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Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung für Fahrzeuge mit einer Lichtquelle und mit einer der Lichtquelle zugeordneten Optikeinheit zur Erzeugung einer vorgegebenen Lichtverteilung, wobei die Optikeinheit eine lichtstromabwärts der Lichtquelle angeordnete Beleuchtungsoptik, ein lichtstromabwärts der Beleuchtungsoptik angeordnetes Mikrospiegelfeld mit einer Mehrzahl von einzeln elektronisch ansteuerbaren Mikrospiegeln und eine lichtstromabwärts des Mikrospiegelfeldes angeordnete Projektionsoptik aufweist.
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Aus der
DE 103 44 173 A1 ist eine Beleuchtungsvorrichtung für Fahrzeuge bekannt, die eine Lichtquelle und eine Optikeinheit zur Erzeugung einer vorgegebenen Lichtverteilung aufweist. Die Optikeinheit weist ein Mikrospiegelfeld mit einer Mehrzahl von einzeln elektronisch ansteuerbaren Mikrospiegeln auf, die jeweils in zwei definierte Stellungen bringbar sind. Dieses Mikrospiegelfeld ist als DMD-Chip bekannt und wird von der Firma Texas Instruments als Teil der Produktfamilie DLP® vertrieben. Lichtstromaufwärts zu dem Mikrospiegelfeld weist die bekannte Beleuchtungsvorrichtung eine Beleuchtungsoptik auf, die aus mehreren Linsen bzw. Umlenkflächen besteht. Die Linsen sind derart ausgelegt, dass das Licht gesammelt und nicht parallel auf das Mikrospiegelfeld fällt. Lichtstromabwärts des Mikrospiegelfeldes ist eine Projektionsoptik mit einer Linse und/oder einem Reflektor angeordnet, mittels derer das Licht entsprechend einer Lichtverteilung abgebildet wird.
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Es hat sich gezeigt, dass der optische Aufwand bei der Verwendung von Mikrospiegelfeldern (Digital Mirror Devices DMD) für Beleuchtungsvorrichtungen, mittels dessen ein vergleichsweise kleiner Winkelbereich im Zentrum einer Lichtverteilung ausgeleuchtet werden soll, recht aufwändig ist. Von der Firma Texas Instruments ist ein als DMD-Chip als Teil der Produktfamilie DLP® bekannt, dem mindestens drei Linsen nachgeordnet sind. Es ist wünschenswert die Anzahl der Linsen für eine Projektionsoptik zu reduzieren. Ferner soll der Bauraumaufwand relativ gering sein.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Beleuchtungsvorrichtung für Fahrzeuge mit einem integrierten Mikrospiegelfeld und eine lichtstromabwärts zu dem Mikrospiegelfeld angeordnete Projektionsoptik derart weiterzubilden, dass bei einem relativ hohen optischen Korrektionsgrad (hohes Auflösungsvermögen) möglichst wenige Linsen erforderlich sind.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Projektionsoptik eine erste Linse und eine in Hauptabstrahlrichtung vor der ersten Linse angeordnete zweite Linse aufweist, wobei lediglich eine einzige Linsenfläche der ersten Linse oder der zweiten Linse konkavförmig ausgebildet ist.
