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Die Erfindung betrifft eine Optik für ein optisches System mit zumindest einem Lichtleiter, der eine Einkoppelfläche für eine Lichtquelle, insbesondere eine Halbleiterlichtquelle, aufweist und der in einem Optikgrundkörper mündet bzw. bei dem die Einkoppelfläche in einem Optikgrundkörper mündet, wobei der Optikgrundkörper eine Auskoppelfläche aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein optisches System mit einer derartigen Optik und einen Scheinwerfer, insbesondere einen Fahrzeugscheinwerfer, gemäß den Oberbegriffen der nebengeordneten Ansprüche.
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Aus dem Stand der Technik sind Optiken und optische Systeme bekannt, die für einen (Fahrzeug-)Scheinwerfer in Form eines Matrix-Scheinwerfers eingesetzt sind. Insbesondere sind Matrix-Frontscheinwerfer mit einer Abblendlichtfunktion bekannt. Das optische System hat hierbei ein Licht-Modul mit einer Vielzahl von matrixartig angeordneten Licht emittierenden Dioden (LEDs). Nachgeschaltet zum Licht-Modul ist eine Primäroptik vorgesehen, die für eine jeweilige LED eine Einkoppelfläche aufweist. Nachgeschaltet zur Primäroptik ist eine Sekundäroptik vorgesehen, wobei die Optiken in einem gemeinsamen Scheinwerfer-Gehäuse angeordnet sind. Die Strahlung einer jeweiligen LED tritt aus der Auskoppelfläche der Primäroptik etwa als Lichtkegel aus, dessen Längsachse sich etwa parallel zu einer optischen Hauptachse des optischen Systems oder zu einer optischen Hauptachse der Primäroptik erstreckt. Optische Achsen der Einkoppelflächen der Primäroptik erstrecken sich parallel zur optischen Hauptachse der Primäroptik.
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Auch sind aus dem Stand der Technik Frontscheinwerfer mit einer Abblendlichtfunktion bekannt, bei denen eine Lichtverteilung des (Fahrzeug-)Scheinwerfers definierte Hell-Dunkel-Grenzen aufweisen, die entsprechend den Vorgaben der Economic Commission for Europe (ECE) Regelung R112 für Scheinwerfer mit asymmetrischem Licht ausgebildet sein kann. Mittels eines sogenannten Shutters bzw. einer Blende wird eine solche vorgegebene Hell-Dunkel-Grenze generiert. Hierzu kann ein mechanisches System eingesetzt werden, das die Blende aufweist, die im Strahlengang des Scheinwerfers nicht benötigte bzw. unerwünschte Strahlung abschattet und so die gewünschte Hell-Dunkel-Grenze erzeugt. Der Shutter ist also ein mechanisches Bauteil, welches eine Lichtöffnungsfläche begrenzt und/oder steuert. Nachteilig bei dieser Lösung ist jedoch, dass eine vorrichtungstechnisch aufwendige Mechanik benötigt wird. Des Weiteren ist nachteilig, dass ein derartiges mechanisches System zu Effizienzverlusten führt, da Strahlung durch die Blende (zumindest teilweise) absorbiert wird. Mit anderen Worten werden im Stand der Technik also als Primäroptik „Reflektoren“ eingesetzt, die sich dadurch auszeichnen, dass eine oder mehrere eng aneinander liegende Lichtquellen durch den „Reflektor“ auf einen (mechanischen) Shutter abgebildet werden, durch welchen dann die gewünschte Hell-Dunkel-Grenze generiert wird.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu vermeiden oder wenigstens zu mindern und insbesondere eine effiziente Optik, ein optisches System sowie einen Scheinwerfer zur Verfügung zu stellen, mit denen, ohne notwendige zusätzliche mechanische Vorrichtungen, zuverlässig eine Hell-Dunkel-Grenze erzeugt werden kann bei weiterer Einsparung von Bauraum und Komponenten.
