DE102016102934A1 - Light module for a vehicle headlight - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Lichtmodul (20) für einen Kraftfahrzeugscheinwerfer (10). Das Lichtmodul (20) umfasst eine Laserlichtquelle (22), einen Wellenlängenkonverter (28) mit zwei unterschiedlichen Konversionsmaterialien, wobei das von der Laserlichtquelle (22) ausgestrahlte Laserlichtbündel (24) auf die Konversionsmaterialen trifft, so dass diese konvertiertes Laserlicht unterschiedlicher Wellenlängen emittieren, das durch additive Überlagerung eine Mischlichtverteilung (30) ergibt, eine Abstrahloptikeinrichtung (34), welche die Mischlichtverteilung (30) in eine Abstrahllichtverteilung (32) des Lichtmoduls (20) umwandelt, und ein Filterelement (36), das einen Anteil von nicht konvertiertem Licht des Laserlichtbündels (24) aus der Abstrahllichtverteilung (32) filtert. Um die Effizienz des Lichtmoduls (20) zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass das Laserlichtbündel (24) auf eine Vorderseite (26) des Wellenlängenkonverters (28) trifft und dass eine Rückseite (38) des Wellenlängenkonverters (28) verspiegelt ist.The invention relates to a light module (20) for a motor vehicle headlight (10). The light module (20) comprises a laser light source (22), a wavelength converter (28) with two different conversion materials, wherein the laser light beam (24) emitted by the laser light source (22) strikes the conversion materials so that they emit converted laser light of different wavelengths by additive superposition results in a mixed light distribution (30), an abstraction device (34) which converts the mixed light distribution (30) into a light emission distribution (32) of the light module (20), and a filter element (36) which contains a proportion of unconverted light of the light source Laser light beam (24) from the emission light distribution (32) filters. In order to improve the efficiency of the light module (20), it is proposed that the laser light beam (24) strike a front side (26) of the wavelength converter (28) and that a rear face (38) of the wavelength converter (28) is mirrored.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lichtmodul für einen Kraftfahrzeugscheinwerfer. Das Lichtmodul umfasst:
- – wenigstens eine Laserlichtquelle zum Ausstrahlen eines Laserlichtbündels;
- – einen Wellenlängenkonverter mit zwei unterschiedlichen Konversionsmaterialien mit unterschiedlichen wellenlängenkonvertierenden Eigenschaften, der derart angeordnet ist, dass zumindest ein Teil des von der Laserlichtquelle ausgestrahlten Laserlichtbündels auf die Konversionsmaterialen trifft, so dass diese konvertiertes Laserlicht einer ersten Wellenlänge und konvertiertes Laserlicht einer weiteren von der ersten Wellenlänge unterschiedlichen zweiten Wellenlänge emittieren, wobei sich durch Überlagerung des Laserlichts der unterschiedlichen Wellenlängen eine Mischlichtverteilung ergibt,
- – eine Abstrahloptikeinrichtung, die derart ausgebildet und angeordnet ist, dass sie die Mischlichtverteilung in eine Abstrahllichtverteilung des Lichtmoduls umwandelt, und
- – wenigstens ein Filterelement, das derart ausgebildet und angeordnet ist, dass es einen Anteil von nicht konvertiertem Licht des Laserlichtbündels aus der Abstrahllichtverteilung filtert.
- - At least one laser light source for emitting a laser light beam;
- A wavelength converter comprising two different conversion materials having different wavelength-converting properties, arranged such that at least a portion of the laser light beam emitted from the laser light source strikes the conversion materials such that they are converted laser light of a first wavelength and converted laser light of another of the first wavelength emit second wavelength, resulting in a mixed light distribution by superposition of the laser light of the different wavelengths,
- An abstraction device, which is designed and arranged such that it converts the mixed light distribution into a light emission distribution of the light module, and
- - At least one filter element which is designed and arranged such that it filters a proportion of unconverted light of the laser light beam from the Abstrahllichtverteilung.
Im Bereich der Kfz-Beleuchtung, insbesondere bei Kfz-Scheinwerfern, ist die Verwendung von leistungsstarken Lichtquellen mit möglichst hoher Leuchtdichte erwünscht. Dadurch lassen sich mit kleinem Bauraum lichtstarke Beleuchtungseinrichtungen realisieren. Die abgestrahlte Lichtverteilung muss bestimmte, beispielsweise vom Kunden (einem Kraftfahrzeughersteller) und/oder gesetzlich vorgegebene Eigenschaften erfüllen. Diese Eigenschaften betreffen sowohl die Form (Kontur) der Lichtverteilung (Erstreckung in horizontaler und/oder vertikaler Richtung) als auch eine Lichtstärkeverteilung (Helligkeitsverteilung) innerhalb der Lichtverteilung. Für das Frontlicht eines Kraftfahrzeuges (z.B. Abblendlicht, Fernlicht, Positionslicht, Tagfahrlicht, Nebellicht, etc.) ist in der Regel weißes Licht erwünscht.In the field of automotive lighting, especially in motor vehicle headlamps, the use of high-performance light sources with the highest possible luminance is desired. As a result, high-intensity lighting devices can be realized with a small space. The radiated light distribution must meet certain, for example, by the customer (a motor vehicle manufacturer) and / or statutory properties. These properties affect both the shape (contour) of the light distribution (extension in the horizontal and / or vertical direction) and a light intensity distribution (brightness distribution) within the light distribution. For the headlight of a motor vehicle (e.g., low beam, high beam, position light, daytime running light, fog light, etc.), white light is usually desired.
