer reflektierenden Beschichtung 23 versehen. Die reflektierende Beschichtung 23 ist auf einer Seite des Konverters 22 angeordnet, die der von dem Laser 18 her einfallenden Laserstrahlung als auch der Projektionsoptik abgewandt ist. Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen der 3 und 4, bei denen der Betrieb des Konverters 22 aufgrund seiner Anordnung im Strahlengang und seiner Ausgestaltung ohne Reflexionsschicht als Transmissionsbetrieb bezeichnet werden kann, ist der Konverter 22 bei der 5 so im Strahlengang angeordnet und mit seiner Reflexionsschicht 23 so ausgestaltet, dass sein Betrieb als Reflexionsbetrieb bezeichnet werden kann. Rein funktional betrachtet wird der Transmissionskanal der Gegenstände nach den 3 und 4 beim Gegenstand der 5 durch einen Reflexionskanal ersetzt. Das Ausführungsbeispiel gemäß der 5 zeichnet sich durch eine im Vergleich zu den Ausführungsbeispielen der 3 und 4 erhöhte Konversionseffizienz, also einen höheren Bruchteil der Primärstrahlung, die in Sekundärstrahlung größerer Wellenlänge konvertiert wird, aus.
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Im Fall einer Beschädigung eines Teilbereichs des Konverters 22 wird auch bei diesem Ausführungsbeispiel in dem beschädigten Teilbereich weniger Primärstrahlung in Sekundärstrahlung konvertiert als dies ohne Beschädigung der Fall wäre. Die Folge ist dann auch bei diesem Ausführungsbeispiel, dass von dem beschädigten Teilbereich mehr Primärstrahlung ausgeht als bei unbeschädigtem Teilbereich, was unerwünscht ist.
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Ein weiterer Unterschied des Gegenstandes der 5 zu den Gegenständen der 3 und 4 besteht in der Anordnung des Detektors 40. Beim Gegenstand der 3 und 4 konnte man einen Detektionskanal von einem Transmissionskanal unterscheiden. Beim Gegenstand der 5 erfüllt der Reflexionskanal die Funktion, die der Transmissionskanal beim Gegenstand der 3 und 4 erfüllt. Aufgrund ihrer Funktion, Licht zu transportieren, stellen sowohl der Reflexionskanal als auch der Transmissionskanal jeweils einen Transportkanal dar.
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Beim Gegenstand der 3 und 4 liegt die Lichtumlenkeinheit 20 in dem Transportkanal und in dem Detektionskanal. Der Detektionskanal führt dort (3, 4) vom Konverter über die Lichtumlenkeinheit und die Strahlformungsoptik 28 sowie das optional vorhandene Filter 42 zum Detektor 40. Beim Gegenstand der 5 liegt die Umlenkeinheit im Transportkanal, aber sie liegt nicht in dem Detektionskanal. Der Detektionskanal erstreckt sich bei der 5 vom Konverter 22 zum Detektor 40, ohne über die Lichtumlenkeinheit 20 zu führen. Der Detektionskanal verläuft damit hier getrennt von der Lichtumlenkeinheit 20. In einer bevorzugten Ausgestaltung sammelt eine weitere strahlformende Optik 44, die bevorzugt als Linse verwirklicht ist, von der Konverteroberfläche ausgehendes Licht und richtet gesammeltes Licht auf den Detektor 40. Eine Abbildung der Konverteroberfläche ist dabei nicht notwendig, so dass eine einfache Optik, wie zum Beispiel eine einzelne Plastiklinse, ausreichend ist. Die ortsaufgelöste Detektion wird, wie in der Ausführung von 3, über die Lichtumlenkeinheit 20 erzielt.
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In einer Ausgestaltung wird die Detektoranordnung nach den 3 und 4 in Verbindung mit dem übrigen, also dem nicht die Detektoranordnung betreffenden Gegenstand der 5 verwendet. Umgekehrt wird in einer weiteren Ausgestaltung die Detektoranordnung nach der 5 in Verbindung mit dem übrigen, also dem nicht die Detektoranordnung betreffenden Gegenstand der 3 und 4 verwendet.