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Die Aufgaben werden hinsichtlich der Optik gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, hinsichtlich des optischen Systems gemäß den Merkmalen des Anspruchs 12 und hinsichtlich des Scheinwerfers gemäß den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst.
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Diese Aufgabe wird hinsichtlich der gattungsgemäßen Optik erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei dem Optikgrundkörper eine Reflexionsfläche oder Totalreflexionsfläche (Total Internal Reflection-Fläche/TIR-Fläche/TIR-Ebene) vorgesehen ist, die sich, zumindest abschnittsweise, entlang des Strahlengangs zwischen (und benachbart oder angrenzend zu) dem Lichtleiter und der Auskoppelfläche erstreckt und vorzugsweise in der Auskoppelfläche oder benachbart zu der Auskoppelfläche mündet. Durch diese Totalreflexionsfläche wird das durch die Lichtleiter in den Optikgrundkörper einfallende Licht (bis zu dem vorbestimmten Grenzwinkel der Totalreflexion) total reflektiert und eine ungewollte Abstrahlung aus dieser Totalreflexionsfläche heraus unterbunden. Durch die entsprechende geometrische Gestaltung der erfindungsgemäßen Optik kann das Licht im Strahlgang so geleitet werden, dass der Einfallswinkel stets oder zumindest zum größten Teil unter dem Grenzwinkel der Totalreflexion liegt. Das total reflektierte Licht wird anschließend weiter zur Auskoppelfläche geleitet, aus welcher es aus dem Optikgrundkörper austritt. Im Gegensatz zum Stand der Technik benötigt die erfindungsgemäße Optik zur Generierung einer Hell-Dunkel-Grenze keinen mechanischen bzw. geometrischen Shutter oder Blende, sondern die Optik kann mittels der Totalreflexionsfläche eine solche Grenze generieren. Die Effizienz wird nicht durch einen Shutter verringert. Diese Lösung hat also den Vorteil, dass die vorgesehene Totalreflexionsebene, die sich entlang des Strahlengangs zwischen dem Lichtleiter und der Auskoppelfläche erstreckt, eine klar abgegrenzte bzw. scharfe Hell-Dunkel-Grenze erzeugt, ohne dabei ein weiteres Bauteil wie einen Shutter zu benötigen.
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Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und werden nachfolgend erläutert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Totalreflexionsfläche außenmantelseitig des Optikgrundkörpers vorgesehen sein und zumindest benachbart zu einer Außenmantelseite des Optikgrundkörpers. Vorzugsweise erstreckt sich die Totalreflexionsfläche ausgehend von einem Rand bzw. einer Kante der Auskoppelfläche aus. Durch die direkte Angrenzung an die Auskoppelfläche kann die Hell-Dunkel-Grenze fein definiert werden.
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Bevorzugt kann die Totalreflexionsfläche, insbesondere zumindest abschnittsweise oder vollständig, in Form einer planen (geraden) Oberfläche oder in Form einer von außen gesehen konvex gekrümmten Oberfläche gestaltet sein. Denkbar wäre auch eine konkav gekrümmte Oberfläche oder eine Mischform. Durch eine entsprechende geometrische Gestaltung der Totalreflexionsfläche kann der Strahlengang des Lichts beeinflusst und für eine totale Reflexion angepasst werden. Die Ausgestaltungen als plane oder konvex gekrümmte Oberfläche haben sich dabei als vorteilhaft erwiesen.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann die Totalreflexionsfläche sich, insbesondere parallel oder im Wesentlichen parallel, entlang der optischen Hauptachse der Optik erstrecken oder die optische Hauptachse mit einem Winkel bis zu 15°, insbesondere bis zu 10°, besonders bevorzugt bis zu 5° schneiden und/oder dass eine Ebene der Totalreflexionsfläche die optische Hauptachse schneidet, insbesondere Auskoppelflächen-seitig. Um die Lichtverteilung über die Totalreflexionsfläche in Richtung der optischen Hauptachse als Hauptabstrahlachse zu leiten, ist ein geringer Winkel zur optischen Hauptachse erforderlich. Zudem muss sichergestellt werden, dass die Totalreflexionsfläche die einfallende Strahlung auch komplett (oder zumindest größtenteils) total reflektiert.