Mit Laserlichtquellen, beispielsweise Halbleiter-Laserdioden, lassen sich hohe Strahlungsdichten erzielen. Allerdings strahlen Laserlichtquellen meist nahezu monochromatisches, kohärentes und stark kollimiertes Laserlicht aus, das in dieser Form nicht unmittelbar als abgestrahltes Licht der Beleuchtungseinrichtung verwendet werden kann. Das Laserlicht ist bei den typisch hohen Strahlungsleistungen von Laserlichtquellen potenziell gefährlich. Laserlichtquellen werden in der Kfz-Beleuchtung daher mit einer Konversionseinrichtung bzw. einem Wellenlängenkonverter eingesetzt. Dabei wird zumindest ein Teil des von den Laserlichtquellen erzeugten und ausgesandten kurzwelliges Laserlichts unmittelbar beim Auftreffen auf den Wellenlängenkonverter in langwelliges Licht mindestens einer anderen Farbe (Wellenlänge) umgewandelt. With laser light sources, such as semiconductor laser diodes, high radiation densities can be achieved. However, laser light sources emit mostly almost monochromatic, coherent and highly collimated laser light, which can not be used directly in this form as radiated light of the illumination device. The laser light is potentially dangerous at the typical high power levels of laser light sources. Laser light sources are therefore used in automotive lighting with a conversion device or a wavelength converter. At least part of the short-wave laser light generated and emitted by the laser light sources is converted into long-wave light of at least one other color (wavelength) immediately upon impinging on the wavelength converter.
Eine erste Art von Wellenlängenkonverter weist ein Konversionsmaterial auf, welches einen Teil des Laserlichts in Licht einer anderen Wellenlänge umwandelt. Dieses überlagert nicht konvertiertes Licht und erzeugt eine Mischlichtverteilung mit der gewünschten weißen Farbe. Wenn das Laserlicht bspw. blaues Licht ist, wird es durch das Konvertermaterial teilweise bspw. in gelbes Licht konvertiert. Das nicht konvertierte blaue Licht und das konvertierte gelbe Licht überlagern sich zu dem weißen Licht.A first type of wavelength converter comprises a conversion material which converts a portion of the laser light into light of a different wavelength. This superimposes unconverted light and produces a mixed light distribution with the desired white color. When the laser light is, for example, blue light, it is partially converted, for example, into yellow light by the converter material. The unconverted blue light and the converted yellow light are superimposed to the white light.
Eine andere zweite Art von Wellenlängenkonverter weist mehrere unterschiedliche Konversionsmaterialien mit unterschiedlichen Konvertereigenschaften auf. Die Konversionsmaterialien wandeln das Laserlicht in Licht unterschiedlicher Wellenlängen um. Das konvertierte Licht der unterschiedlichen Wellenlängen überlagert sich und erzeugt eine Mischlichtverteilung mit der gewünschten weißen Farbe. So ist es bspw. denkbar, dass das Laserlicht von einem ersten Konversionsmaterial in Licht einer ersten Wellenlänge, z.B. blaues Licht, und von deinem zweiten Konversionsmaterial in Licht einer zweiten Wellenlänge, z.B. gelbes Licht, umgewandelt wird. Eine Überlagerung des konvertierten Lichts der beiden unterschiedlichen Wellenlängen kann dann bspw. das weiße Licht der Mischlichtverteilung erzeugen.Another second type of wavelength converter has several different conversion materials with different converter properties. The conversion materials convert the laser light into light of different wavelengths. The converted light of the different wavelengths superimposed and produces a mixed light distribution with the desired white color. For example, it is conceivable for the laser light to be emitted from a first conversion material into light of a first wavelength, e.g. blue light, and from your second conversion material into light of a second wavelength, e.g. yellow light, is converted. An overlay of the converted light of the two different wavelengths can then, for example, produce the white light of the mixed light distribution.
Dem Wellenlängenkonverter kommt eine sicherheitsrelevante Bedeutung zu, da nicht umgewandeltes Laserlicht bei den typisch hohen Strahlungsleistungen von Laserlichtquellen potenziell gefährlich ist. Wird der Wellenlängenkonverter beschädigt oder trifft Laserlicht nicht auf den Konverter, kann von dem aus der Beleuchtungseinrichtung austretenden, nicht gestreuten und nicht konvertierten Laserlicht unter Umständen eine Gefahr für Außenstehende ausgehen. Insbesondere Wellenlängenkonverter, die im Betrieb mit einer Laserlichtquelle verwendet werden, sind durch die dort auftretenden hohen thermischen Belastungen anfällig für Beschädigungen, wie beispielsweise Risse oder einem Ablösen des Konversionsmaterials von der Trägerstruktur des Wellenlängenkonverters. The wavelength converter has a safety-relevant significance, since unconverted laser light is potentially dangerous in the case of the typically high radiation powers of laser light sources. If the wavelength converter is damaged or if laser light does not strike the converter, the non-scattered and unconverted laser light emerging from the illumination device may pose a danger to outsiders. Wavelength converters used in operation with a laser light source, in particular, are susceptible to damage, such as cracks or detachment of the conversion material from the carrier structure of the wavelength converter, due to the high thermal loads occurring there.
Um zu verhindern, dass eine zu große Menge von kohärentem, nicht gestreutem und stark kollimiertem Laserlicht aus dem Kraftfahrzeugscheinwerfer austritt, sind aus dem Stand der Technik verschiedene Sicherheitskonzepte bekannt. In order to prevent an excessive amount of coherent, non-scattered and highly collimated laser light emerging from the motor vehicle headlight, various safety concepts are known from the prior art.
Aus der
Nachteilig bei dem bekannten Lichtmodul ist der relativ schlechte Wirkungsgrad, da Laserlicht, das beim Auftreffen auf den Wellenlängenkonverter reflektiert wird, in eine dem Filterelement abgewandte Richtung gelenkt wird und somit nicht zur Erzeugung der Abstrahllichtverteilung beiträgt. A disadvantage of the known light module is the relatively poor efficiency, since laser light, which is reflected upon impact with the wavelength converter, is directed in a direction away from the filter element and thus does not contribute to the generation of the Abstrahllichtverteilung.
Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Lichtmodul der eingangs genannten Art dahingehend auszugestalten und weiterzubilden, dass der Wirkungsgrad verbessert wird. Based on the described prior art, the present invention has the object to design a light module of the type mentioned in such a way and further, that the efficiency is improved.
Diese Aufgabe wird durch ein Lichtmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Insbesondere wird ausgehend von dem Lichtmodul der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass das Laserlichtbündel auf eine in Richtung der Abstrahllichtverteilung gerichtete Vorderseite des Wellenlängenkonverters trifft und dass eine der Vorderseite gegenüberliegende, entgegen der Richtung der Abstrahllichtverteilung gerichtete Rückseite des Wellenlängenkonverters verspiegelt ist. This object is achieved by a light module having the features of claim 1. In particular, it is proposed on the basis of the light module of the type mentioned above that the laser light beam impinges on a directed in the direction of the Abstrahllichtverteilung front of the wavelength converter and that a front side opposite, directed against the direction of the Abstrahllichtverteilung back of the wavelength converter is mirrored.
Unter einem Lichtmodul wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die eigentlich lichtabgebende Baueinheit eines Kraftfahrzeugscheinwerfers verstanden. Die Aufgabe wird jedoch auch durch einen Kraftfahrzeugscheinwerfer gelöst, der ein erfindungsgemäßes Lichtmodul aufweist.In the context of the present invention, a light module is understood to be the actually light-emitting structural unit of a motor vehicle headlight. However, the object is also achieved by a motor vehicle headlamp, which has an inventive light module.
Das Lichtmodul umfasst eine Laserlichtquelle zum Ausstrahlen eines Laserlichtbündels. Ferner umfasst das Lichtmodul einen Wellenlängenkonverter mit mindestens zwei Konversionsmaterialien mit unterschiedlichen wellenlängenkonvertierenden Eigenschaften. Der Konverter ist derart angeordnet, dass das von der Laserlichtquelle ausgestrahlte Laserlichtbündel auf die Konversionsmaterialien trifft. Diese sind derart ausgebildet, dass sie das auftreffende Laserlicht in Licht von mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen umwandelt. Eine Überlagerung des konvertierten Lichts der unterschiedlichen Wellenlängen erzeugt eine Mischlichtverteilung, die abgestrahlt und von der im Strahlengang angeordneten Abstrahloptikeinrichtung in die Abstrahllichtverteilung des Lichtmoduls umgewandelt wird. Die Optikeinrichtung kann bspw. einen Reflektor oder eine Linse zum Bündeln und/oder Streuen und/oder Umlenken des Lichts umfassen. Mittels der Optikeinrichtung kann die Kontur und/oder die Intensitätsverteilung der Abstrahllichtverteilung beeinflusst werden.The light module comprises a laser light source for emitting a laser light beam. Furthermore, the light module comprises a wavelength converter with at least two conversion materials with different wavelength-converting properties. The converter is arranged such that the laser light beam emitted by the laser light source strikes the conversion materials. These are designed such that it converts the incident laser light into light of at least two different wavelengths. A superposition of the converted light of the different wavelengths generates a mixed light distribution which is radiated and converted by the arranged in the beam path Abstrahloptikeinrichtung in the Abstrahllichtverteilung the light module. The optical device may comprise, for example, a reflector or a lens for bundling and / or scattering and / or deflecting the light. By means of the optical device, the contour and / or the intensity distribution of the emission light distribution can be influenced.
Als Konversionsmaterialen eignen sich beispielsweise Phosphor oder andere fluoreszierenden Materialien. Diese können beispielsweise übereinander geschichtet oder zu einem Stoffgemisch in einer Schicht auf einem Trägermaterial (Substrat) des Wellenlängenkonverters angeordnet sein. Der Wellenlängenkonverter bzw. die Konversionsmaterialien arbeiten überwiegend reflektierend. Das bedeutet, dass ein Großteil des konvertierten Laserlichts, vorzugsweise das gesamte konvertierte Licht, mit einer Komponente entgegen der Richtung des von der Laserlichtquelle ausgestrahlten Laserlichtbündels und damit in Richtung der Abstrahloptikeinrichtung abgestrahlt wird. Insbesondere bedeutet das Arbeiten bzw. Abstrahlen der Konversionsmaterialien in Reflexion, dass die Mischlichtverteilung ausgehend von der Vorderseite des Wellenlängenkonverters in Richtung der Abstrahloptikeinrichtung abgestrahlt wird. Es wird also die Mischlichtverteilung umfassend konvertiertes Laserlicht unterschiedlicher Wellenlängen ausgehend von dem Wellenlängenkonverter in einen der Laserlichtquelle zugewandten Raumbereich bzw. auf einer der Laserlichtquelle zugewandten Seite des Wellenlängenkonverters abgestrahlt.Suitable conversion materials are, for example, phosphorus or other fluorescent materials. These can be stacked, for example, or arranged to form a mixture of substances in a layer on a carrier material (substrate) of the wavelength converter. The wavelength converter or the conversion materials work predominantly reflective. This means that a large part of the converted laser light, preferably the entire converted light, is emitted with a component counter to the direction of the laser light beam emitted by the laser light source and thus in the direction of the abstraction device. In particular, the working or blasting of the conversion materials in reflection means that the mixed light distribution is emitted starting from the front side of the wavelength converter in the direction of the abstraction device. Thus, the mixed light distribution comprising converted laser light of different wavelengths is emitted starting from the wavelength converter into a spatial region facing the laser light source or on a side of the wavelength converter facing the laser light source.