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Genau wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß den 3 und 4 ändert sich die Intensität der im Detektionskanal propagierenden Strahlung auch beim Gegenstand der 5 dann, wenn der die Konverterteilbereiche abtastende Laserstrahl auf einen beschädigten Teilbereich trifft. In der reflektierten Anordnung kann wieder das reflektierte Laserlicht und/oder das Fluoreszenzlicht zur Detektion verwendet werden.
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Die 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Steuergerät 26 ist dazu eingerichtet, insbesondere dazu programmiert, das Verfahren durch Abarbeiten des Programms auszuführen. Im Schritt 100 erfolgt die weiter oben beschriebene Steuerung der Lichtumlenkeinheit 20 und der Laserstrahlungsleistung mit dem Ziel, eine gewünschte Lichtverteilung zu erzeugen.
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Im Schritt 102 werden die Signale des Detektors 40 in Bezug auf die Oberfläche des Konverters ortsaufgelöst eingelesen. Unter einer ortsaufgelösten Einlesen wird dabei verstanden, dass Signale des Detektors für verschiedene Teilbereiche des Konverters teilbereichsindividuell eingelesen werden.
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Im Schritt 104 werden die ortsaufgelöst eingelesenen Signale ausgewertet, um Beschädigungen des Konverters zu detektieren. In einer Ausgestaltung des Schritts 104 wird dazu für einen ersten Teilbereich des Konverters ein Sollwert für die im Detektionskanal auf den Detektor einfallende Strahlung gebildet. Dieser Sollwert wird dabei bevorzugt in Abhängigkeit von Werten der Strahlung gebildet, die im Detektionskanal von wenigstens einem anderen Teilbereich des Konverters zum Detektor propagiert. Besonders bevorzugt wird der Sollwert als Mittelwert von Werten der Strahlung gebildet, die im Detektionskanal von zum ersten Teilbereich benachbarten Teilbereichen des Konverters her auf den Detektor einfällt. Dabei wird bevorzugt eine zur Erzeugung der gewünschten Lichtverteilung erfolgende Modulation berücksichtigt.
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In einem Schritt 106 wird der für den ersten Teilbereich gebildete Sollwert mit dem für diesen ersten Teilbereich erfassten Istwert der im Detektionskanal zum Detektor einfallenden Strahlung verglichen. Wenn die Abweichung des Istwertes von dem Sollwert einen vorbestimmten Schwellenwert, der zum Beispiel ein vorgegebener Bruchteil des Sollwertes ist, nicht überschreitet, gilt der erste Teilbereich als unbeschädigt. In diesem Fall verzweigt das Verfahren zurück in den Schritt 100 und prüft den nächsten Teilbereich. Bei unbeschädigtem Konverter wird die aus den Schritten 100 bis 106 gebildete Schleife wiederholt durchlaufen, während gleichzeitig die Oberfläche des Konverters abgerastert wird, wobei auch die einzelnen Teilbereiche vom ersten bis zum letzten Teilbereich (und dann wieder zum ersten) durchlaufen werden (in 5 nicht dargestellt). Eine im Schritt 100 mit dem Ziel der Erzeugung einer bestimmten Lichtverteilung erfolgende Modulation der Laserstrahlungsleistung wird dabei nicht verändert.