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Die Erfindung sieht lediglich zwei Linsen für eine Projektionsoptik vor, die lichtstromabwärts zu einem Mikrospiegelfeld angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist lediglich eine Linsenfläche der beiden Linsen konkav ausgebildet. Um eine Baulänge der Lichtquellen-Projektionsoptik-Einheit zu reduzieren, soll gemäß der Erfindung eine der Linsenflächen eine negative Einzelbrennweite aufweisen, damit sie streuend wirkt. In Verbindung mit der Formgebung der anderen Linsenflächen der beiden Linsen ergibt sich hierdurch eine verbesserte optische Güte. Ferner wird eine Projektion der Lichtverteilung mit hoher optischer Auflösung ermöglicht. Da gemäß der Erfindung die Projektionsoptik lediglich zwei Linsen umfasst, ergeben sich Kosteneinsparungen bezüglich Material, Justage und Montage. Zusätzlich bedeutet das Reduzieren auf lediglich vier Linsenflächen geringerer Lichtstromverluste und somit verbesserte lichttechnische Werte der Beleuchtungsvorrichtung.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist eine in Hauptabstrahlrichtung hinten angeordnete hintere Linsenfläche der zweiten Linse konkav ausgebildet, während die weiteren Linsenflächen der ersten und zweiten Linse im Wesentlichen konvexförmig ausgebildet sind. Um die Bedingungen hinsichtlich Brennweite und Baulänge zu erfüllen, ist gemäß der Erfindung eine hintere Linsenfläche der zweiten Linse konkav ausgebildet. Die zweite Linse hat somit im Vergleich zur ersten Linse eine stärker lichtaufweitende Wirkung.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind die Linsenflächen der ersten Linse und der zweiten Linse derart gewölbt ausgebildet, dass ein an der ersten bzw. zweiten Linse ein- und wieder austretender Lichtstrahl an jeder Linsenfläche um einen Brechungswinkel φ von maximal 30° umgelenkt wird. Unter dem Brechungswinkel wird dabei der Winkel verstanden, um den ein Lichtstrahl, welcher auf eine Grenzfläche zwischen zwei verschiedenen optischen Medien trifft, seine Richtung ändert, also die Differenz zwischen einem Einfallswinkel und einem Ausfallswinkel des Lichtstrahls an der Grenzfläche.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist eine Abweichung Δφ der an den Linsenflächen der ersten bzw. zweiten Linse auftretenden Brechungswinkel φ1 und φ2 voneinander kleiner als 10°, vorzugsweise kleiner als 3°. Auf diese Weise sind die Änderungen der Ausbreitungsrichtung der Lichtstrahlen zwischen den Linsenflächen einer Linse und/oder zwischen den Linsen relativ gering. Vorzugsweise kann dadurch erreicht werden, dass sich die Winkeländerungen gleichmäßig auf die vier Linsenflächen verteilen. Insbesondere kann so der Einfluss von Linsenfehlern minimiert werden. Es werden also die Winkeländerungen an der Grenzfläche, die sich aufgrund des Brechungsgesetzes an der Grenzfläche ergeben, gleichmäßig auf die vier Linsenflächen der beiden Linsen verteilt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind die Linsenflächen der ersten und zweiten Linse derart gewölbt ausgebildet, dass ortsabhängig von dem Mikrospiegelfeld reflektierte Lichtstrahlen unter unterschiedlichen Winkeln umgelenkt werden und jeweils als kollimierte Lichtstrahlen weiter propagieren. Vorteilhaft ergibt sich hierdurch ein sehr präsziser Kollimator, der die Ortsverteilung des Mikrospiegelfeldes in eine Winkelverteilung der Lichtverteilung umsetzt. Informationen auf dem Mikrospiegelfeld werden in eine gewünschte Lichtverteilung auf das Vorfeld des Fahrzeugs umgesetzt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung liegen Dicken der ersten Linse und der zweiten Linse in einem Bereich zwischen 10 mm und 40 mm. Der untere Dickenwert wird dadurch bestimmt, dass die entsprechende erste Linse und/oder zweite Linse nicht randscharf werden sollte. Der obere Dickenwert der Linsen ist durch die Baulängenbegrenzung festgelegt und/oder dadurch, dass die so gebildete Linsenbaugruppe ein möglichst geringes Gewicht haben sollte.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die erste Linse eine Brennweite im Bereich von 94 mm bis 97 mm auf, während die zweite Linse eine Brennweite im Beriech von 99 mm bis 103 mm aufweist.
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Insbesondere kann die Projektionsoptik so ausgestaltet sein, dass die zweite Linse eine größere Brennweite aufweist als die erste Linse.