Trifft das Laserlichtlichtbündel mit einer bestimmten Wellenlänge (d.h. einer bestimmten Farbe, z.B. ultraviolett) auf die Konversionsmaterialien des Wellenlängenkonverters, werden diese zur Phosphoreszenz oder Fluoreszenz angeregt und strahlen Licht einer ersten, von der Wellenlänge des einstrahlenden Laserlichtbündels unterschiedlichen Wellenlänge (einer ersten Farbe, z.B. blau) und Licht einer zweiten, ebenfalls von der Wellenlänge des einstrahlenden Laserlichtbündels unterschiedlichen Wellenlänge (einer zweiten Farbe, z.B. gelb) ab. Die Konversionsmaterialien sind vorzugsweise auf die Spektren des Laserlichtbündels abgestimmt, so dass das Licht möglichst effizient umgewandelt wird. Die Wellenlängen des konvertierten Lichts sind vorzugweise derartig auf einander abgestimmt, dass sich eine Mischlichtverteilung mit weißem Licht ergibt, das zur Erzeugung der Abstrahllichtverteilung genutzt wird. If the laser light beam with a specific wavelength (ie a specific color, eg ultraviolet) strikes the conversion materials of the wavelength converter, these are excited to phosphorescence or fluorescence and emit light of a first wavelength (of a first color, eg blue) different from the wavelength of the incident laser light beam ) and light of a second, also of the wavelength of the incident laser light beam different wavelength (a second color, eg yellow) from. The conversion materials are preferably matched to the spectrums of the laser light beam, so that the light is converted as efficiently as possible. The wavelengths of the converted light are preferably matched to one another in such a way that a mixed light distribution with white light results, which is used to generate the emission light distribution.
Das Lichtmodul umfasst eine Abstrahloptikeinrichtung (z.B. eine Projektionslinse, einen Umlenkreflektor, einen Hohlreflektor o.a.) zum Umformen der Mischlichtverteilung in eine Abstrahllichtverteilung des Lichtmoduls. Die Abstrahllichtverteilung ist z.B. um eine Hauptabstrahlrichtung konzentriert, welche bei Einbau des Lichtmoduls in ein Kraftfahrzeug üblicherweise in Fahrtrichtung verläuft. The light module comprises an abstraction device (eg a projection lens, a deflection reflector, a hollow reflector or the like) Forming the mixed light distribution in a light beam distribution of the light module. The emission light distribution is concentrated, for example, around a main emission direction, which usually runs in the direction of travel when the light module is installed in a motor vehicle.
Ferner umfasst das Lichtmodul wenigstens ein Filterelement, welches derart ausgebildet und angeordnet ist, dass es einen Anteil von nicht konvertiertem Licht des Laserlichtbündels aus der Abstrahllichtverteilung filtert.Furthermore, the light module comprises at least one filter element, which is designed and arranged such that it filters a portion of unconverted light of the laser light beam from the emission light distribution.
Falls also während des Betriebs des Laserlichtmoduls ein Defekt des Wellenlängenkonverters auftreten sollte (z.B. Verschieben der Position und/oder Ausrichtung von Laserlichtquelle zu Konverter, Ablösen von Konversionsmaterial von dem Trägerstruktur des Konverters, Risse im Konversionsmaterial, etc.) und ein Teil des auftreffenden Laserlichts durch den Konverter nicht konvertiert und als unkonvertiertes Laserlicht in Richtung der Abstrahloptikeinrichtung reflektiert bzw. gestreut werden sollte, wird durch das Filterelement wirksam verhindert, dass zu viel unkonvertiertes Laserlicht das Lichtmodul als Teil der Abstrahllichtverteilung verlässt. If, therefore, during operation of the laser light module, a defect of the wavelength converter should occur (eg shifting the position and / or orientation of laser light source to converter, detachment of conversion material from the support structure of the converter, cracks in the conversion material, etc.) and a part of the incident laser light the converter should not be converted and reflected or scattered as unconverted laser light in the direction of the Abstrahloptikeinrichtung, is effectively prevented by the filter element that too much unconverted laser light leaves the light module as part of the Abstrahllichtverteilung.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass das Laserlichtbündel auf eine in Richtung der Abstrahllichtverteilung gerichtete Vorderseite des Wellenlängenkonverters bzw. der Konversionsmaterialien trifft und dass eine der Vorderseite gegenüberliegende, entgegen der Abstrahllichtverteilung gerichtete Rückseite des Wellenlängenkonverters bzw. der Konversionsmaterialien eine verspiegelte Oberfläche aufweist. Mit einer verspiegelten Oberfläche ist im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Oberfläche mit Licht reflektierenden Eigenschaften gemeint. According to the invention, it is proposed that the laser light beam impinge on a front side of the wavelength converter or of the conversion materials directed in the direction of the emission light distribution and that a reverse side of the wavelength converter or of the conversion materials opposite the front side and facing the emission light distribution has a mirrored surface. For the purposes of the present invention, a mirrored surface means a surface with light-reflecting properties.
Die Laserlichtquelle ist in dem Lichtmodul relativ zu den Konversionsmaterialien so angeordnet, dass das Licht des Laserlichtbündels auf der Vorderseite der Konversionsmaterialien, welche in die Hauptabstrahlrichtung der Abstrahllichtverteilung gerichtet ist, auftrifft. Ein Teil des auftreffenden Laserlichts wird direkt beim Auftreffen auf die Oberfläche des Wellenlängenkonverters umgewandelt und unter Streuung reflektiert. Dabei wird eine Mischlichtverteilung abgestrahlt, welche konvertiertes Laserlicht einer ersten Wellenlänge und konvertiertes Laserlicht mindestens einer weiteren von der ersten Wellenlänge unterschiedlichen zweiten Wellenlänge enthält. Das Licht der verschiedenen Wellenlängen ergibt durch additive Farbmischung weißes Licht.The laser light source is arranged in the light module relative to the conversion materials so that the light of the laser light beam impinges on the front side of the conversion materials which is directed in the main emission direction of the emission light distribution. Part of the incident laser light is converted directly upon impact with the surface of the wavelength converter and reflected with scattering. In this case, a mixed light distribution is emitted which contains converted laser light of a first wavelength and converted laser light of at least one further second wavelength different from the first wavelength. The light of the different wavelengths produces white light through additive color mixing.