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Überschreitet die Abweichung des Istwertes von dem Sollwert dagegen den vorbestimmten Schwellenwert, verzweigt das Programm in den Schritt 108. In dem Schritt 108, der also dann erreicht wird, wenn ein Teilbereich des Konverters beschädigt ist, wird die auf den beschädigten Teilbereich im Transmissionskanal der 3, 4 oder Reflexionskanal der 5 gerichtete Strahlung reduziert. Dies erfolgt bevorzugt durch eine Reduzierung der Laserstrahlungsleistung immer dann, wenn der Laserstrahl auf den beschädigten Teilbereich gerichtet wird. In den unbeschädigten Teilbereichen wird die Laserstrahlungsleistung bevorzugt nicht reduziert. In einer Alternative oder Ergänzung zu einer Reduzierung der Laserstrahlungsleistung erfolgt im Rahmen einer Ausgestaltung eine Modifizierung der Steuerung der Lichtumlenkeinheit, die so erfolgt, dass der Laserstrahl nicht mehr auf den beschädigten Teilbereich gerichtet wird. Gegebenenfalls wird noch eine Fehlermeldung abgespeichert und/oder dem Fahrer angezeigt, so dass der Fehler bei einer Wartung einfach bemerkt werden kann und/oder der Fahrer auf die Einschränkung hingewiesen wird. Aus dem Schritt 108 kehrt das Programm in den Schritt 100 zurück. Bei der anschließenden Steuerung im Schritt 100 werden die im Schritt 108 erfolgten teilbereichsindividuellen Beschränkungen beibehalten und/oder berücksichtigt. Im Fehlerfall wird also die Schleife aus den Schritten 100 bis 108 wiederholt durchlaufen.
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Im Ergebnis wird die Laserstrahlungsquelle in Abhängigkeit von den Ergebnissen der Auswertungen der ortsaufgelöst eingelesenen Signale des Detektors 40 ortsaufgelöst (d.h. teilbereichsindividuell) gesteuert. Die ortsaufgelöste Steuerung erfolgt in einer bevorzugten Ausgestaltung so, dass die Strahlungsleistung des Lasers immer genau dann reduziert wird, wenn die Umlenkeinheit den Laserstrahl auf einen beschädigten Teilbereich des Konverters lenkt. Es kann auch vorgesehen werden, dass der Laser insgesamt für alle Positionen reduziert wird. Bei der Bildung des Sollwerts für den Vergleich werden in einer weiteren Ausgestaltung in einem Speicher für alle Stellpositionen der Lichtumlenkeneinheit gleiche Sollwerte vorgegeben. Jede Stellposition der Lichtumlenkeinheit legt die Position des Laserstrahls auf dem Konverter, also den jeweils bestrahlten Teilbereich, und damit indirekt auch Winkelpositionen innerhalb der Lichtverteilung fest, wie sie bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung als horizontale und vertikale Winkel auf einem Schirm vor dem Fahrzeug aufgetragen werden. In einer weiteren Ausgestaltung sind für spezifische Stellpositionen der Lichtumlenkeinheit, insbesondere für alle Stellpositionen, lokale obere und untere Sollwerte des Detektorsignals in einem Speicher des Steuergeräts abgelegt. Liegt der gemessene Istwert des Detektorsignals außerhalb eines erlaubten Abstandes von diesen Sollwerten, so wird dies als teilbereichsindividuelle Beschädigung des Konverters gewertet, und der Laserstrahl wird für den beschädigten Teilbereich abgeschaltet oder zumindest abgeschwächt. In einer bevorzugten Ausgestaltung werden die Sollwerte nach einem Lernzyklus automatisch eingestellt. Bevorzugt ist auch, individuelle Sollwerte in Bezug auf die Lichtfarbe des detektierten Lichtes zu verwenden.
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Um die Sollwerte / Schwellen der Anordnung / Teilbereiche zu bestimmen oder besser festzulegen, kann ein Lernzyklus vor dem ersten Betrieb des Scheinwerfers vorgesehen werden, bei dem der Laserstrahl den Scanbereich abtastet und die Sollwerte anhand der Istwerte des unbeschädigten Scheinwerfers bestimmt werden. Die Bestimmung der Sollwerte kann auch bei jedem Betriebsbeginn, bei dem ein unbeschädigter Scheinwerfer vorausgesetzt werden kann, erneut erfolgen. Die Laserenergie kann auch in einer zeitlichen Rampe bis zum Vollbetrieb hochgefahren werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012220481 [0002, 0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- "Micro Machines 2012, 3(2), 509–528: http://www.mdpi.com/2072-666x/3/2/509)" [0044]