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Vorzugsweise kann der Optikgrundkörper zwischen der Totalreflexionsfläche und der Auskoppelfläche eine definierte Blendenkante („Internal Shutter-Kante“) aufweisen, die bei eingekoppelter Strahlung der zumindest einen Lichtquelle in einem nach außen emittierten Licht eine scharfe (horizontale) Hell-Dunkel-Grenze erzeugt. Diese Blendenkante kann entsprechend einer vorgegebenen Form der Blendenkante auch entsprechend diese Form in einer Hell-Dunkel-Grenze abbilden.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Optik derart gestaltet sein, dass die optische Hauptachse die Blendenkante schneidet.
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Es ist von Vorteil, wenn der zumindest eine Lichtleiter eine kegelstumpfförmige Außenmantelfläche und/oder eine TIR-Einkoppelstruktur (Total-Internal-Reflection-Einkoppelstruktur) aufweist. Mit anderen Worten ist der Lichtleiter als schirmartige TIR-Linse (Total-Internal-Reflection-Linse) ausgebildet. Die TIR-Linse hat vorzugsweise eine refraktive Einkoppelfläche. Die kegelstumpfförmige Außenmantelfläche ist etwa paraboloidförmig oder ellipsoidförmig ausgestaltet und als TIR-Oberfläche ausgebildet. Von der Einkoppelfläche des Lichtleiters her kann eine sacklochförmige oder topfförmige Aussparung vorgesehen sein, über deren Wandung Licht eingekoppelt wird. In die TIR-Linse kann ein zentraler Lichtpfad und eine seitlicher Lichtpfad eintreten. Die Strahlung im seitlichen Lichtpfad wird dabei an der TIR-Oberfläche reflektiert.
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Es ist von Vorteil, wenn eine Mehrzahl an Lichtleitern vorgesehen ist, die jeweils in dem gemeinsamen Optikgrundkörper münden. Hierdurch wird eine Optik geschaffen, die beispielsweise für einen Scheinwerfer mit AFS-Funktion (Adaptive Frontlighting System-Funktion) eingesetzt werden kann. Durch die Mehrzahl an Lichtleitern wird zudem eine Optik geschaffen, welche eine entsprechende Mehrzahl an Lichtquellen ermöglicht, um thermische Vorteile zu nutzen.
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In einer bevorzugten Ausführung kann dem jeweiligen Lichtleiter zumindest eine Lichtquelle zugeordnet sein.
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Gemäß einem Aspekt können die Lichtleiter bzw. die Einkoppelflächen der Lichtleiter in einer einzeiligen oder mehrzeiligen, insbesondere einer zweizeiligen oder dreizeiligen, Matrix angeordnet sein. Durch eine solche Ausgestaltung kann beispielsweise auf vorrichtungstechnische einfache Weise ein Kurvenlicht durch Hinzuschalten oder Abschalten einer oder mehrerer Lichtquellen umgesetzt werden und/oder es kann ein Teil eines abgestrahlten Lichtfeldes bei Bedarf, um beispielsweise eine Blendung des Gegenverkehrs zu vermeiden, ausgeschaltet werden.
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Die Einkoppelflächen oder Einkoppelöffnungen der Lichtleiter liegen vorzugsweise in einer gemeinsamen Ebene.
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Des Weiteren ist denkbar, wenn mehrere Zeilen oder Reihen von Lichtleitern vorgesehen sind, dass diese versetzt zueinander sind, so dass die Reihen näher zueinander und kompakter ausgestaltbar sind.
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Die Lichtleiter können vorzugsweise mit ihren Auskoppelseiten in einer gemeinsamen, insbesondere sich senkrecht zur optischen Hauptachse erstreckenden, Ebene ausgebildet sein.