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Eine besonders kompakte Gestaltung der Beleuchtungsvorrichtung kann erreicht werden, wenn die Baulänge, die durch einen Abstand zwischen dem Mikrospiegelfeld und der hinteren Linsenfläche der zweiten Linse definiert ist, im Bereich von 90 mm bis 105 mm liegt und vorzugsweise 98 mm beträgt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung mit einem Mikrospiegelfeld, einer Beleuchtungsoptik und einer Projektionsoptik,
- 2 eine Seitenansicht der Projektionsoptik mit Grenzstrahlen eines an einem zentralen Feldpunkt des Mikrospiegelfeldes reflektierten ersten Lichtstrahls,
- 3 eine Seitenansicht der Projektionsoptik mit Grenzstrahlen eines an einem äußeren Feldpunkt des Mikrospiegelfeldes reflektieren zweiten Lichtstrahls und
- 4 eine exemplarische Darstellung von dem Verlauf zweier Lichtstrahlen, die von unterschiedlichen Feldpunkten des Mikrospiegelfeldes ausgehen und jeweils kollimiert in unterschiedlichen Winkeln zur Erzeugung der Lichtverteilung abgestrahlt werden.
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Eine Beleuchtungsvorrichtung für Fahrzeuge ist vorzugsweise als ein Scheinwerfer 1 ausgebildet zur Erzeugung einer vorgegebenen Lichtverteilung, beispielsweise Abblendlichtverteilung, Fernlichtverteilung, Stadtlichtverteilung sowie zur Abbildung von Symbolen, Displaylicht (Projektion eines Pfeils auf die Fahrbahn), Markierungslicht zum Markieren von Objekten, grafischen Informationen etc.
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Die Beleuchtungsvorrichtung besteht im Wesentlichen aus einer Lichtquelle 2 und einer Optikeinheit, die eine der Lichtquelle 2 zugeordnete Beleuchtungsoptik 3, ein Mikrospiegelfeld 4 sowie eine Projektionsoptik 5 aufweist.
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Die Beleuchtungsoptik 3 ist lichtstromabwärts zu der Lichtquelle 2 angeordnet und befindet sich zwischen der Lichtquelle 2 und dem Mikrospiegelfeld 4. Die Beleuchtungsoptik 3 kann eine Anzahl von Linsen aufweisen, damit ein von der Lichtquelle 2 abgestrahlter Lichtstrahl B parallelisiert z. B. in einem spitzen Winkel auf das Mikrospiegelfeld 4 trifft.
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Das Mikrospiegelfeld 4 weist eine Mehrzahl von Mikrospiegeln 6 auf, die in einer gemeinsamen Feldebene 7 angeordnet sind. Die Mikrospiegel 6 der so gebildeten DMD-Arrays (Mikrospiegelfeld 4) sind jeweils zwischen zwei definierten Stellungen mittels einer nicht dargestellten elektronischen Steuereinrichtung elektronisch einstellbar. In einer Nutzstellung der Mikrospiegel 6 wird der auf den Mikrospiegel auftreffende Lichtstrahl B unter einem spitzen Winkel in Richtung der Projektionsoptik 5 reflektiert. In einer zweiten Absorberstellung der Mikrospiegel 6 wird der Lichtstrahl B unter einem relativ großen spitzen Winkel weg von einem Lot des Mikrospiegelfeldes 4 zu einem nicht dargestellten Absorber umgelenkt.
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Das Mikrospiegelfeld 4 ist lichtstromabwärts zu der Beleuchtungsoptik 3 bzw. der Lichtquelle 2 angeordnet. Lichtstromabwärts zu bzw. in Hauptabstrahlrichtung H der Beleuchtungsvorrichtung hinter dem Mikrospiegelfeld 4 ist die Projektionsoptik 5 angeordnet, auf die der unter einem spitzen Winkel umgelenkte Lichtstrahl B trifft. Die Projektionsoptik 5 weist eine erste Linse 8 und eine zweite Linse 9 auf. Die erste Linse 8 ist auf einer dem Mikrospiegelfeld 4 zugewandten Seite der Projektionsoptik 5 angeordnet. Sie ist somit lichtstromaufwärts zu der zweiten Linse 9 angeordnet.