Ein Teil des Laserlichtbündels wird unter Umständen jedoch nicht an der Oberfläche des Wellenlängenkonverters reflektiert, sondern tritt durch diesen hindurch und würde den Wellenlängenkonverter über die Rückseite als Streulicht verlassen und nicht zur Erzeugung der Abstrahllichtverteilung zur Verfügung stehen. Um die Effizienz des Lichtmoduls zu erhöhen, wird deshalb die Rückseite des Wellenlängenkonverters verspiegelt, so dass das transmittierte Laserlicht reflektiert wird. Vorzugsweise wird das Laserlicht in Richtung der Vorderseite des Wellenlängenkonverters, d.h. in der Hauptaustrittsrichtung der Abstrahllichtverteilung, reflektiert. Damit gelangt auch der Anteil des Laserlichts, der nicht direkt beim Auftreffen durch Reflexion in Licht der Mischlichtverteilung umgewandelt wird, als konvertiertes Laserlicht in die Mischlichtverteilung und kann zur Erzeugung der Abstrahllichtverteilung beitragen. Dadurch kann eine deutliche Steigerung der Effizienz erzielt werden.However, a part of the laser light beam may not be reflected on the surface of the wavelength converter, but passes through it and would leave the wavelength converter via the back as stray light and not be available for generating the Abstrahllichtverteilung available. In order to increase the efficiency of the light module, therefore, the back of the wavelength converter is mirrored, so that the transmitted laser light is reflected. Preferably, the laser light is directed toward the front of the wavelength converter, i. in the main exit direction of the emission light distribution, reflected. Thus, the proportion of the laser light, which is not directly converted into light of the mixed light distribution upon reflection by reflection, as converted laser light in the mixed light distribution and can contribute to the generation of the Abstrahllichtverteilung. As a result, a significant increase in efficiency can be achieved.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist von einem sog. Laserlichtbündel die Rede. Dies bezeichnet nur, von welcher Lichtquelle das Lichtbündel ausgestrahlt wird. Selbstverständlich kann das Laserlichtbündel beliebige Wellenlängen bzw. Farben aus dem Farbspektrum von Lasern aufweisen. Vorteilhafterweise strahlt die wenigstens eine Laserlichtquelle kurzwelliges kohärentes Licht, vorzugsweise in einem Wellenlängenbereich von 200 nm bis 410 nm, vorzugsweise 350 nm bis 380 nm, insbesondere UV-Licht, aus.In the context of the present invention, a so-called laser light bundle is mentioned. This only indicates from which light source the light beam is emitted. Of course, the laser light beam can have any desired wavelengths or colors from the color spectrum of lasers. Advantageously, the at least one laser light source emits short-wave coherent light, preferably in a wavelength range from 200 nm to 410 nm, preferably 350 nm to 380 nm, in particular UV light.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist mindestens eine der zwischen der Vorder- und Rückseite des Wellenlängenkonverters angeordneten Seitenflächen des Konverters eine verspiegelte Oberfläche auf. Damit wird ein seitlicher Austritt von Licht aus dem Wellenlängenkonverter verhindert und die seitlichen Abstrahlungsverluste der von dem Wellenlängenkonverter ausgestrahlten Mischlichtverteilung reduziert. According to an advantageous development of the present invention, at least one of the side surfaces of the converter arranged between the front and rear side of the wavelength converter has a mirrored surface. This prevents lateral leakage of light from the wavelength converter and reduces the lateral radiation losses of the mixed light distribution emitted by the wavelength converter.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die verspiegelte Oberfläche des Wellenlängenkonverters einen metallischen Spiegel. Als Materialien für die lichtreflektierenden Oberflächen der Rückseite und/oder der Seitenflächen des Wellenlängenkonverters werden insbesondere Metalle (Al, Ag) vorgeschlagen. In an advantageous embodiment, the mirrored surface of the wavelength converter comprises a metallic mirror. In particular metals (Al, Ag) are proposed as materials for the light-reflecting surfaces of the rear side and / or the side surfaces of the wavelength converter.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die verspiegelte Oberfläche ein weißreflektierendes Material, insbesondere TiO2, BASO4 oder PTFE. Selbstverständlich können auch andere Materialen zum Einsatz kommen.In a further advantageous embodiment, the mirrored surface comprises a white-reflecting material, in particular TiO 2 , BASO 4 or PTFE. Of course, other materials can be used.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Filterelement ein Interferenzfilter. Das Interferenzfilter kann insbesondere als ein Bandpassfilter oder als ein Langpassfilter ausgebildet sein. Ein Bandpassfilter hat einen hohen Transmissionsgrad für ein bestimmtes Wellenlängenband, während kürzere und längere Wellenlängen reflektiert oder absorbiert werden. Ein Langpassfilter hat einen hohen Transmissionsgrad für lange Wellenlängen und einen geringen Transmissionsgrad für kurze Wellenlängen. Das Interferenzfilter kann bspw. so ausgestaltet sein, dass es unkonvertiertes kurzwelliges Laserlicht reflektiert oder absorbiert und das konvertierte Licht der verschiedenen längeren Wellenlängen transmittiert. According to an advantageous development of the invention, the filter element is an interference filter. The interference filter can be designed in particular as a bandpass filter or as a longpass filter. A bandpass filter has a high transmittance for a particular wavelength band, while shorter or longer wavelengths are reflected or absorbed. A long-pass filter has a high transmittance for long wavelengths and one low transmittance for short wavelengths. The interference filter may, for example, be designed such that it reflects or absorbs unconverted short-wave laser light and transmits the converted light of the different longer wavelengths.