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Der Optikgrundkörper hat zum Anschluss der Lichtleiter eine planare Anschlussfläche, die von seiner Auskoppelfläche weg weist und in der Ebene der Auskoppelseiten der Lichtleiter liegt.
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Die Totalreflexionsfläche erstreckt sich vorzugsweise ausgehend von der Anschlussfläche bis zur Auskoppelfläche und mündet vorzugsweise in dieser.
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Die Auskoppelfläche der Optik nähert sich vorzugsweise mit zunehmenden Abstand zur Totalreflexionsfläche den Lichtleitern an. Die Auskoppelfläche und die Anschlussfläche können etwa v-förmig zueinander angeordnet sein, wobei bei größtem Abstand der Flächen sich die Totalreflexionsfläche zwischen diesen Flächen erstrecken kann.
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Eine Querschnittsfläche des Optikgrundkörpers, die sich parallel zur optischen Hauptachse und senkrecht zur Auskoppelfläche und/oder Anschlussfläche erstreckt, bleibt vorzugsweise gleich. Mit anderen Worten ist der Optikgrundkörper beispielsweise zylindrisch ausgestaltet.
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Hinsichtlich der Anordnung der Optik in einem Fahrzeug können nachstehende Definitionen verwendet werden. Die optische Hauptachse kann sich (im Wesentlichen) im Parallelabstand zur Fahrzeuglängsachse erstrecken und/oder kann in einer Horizontalebene liegen. Die Totalreflexionsebene weist dabei vorzugsweise nach unten. Die Auskoppelfläche weist beispielsweise nach vorne oder hinten. Die Auskoppelfläche kann sich dem Lichtleiter in einer Vertikalrichtung nach oben gesehen annähern. Die Totalreflexionsfläche entfernt sich vorzugsweise von der optischen Hauptachse nach unten in Erstreckungsrichtung hin zu den Lichtleitern.
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Vorzugsweise kann die Optik einstückig ausgebildet sein, also nicht ohne Zerstörung teilbar. Dies ermöglicht eine kosten- und montagegünstige Fertigung und führt zu einem Gewichtsvorteil.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Auskoppelfläche eine von außen gesehen konvexe Krümmung aufweisen. Durch die konvexe Krümmung kann beispielsweise die emittierte Strahlung in vertikaler Richtung gebündelt und in einem kleineren Winkelbereich abgestrahlt werden.
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Als Material für die Optik kann vorzugsweise Silikon eingesetzt sein. Hierbei handelt es sich um ein optisch transparentes Material mit ausreichend hohem Widerstand gegen hohe auftretende Leistungsdichten, das zugleich äußerst flexibel formbar ist. Es können aber auch Kunststoffe wie Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC) oder Glas für die Optik eingesetzt werden, wobei dies insbesondere abhängig von einem Abstand, einer konkreten Form der Optik und einer Strahlungsintensität/Leuchtdichte der LEDs sein kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann zur Ausbildung der Totalreflexionsfläche eine lichtundurchlässige, spiegelnde Oberfläche auf die Optik aufgetragen sein, so dass kein Licht durch diese Fläche durchtreten kann.
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Die Aufgabe der Erfindung wird hinsichtlich eines gattungsgemäßen optischen Systems mit einer Optik und einer Lichtquelle erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in das optische System eine erfindungsgemäße Optik eingesetzt ist.