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Die erste Linse 8 ist als eine bauchige Linse ausgebildet mit einer lichteingangsseitig vorderen Linsenfläche 10 und einer lichtausgangsseitig, d. h. lichtstromabwärts zu der hinteren Linse 10, angeordneten hinteren Linsenfläche 11. Beide Linsenflächen 10, 11 der ersten Linse 8 sind dabei konvexförmig ausgebildet. Die erste Linse 8 ist so ausgebildet, dass möglichst viel des von dem Mikrospiegelfeld 4 umgelenkten Nutzlichtstrahls B eingesammelt wird.
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Die zweite Linse 9 weist eine der ersten Linse 8 zugewandten vordere Linsenfläche 12 und eine lichtstromabwärts zu derselben angeordnete hintere Linsenfläche 13 auf. Die vordere Linsenfläche 12 ist konvexförmig ausgebildet, wohingegen die hintere Linsenfläche 13 konkavförmig ausgebildet ist. Die zweite Linse 9 bildet somit eine meniskusförmige Linse, die im Vergleich zu der ersten Linse 8 eine stärker lichtaufweitende Wirkung aufweist. Die Linsenflächen 10, 11 der ersten Linse 8 und die Linsenflächen 12, 13 der zweiten Linse 9 sind derart gewölbt ausgebildet, dass Lichtstrahlen B1, B2 an den Linsenflächen 10, 11, 12, 13 jeweils um einen Brechungswinkel φ1 , φ2 von maximal 30°, vorzugsweise weniger als 20°, gebrochen werden. Dies ist in 2 beispielhaft dargestellt. Dort wird von einem zentralen Feldpunkt O1 des Mikrospiegelfeldes 4 ein Lichtstrahl B1 abgestrahlt, wobei ein Grenzstrahl des Lichtstrahls B1 an einer vorderen Linsenfläche 10 der ersten Linse 8 um den Brechungswinkel φ1 und an der hinteren Linsenfläche 11 der ersten Linse 8 um den Brechungswinkel φ2 gebrochen wird. Diese beiden Brechungswinkel φ1 , φ2 sind jeweils kleiner als 20°. Aus der Differenz zwischen dem Brechungswinkel φ1 und dem Brechungswinkel φ2 ergibt sich eine Abweichung Δφ, die kleiner ist als 10°, vorzugsweise kleiner als 3°. Dies gilt sowohl für die Brechungswinkel φ1 und φ2 der ersten Linse 8 als auch für die nicht bezeichneten Brechungswinkel an der vorderen Linsenfläche 12 und hinteren Linsenfläche 13 der zweiten Linse 9. Zudem kann die Differenz zwischen dem Brechungswinkel φ2 der hinteren Linsenfläche 11 der ersten Linse 8 und der vorderen Linsenfläche 12 der zweiten Linse 9 ebenfalls kleiner sein als 10°, vorzugsweise kleiner als 3°. Vorzugsweise erfolgt die Umlenkung des Lichts an den Linsenflächen 10, 11 der ersten Linse 8 in einer zueinander gleichen Richtung, vorzugsweise in Richtung einer optischen Achse der ersten Linse 8. Vorzugsweise erfolgt die Umlenkung des Lichts an den Linsenflächen 12, 13 der zweiten Linse 9 in einer zueinander entgegengesetzten Richtung, vorzugsweise an der vorderen Linsenfläche 12 in Richtung der optischen Achse und an der hinteren Linsenfläche 13 entgegen der optischen Achse der zweiten Linse 9.
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3 ist ein von einem äußeren Feldpunkt O2 reflektierter Lichtstrahl B2 dargestellt, der in eine gegenüber dem Lichtstrahl B1 andere Richtung umgelenkt wird. Die Lichtstrahlen B1, B2 werden jeweils durch die Linsen 8, 9 kollimiert.