Ein Interferenzfilter besteht aus vielen abwechselnd auf einem Trägerelement aufgebrachten niedrig- und hochbrechenden Schichten. Für niedrigbrechende Schichten eignet sich insbesondere MgF2 oder SiO2. Für hochbrechende Schichten wird in der Regel Al2O3, ZrO2, PrTiO3, TiO2 oder ZnS verwendet. Die Schichtdicke der einzelnen Schichten ist vorzugsweise so gewählt, dass die benachbarten abwechselnd harten (niedrig hochbrechend) und weichen (hoch niedrigbrechend) Reflexionen an den Grenzflächen für einen senkrecht einfallenden Lichtstrahl einer bestimmten Wellenlänge jeweils um eine Wellenlänge phasenverschoben sind. Dadurch interferiert das reflektierte Licht nach hinten (entgegen der Lichtdurchtrittsrichtung durch das Filterelement) konstruktiv und wird nicht transmittiert. Nach vorne (in der Lichtdurchtrittsrichtung) werden die senkrecht einfallenden Lichtstrahlen um eine halbe Wellenlänge zueinander phasenverschoben und interferieren destruktiv so dass sie sich gegenseitig weitgehend auslöschen. Die transmittierte Lichtverteilung wird bei einem Interferenzfilter durch den blockierten Anteil nicht gestört. Mit einem Interferenzfilter ist es möglich, durch das Material und die Dicke der einzelnen Schichten die Grenzen für den zu transmittierenden und den zu blockierenden Wellenlängenbereich sehr genau festzulegen. Deshalb kann das unkonvertierte Laserlicht sehr trennscharf herausgefiltert werden. Darüber hinaus erwärmt sich ein Interferenzfilter nicht bzw. nicht nennenswert. Die Sicherheitsfunktion ist daher nicht durch thermische Überbelastung gefährdet. An interference filter consists of many alternately applied on a support element low and high refractive index layers. For low-refractive layers, MgF 2 or SiO 2 is particularly suitable. For high-index layers Al 2 O 3 , ZrO 2 , PrTiO 3 , TiO 2 or ZnS is generally used. The layer thickness of the individual layers is preferably selected such that the adjacent alternately hard (low-refractive) and soft (high-low-refractive) reflections are phase-shifted by a wavelength at the interfaces for a vertically incident light beam of a specific wavelength. As a result, the reflected light interferes backwards (counter to the light passage direction through the filter element) constructively and is not transmitted. Forward (in the direction of light transmission), the vertically incident light beams are phase-shifted by half a wavelength with respect to each other and destructively interfere with each other to largely cancel each other out. The transmitted light distribution is not disturbed in an interference filter by the blocked portion. With an interference filter, it is possible by the material and the thickness of the individual layers to set very precisely the limits for the wavelength range to be transmitted and the wavelength range to be blocked. Therefore, the unconverted laser light can be filtered out very clearly. In addition, an interference filter does not heat or appreciably heat up. The safety function is therefore not endangered by thermal overload.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hat der Interferenzfilter einen sehr geringen Transmissionsgrad für Licht mit Wellenlängen im Bereich von 200 bis 380 nm, und einen hohen Transmissionsgrad für Licht in einem für das menschliche Auge sichtbaren Wellenlängenbereich (etwa 380 bis 780 nm). Der Interferenzfilter ist derart ausgelegt, dass kohärentes Laserlicht blockiert wird und Licht in einem für das menschliche Auge sichtbaren und ungefährlichen Bereich transmittiert wird. Ist der Interferenzfilter beispielsweise ein Bandpassfilter, weist dieser vorzugsweise einen hohen Transmissionsgrad für Licht in einem für das menschliche Auge sichtbaren und ungefährlichen Wellenlängenbereich auf. Licht mit kürzeren oder längeren Wellenlängen, insbesondere kurzwelliges, für das menschliche Auge potentiell gefährliches Laserlicht, und Licht in einem längeren Wellenlängenbereich wird blockiert. Denkbar ist selbstverständlich auch, dass der Interferenzfilter ein Langpassfilter ist, der derart ausgelegt ist, dass er einen hohen Transmissionsgrad für langwelliges Licht, in einem für das menschliche Auge sichtbaren Bereich hat, die kohärente kurzwellige Laserstrahlung aber blockiert wird. According to an advantageous embodiment of the invention, the interference filter has a very low transmittance for light having wavelengths in the range of 200 to 380 nm, and a high transmittance for light in a visible to the human eye wavelength range (about 380 to 780 nm). The interference filter is designed so that coherent laser light is blocked and light is transmitted in a visible and harmless region for the human eye. For example, if the interference filter is a bandpass filter, it preferably has a high degree of transmission of light in a wavelength range which is visible and harmless to the human eye. Light with shorter or longer wavelengths, in particular short-wavelength, potentially dangerous to the human eye laser light, and light in a longer wavelength range is blocked. Of course, it is also conceivable that the interference filter is a long-pass filter which is designed so that it has a high transmittance for long-wave light, in a visible to the human eye area, the coherent short-wave laser radiation is blocked.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Filterelement ein Absorptionsfilter aus einem Material mit absorbierenden Eigenschaften. Vorzugsweise absorbiert das Filterelement kurzwelliges Laserlicht, so dass dieses nicht aus dem Fahrzeugscheinwerfer austreten kann. According to a further advantageous embodiment of the invention, the filter element is an absorption filter made of a material having absorbent properties. Preferably, the filter element absorbs short-wave laser light so that it can not escape from the vehicle headlight.