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Vorzugsweise kann die Lichtquelle in Form einer Halbleiterlichtquelle und insbesondere in Form einer Leuchtdiode (LED) ausgebildet sein. Eine Licht emittierende Diode (LED) oder Leuchtdiode kann in Form mindestens einer einzeln gehäusten LED oder in Form mindestens eines LED-Chips, der eine oder mehrere Leuchtdioden aufweist, oder in Form einer Mikro-LED, vorliegen. Es können mehrere LED-Chips auf einem gemeinsamen Substrat („Submount“) montiert sein und eine LED bilden oder einzeln oder gemeinsam beispielsweise auf einer Platine (z.B. FR4, Metallkernplatine, etc.) befestigt sein („CoB“ = Chip on Board). Die mindestens eine LED kann mit mindestens einer eigenen und/oder gemeinsamen Optik zur Strahlführung ausgerüstet sein, beispielsweise mit mindestens einer Fresnel-Linse oder einem Kollimator. Anstelle oder zusätzlich zu anorganischen LEDs, beispielsweise auf Basis von AlInGaN oder InGaN oder AlInGaP, sind allgemein auch organische LEDs (OLEDs, z.B. Polymer-OLEDs) einsetzbar. Die LED-Chips können direkt emittierend sein oder einen vorgelagerten Leuchtstoff aufweisen. Alternativ kann die lichtemittierende Komponente eine Laserdiode oder eine Laserdiodenanordnung sein. Denkbar ist auch eine OLED-Leuchtschicht oder mehrere OLED-Leuchtschichten oder einen OLED-Leuchtbereich vorzusehen. Die Emissionswellenlängen der lichtemittierenden Komponenten können im ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Spektralbereich liegen. Die lichtemittierenden Komponenten können zusätzlich mit einem eigenen Konverter ausgestattet sein. Die LED-Chips können weißes Licht im genormten ECE-Weißfeld der Automobilindustrie emittieren, beispielsweise realisiert durch einen blauen Emitter und einen gelb/grünen Konverter. Als Lichtquellen können auch mehrfarbige LEDS (UV, blau, grün, rot, IR) eingesetzt werden. Die mindestens eine Leuchtdiode kann mindestens einen wellenlängenumwandelnden Leuchtstoff enthalten (Konversions-LED). Der Leuchtstoff kann alternativ oder zusätzlich entfernt von der Leuchtdiode angeordnet sein („Remote Phosphor“). Insbesondere kann die Optik zusammen mit der Lichtquelle ein eigenständiges Modul des optischen Systems bilden. Mit einer Lichtquellen-Matrix kann die Lichtverteilung adaptiv angepasst werden. Vorzugsweise ist jede einzelne Strahlungsquelle separat ansteuerbar und hierdurch insbesondere ein- und ausschaltbar und/oder dimmbar. Die Lichtverteilung wird vorzugsweise in einer Ebene betrachtet, die sich senkrecht zu der optischen Hauptachse der Optik oder des optischen Systems erstreckt und beispielsweise vor das Fahrzeug (auf die Fahrbahn) geworfen wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann die Optik des optischen Systems eine Primäroptik bzw. eine Primärlinse sein, wobei dieser eine Sekundäroptik bzw. eine Sekundärlinse nachgeschaltet ist.
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In einer bevorzugten Variante kann das optische System zusätzlich eine, insbesondere einstellbare und vorzugsweise quer zu der optischen Achse des optischen Systems verlaufende, (geometrische) Blende bzw. Shutter aufweisen, die vorzugsweise im Bereich der Blendenkante angeordnet ist. Hierdurch kann eine bereits vorhandene Hell-Dunkel-Grenze weiter reguliert, eingestellt (vor allem in vertikaler Richtung bei beispielsweise höherer Beladung eines Fahrzeugs) und vor allem beispielsweise auch unterschiedliche, entsprechend der Kante bzw. Shutterkante des Shutters, Formen annehmen.
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Vorzugsweise kann die Blendenkante an die Objektebene der Sekundäroptik angepasst sein und/oder ein Fokuspunkt der Sekundäroptik in unmittelbarer Nähe und/oder auf der Blendenkante liegen. So wird die Blendenkante durch die Sekundäroptik scharf abgebildet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Blende in Form einer planen oder gekrümmten Wand oder Platte, ähnlich einer reflektorartigen Rinne, ausgestaltet sein.
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Vorzugsweise erstreckt sich die Blende, insbesondere von der Blendenkante der Optik ausgehend, in vertikaler Richtung bzw. in einer Richtung senkrecht zu der optischen Hauptachse von dem Optikgrundkörper weg, beispielsweise nach unten im eingebauten Zustand.