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Zur Berechnung der Asphären der ersten Linse
8 und der zweiten Linse
9 wird von dem geforderten Abbildungsmaßstab ausgegangen, wobei ein Ort
y auf dem Mikrospiegelfeld
4 und ein Winkel
β im Fernfeld (Verkehrsraum) durch folgende Bedingung verknüpft sind:
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Eine resultierende Brennweite bzw. Gesamtbrennweite
f der beiden Linsen
8,
9 verteilt sich gemäß der bekannten Formel auf Einzelbrennweiten
f1 der ersten Linse
8 und
f2 der zweiten Linse
9:
wobei d den Abstand zwischen den beiden Linsen
8,
9 angibt. Die Formel geht hierbei von idealisierten bzw. dünnen Linsen aus, wohingegen gemäß der in den Figuren dargestellten Ausführungsformen dicke Linsen dargestellt sind.
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Bevorzugt weist die erste Linse
8 eine Brennweite
f1 im Bereich von 94 mm bis 97 mm, vorzugsweise 95,8 mm, auf, während die zweite Linse
9 bevorzugt eine Brennweite
f2 im Bereich von 99 mm bis 103 mm, vorzugsweise 101,5 mm, aufweist. Unter einer Baulänge L der Projektionsoptik
5 wird der Abstand zwischen dem Mikrospiegelfeld
4 (DMD-Chip) und einem Linsenscheitel der vorderen Linsenfläche
13 der zweiten Linse
9 verstanden. Ein Arbeitsabstand
a entspricht dem Abstand zwischen dem Mikrospiegelfeld
4 und der hinteren Linsenfläche
10 der ersten Linse
8. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel gilt die Beziehung:
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Die resultierende Brennweite f der ersten und zweiten Linse 8, 9 ist somit kleiner als die Baulänge L.
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Die erste Linse 8 weist bevorzugt eine Dicke d1 in einem Bereich von 15 mm bis 40 mm auf. Die zweite Linse 9 weist bevorzugt eine Dicke d2 in einem Bereich von 10 mm bis 40 mm auf. Beispielsweise können die Dicken d1 , d2 der ersten Linse 8 und der zweiten Linse 9 bei 27 mm liegen. Der Abstand d (lichter Abstand) der ersten Linse 8 zu der zweiten Linse 9 liegt bevorzugt in einem Bereich von 4 bis 5 mm. Die resultierende Brennweite f beträgt bevorzugt 50 mm.
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Gemäß der Erfindung ergeben sich ausgangsseitig der Projektionsoptik 5 jeweils kollimierte Lichtstrahlen B1, B2. Es lässt sich präzise eine Ortsverteilung an dem Mikrospiegelfeld 4 in eine Winkelverteilung zur Erzeugung der gewünschten Lichtverteilung umsetzen. Wie aus 4 ersichtlich ist, wird der von dem Ort O1 ausgehende erste Lichtstrahl B1 unter einem Winkel α1 zu einer Referenzebene 14 abgestrahlt, während der von dem Ort O2 ausgehende Lichtstrahl B2 unter einem Winkel α2 zu der Referenzebene 14 abgestrahlt wird, der sich von dem Winkel α1 unterscheidet. Da sich der Ort O1 auf der optischen Achse der Linsen 8,9 befindet, ist der Wert für α1 Null. Die Referenzebene 14 verläuft parallel zu bzw. im Fall des Lichtstrahls B1 entlang der optischen Achse der Projektionsoptik 5.
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Die Lichtquelle 2 kann als halbleiterbasierende Lichtquelle, beispielsweise als LED-Lichtquelle oder LED-Chip ausgebildet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Scheinwerfer
- 2
- Lichtquelle
- 3
- Beleuchtungsoptik
- 4
- Mikrospiegelfeld
- 5
- Projektionsoptik
- 6
- Mikrospiegel
- 7
- Feldebene
- 8
- 1. Linse
- 9
- 2. Linse
- 10
- Linsenfläche
- 11
- Linsenfläche
- 12
- Linsenfläche
- 13
- Linsenfläche
- 14
- Referenzebene
- O1,O2
- Ort/Feldpunkt
- f1,f2
- Einzelbrennweite
- y
- Ort
- f
- Gesamtbrennweite
- B1,B2
- Lichtstrahl
- φ1, φ2, φ
- Brechungswinkel
- α1,α2
- Winkel
- β
- Winkel
- Ll
- Baulänge
- a
- Abstand
- H
- Hauptabstrahlrichtung
- d1,d2
- Dicke
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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