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Filterelement ein diffraktives optisches Element, insbesondere ein optisches Gitter. Ein diffraktives optisches Element besteht aus auf einem Trägerelement aufgebrachten Mikrostrukturen, die das einfallende Licht in viele gegeneinander phasenverschobene Bündel aufteilen und streuen. In der Hauptabstrahlrichtung des Lichtmoduls ergibt sich so eine Phasenverschiebung des unkonvertierten Laserlichts von etwa einer halben Wellenlänge, so dass das Laserlicht destruktiv interferiert. Dies gilt näherungsweise auch für Lichtstrahlen mit Abweichungen von der Hauptabstrahlrichtung um kleine Winkel. Für Lichtstrahlen, die in größeren Winkeln bezüglich der Hauptabstrahlrichtung durch das Filterelement hindurchtreten, kommt es zu einer anderen Phasenverschiebung des unkonvertierten Laserlichts, so dass dieses ohne bzw. nur mit einer geringen destruktiven Interferenz durch das Filterelement hindurchtreten kann. Es können aber geeignete Maßnehmen im Lichtmodul oder in dem Scheinwerfer getroffen werden, so dass das in großen Winkeln bezüglich der Hauptabstrahlrichtung durch das Filterelement hindurchtretende unkonvertierte Laserlicht das Lichtmodul bzw. den Scheinwerfer nicht verlässt. According to a further advantageous embodiment of the invention, the filter element is a diffractive optical element, in particular an optical grating. A diffractive optical element consists of microstructures mounted on a support element, which divide and scatter the incident light into many mutually phase-shifted bundles. In the main radiation direction of the light module, this results in a phase shift of the unconverted laser light of about half a wavelength, so that the laser light destructively interferes. This also applies approximately to light beams with deviations from the main emission direction by small angles. For light rays that pass through the filter element at larger angles with respect to the main emission direction, there is a different phase shift of the unconverted laser light, so that it can pass through the filter element with little or no destructive interference. However, suitable measures can be taken in the light module or in the headlight, so that the unconverted laser light passing through the filter element at large angles with respect to the main emission direction does not leave the light module or the headlight.
Denkbar ist eine Ausgestaltung des diffraktiven optischen Elements, so dass näherungsweise in Hauptabstrahlrichtung des Lichtmoduls durch das Filterelement hindurchtretendes unkonvertiertes Laserlicht derart gestreut wird, dass die in Hauptabstrahlrichtung auftretenden Strahlungsintensitäten ungefährlich sind. Die in größeren Winkeln bezüglich der Hauptabstrahlrichtung auftretenden größeren Strahlungsintensitäten des Laserlichts können in Bereiche des Lichtmoduls bzw. des Scheinwerfers gelenkt werden (bspw. in eine Lichtfalle), von wo aus sie nicht aus dem Lichtmodul bzw. dem Scheinwerfer austreten können. Vorzugsweise ist das diffraktive optische Element für den Wellenlängenbereich von UV-Laserlicht ausgelegt. An embodiment of the diffractive optical element is conceivable such that unconverted laser light passing through the filter element approximately in the main emission direction of the light module is scattered in such a way that the radiation intensities occurring in the main emission direction are harmless. The larger radiation intensities of the laser light which occur at larger angles with respect to the main emission direction can be directed into regions of the light module or of the headlamp (for example into a light trap), from where they can not escape from the light module or the headlamp. Preferably, the diffractive optical element is designed for the wavelength range of UV laser light.
Um einen Defekt des Wellenlängenkonverters zu detektieren, kann beispielsweise ein UV-Sensor oder ein Temperatursensor in das Lichtmodul integriert werden. Es ist beispielsweise denkbar, den Sensor derart anzuordnen und auszugestalten, dass er die Intensität des nach dem diffraktiven optischen Element in größeren Winkeln bezüglich der Hauptabstrahlrichtung auftretenden kurzwelligen Laserlichts detektiert. Ist der Wellenlängenkonverter beschädigt oder seine Lage bezüglich der Laserlichtquelle verändert, gelangt weniger unkonvertierte Laserstrahlung in den Bereich größerer Winkel bezüglich der Hauptabstrahlrichtung. Diese Intensitätsverringerung kann durch den Sensor detektiert und geeignete Gegenmaßnahmen können eingeleitet werden. Ein Temperatursensor könnte in einem Absorptionsbereich für die unkonvertierte Laserstrahlung angeordnet werden. Eine geringere Menge an unkonvertierter Laserstrahlung aufgrund eines Defekts oder einer Lageveränderung des Wellenlängenkonverters führt zu einem Temperaturabfall, der von dem Sensor detektiert werden kann. To detect a defect of the wavelength converter, for example, a UV sensor or a temperature sensor can be integrated into the light module. It is conceivable, for example, to arrange and configure the sensor such that it measures the intensity of the diffractive optical system Element detected at larger angles with respect to the main emission direction occurring short-wave laser light. If the wavelength converter is damaged or its position changed with respect to the laser light source, less unconverted laser radiation reaches the region of larger angles with respect to the main emission direction. This reduction in intensity can be detected by the sensor and appropriate countermeasures can be initiated. A temperature sensor could be placed in an absorption region for the unconverted laser radiation. A smaller amount of unconverted laser radiation due to a defect or a change in position of the wavelength converter leads to a drop in temperature that can be detected by the sensor.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Filterelement im Strahlengang zwischen dem Wellenlängenkonverter und der Abstrahloptikeinrichtung angeordnet. According to an advantageous embodiment of the invention, the filter element is arranged in the beam path between the wavelength converter and the Abstrahloptikeinrichtung.
Alternativ kann das Filterelement auch an der Abstrahloptikeinrichtung selbst angeordnet sein. Dabei kann die Abstrahloptikeinrichtung mit Material des Filterelements beschichtet sein. Die Abstrahloptikeinrichtung (beispielsweise eine Projektionslinse) dient dann als Trägerelement für das Material des Filterelements. Beispielsweise können die niedrig- und hochbrechenden Schichten eines Interferenzfilters oder die Mikrostrukturen eines diffraktiven optischen Elements direkt auf die Abstrahloptikeinrichtung aufgetragen werden. Bei einer als Projektionslinse ausgebildeten Abstrahloptikeinrichtung kann das Material des Filterelements auf eine oder beide Oberflächen der Linse aufgebracht werden.Alternatively, the filter element can also be arranged on the Abstrahloptikeinrichtung itself. In this case, the Abstrahloptikeinrichtung be coated with material of the filter element. The Abstrahloptikeinrichtung (for example, a projection lens) then serves as a support element for the material of the filter element. For example, the low- and high-refractive layers of an interference filter or the microstructures of a diffractive optical element can be applied directly to the Abstrahloptikeinrichtung. In the case of an abstraction device designed as a projection lens, the material of the filter element can be applied to one or both surfaces of the lens.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Filterelement an einer Abdeckscheibe des Kraftfahrzeugscheinwerfers angeordnet bzw. die Abdeckscheibe ist mit dem Material des Filterelements beschichtet. Die Abdeckscheibe dient in diesem Fall als Trägerelement für das Material des Filterelements. Beispielsweise können die niedrig- und hochbrechenden Schichten eines Interferenzfilters oder die Mikrostrukturen eines diffraktiven optischen Elements direkt auf die Abdeckscheibe, vorzugsweise auf deren zum Scheinwerferinneren gerichteten Innenseite, aufgetragen werden. According to a further advantageous embodiment of the invention, the filter element is arranged on a cover of the motor vehicle headlight or the cover is coated with the material of the filter element. The cover serves in this case as a support element for the material of the filter element. For example, the low- and high-index layers of an interference filter or the microstructures of a diffractive optical element can be applied directly to the cover plate, preferably on its inner side facing the headlight interior.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist ein weiteres Filterelement vorgesehen. Das weitere Filterelement ist im Strahlengang zwischen dem Wellenlängenkonverter und der Abstrahloptikeinrichtung, oder an der Abstrahloptikeinrichtung oder an der Abdeckscheibe des Kraftfahrzeugscheinwerfers angeordnet. Es ist denkbar mehrere Filterelemente unmittelbar hintereinander oder zueinander beabstandet anzuordnen. Vorzugsweise sind mehrere Filterelemente an verschiedenen Positionen im Fahrzeugscheinwerfer angeordnet. Durch eine redundante Anordnung der Filterelemente kann die Betriebssicherheit des Lichtmoduls weiter erhöht werden. According to an advantageous development of the present invention, a further filter element is provided. The further filter element is arranged in the beam path between the wavelength converter and the Abstrahloptikeinrichtung, or at the Abstrahloptikeinrichtung or on the cover of the motor vehicle headlight. It is conceivable to arrange a plurality of filter elements directly behind one another or at a distance from each other. Preferably, a plurality of filter elements are arranged at different positions in the vehicle headlight. By a redundant arrangement of the filter elements, the reliability of the light module can be further increased.
Der bevorzugte Einsatzbereich für die vorliegende Erfindung sind Fernlicht- bzw. Teilfernlichtsysteme, die sehr hohe Beleuchtungsstärken erfordern. Denkbar ist auch eine Anwendung in hochauflösenden blendungsfreien Fernlichtsystemen mit DLP(Digital Light Processing)- oder LCD(Liquid Crystal Display)-Projektoren. Ein DLP-Projektor umfasst ein digitales Mikrospiegelarray, das eine Vielzahl von arrayartig neben- und/oder übereinander angeordneten Einzelelementen in Form von Mikrospiegeln umfasst, von denen das von einer Lichtquelle erzeugte Licht reflektiert wird. Jeder Mikrospiegel lässt sich in seiner Ausrichtung zumindest um eine Drehachse, vorzugsweise frei im dreidimensionalen Raum, also um zwei Drehachsen, einzeln verstellen. Durch die Verstellung der einzelnen Mikrospiegel lässt sich die Abstrahllichtverteilung gezielt in gewünschte Richtungen lenken. The preferred field of use for the present invention are high beam or partial high beam systems which require very high illuminance levels. Also conceivable is an application in high-resolution glare-free high beam systems with DLP (Digital Light Processing) or LCD (Liquid Crystal Display) projectors. A DLP projector comprises a digital micromirror array comprising a multiplicity of individual elements arrayed next to and / or above one another in the form of micromirrors, from which the light generated by a light source is reflected. Each micromirror can be individually adjusted in its orientation at least about an axis of rotation, preferably freely in three-dimensional space, ie about two axes of rotation. By adjusting the individual micromirrors, the light beam distribution can be directed in targeted directions.
Weitere Merkmale und vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung können der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren entnommen werden. Es zeigen: Further features and advantageous embodiments of the present invention can be taken from the following description with reference to the figures. Show it:
Die Laserlichtquelle
Das Filterelement
Licht mit längeren Wellenlängen (>380 nm) wird durch das Filterelement
Der Wellenlängenkonverter
Ein Teil des Laserlichtbündels
Ist das Filterelement
Ist das Filterelement
Selbstverständlich ist es auch denkbar, dass das Filterelement
Zusätzlich zu dem an der Abdeckscheibe
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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