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Alternativ hierzu kann sich die Blende, insbesondere von der Blendenkante der Optik ausgehend, auch in horizontaler Richtung, bzw. parallel zu der optischen Hauptachse weg von der Optik erstrecken.
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Es ist von Vorteil, wenn die Blende auf einer oder mehreren oder allen Seiten eine reflektierende Oberfläche aufweist. Hierdurch wird eine Effizienz weiter gesteigert
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Als Beleuchtungsfunktionen des optischen Systems können eine Abbiegelichtfunktion und/oder eine Nebellichtfunktion und/oder eine Abblendlichtfunktion und/oder eine Fernlichtfunktion und/oder eine Kombinationen und/oder Abwandlung (beispielsweise Adaptive Driving Beam (ADB) oder Adaptive Frontlighting System (AFS)) der genannten sowie weitere Funktionen vorgesehen sein. AFS wird beispielsweise bei der Abblendlichtfunktion eingesetzt und kann ein Autobahnlicht und/oder ein Schlechtwetterlicht und/oder ein Stadtlicht vorsehen. ADB wird vorzugsweise beim Fernlicht eingesetzt und kann ein blendfreies Fernlicht vorsehen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird hinsichtlich eines gattungsgemäßen Scheinwerfers, insbesondere eines Scheinwerfers für ein Fahrzeug, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine erfindungsgemäße Optik oder ein erfindungsgemäßes optisches System in dieses eingesetzt ist. Das Fahrzeug kann ein Luftfahrzeug oder ein wassergebundenes Fahrzeug oder ein landgebundenes Fahrzeug sein. Das landgebundene Fahrzeug kann ein Kraftfahrzeug oder ein Schienenfahrzeug oder ein Fahrrad sein. Besonders bevorzugt ist das Fahrzeug ein Lastkraftwagen oder ein Personenkraftwagen oder ein Kraftrad. Das Fahrzeug kann des Weiteren als nicht-autonomes oder teil-autonomes oder autonomes Fahrzeug ausgestaltet sein. Eine Eignung des Scheinwerfers für eine Verwendung in einem Fahrzeug kann eine Eignung für einen Dauerbetrieb bei einer Temperatur zwischen -40°C bis +120°C, wie etwa bei 85°C, sein. Weitere Anwendungsbereiche des Scheinwerfers können beispielsweise Scheinwerfer für Effektlichtbeleuchtungen, Entertainmentbeleuchtungen, Architainmentbeleuchtungen, Allgemeinbeleuchtung, medizinische und therapeutische Beleuchtung, Beleuchtungen für den Gartenbau (Horticulture) etc. sein, bei denen eine Hell-Dunkel-Grenze erforderlich oder gewünscht ist. Die Lichtquellen-Matrix kann dabei beispielsweise Strahlung mit Wellenlängen im ultravioletten (UV) Bereich und/oder im sichtbaren Bereich und/oder im nahen infrarot (NIR) Bereich emittieren.
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Die Anmelderin behält sich vor, einen unabhängigen Anspruch auf ein Paar von Fahrzeugscheinwerfern mit jeweils einer Optik oder einem optischen System gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Aspekte vorzusehen, wobei die Optiken unterschiedlich ausgestaltet sein können.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
- 1 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Scheinwerfers einer bevorzugten Ausführungsform mit einem erfindungsgemäßen optischen System, das eine erfindungsgemäße Optik aufweist,
- 2 eine vergrößerte schematische Seitenansicht der erfindungsgemäßen Optik des optischen Systems aus 1,
- 3 eine perspektivische Rückansicht der erfindungsgemäßen Optik,
- 4 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen optischen Systems einer weiteren, zweiten bevorzugten Ausführungsform mit einem zusätzlichen, vertikal angeordneten Shutter, und
- 5 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen optischen Systems einer dritten bevorzugten Ausführungsform mit einem zusätzlichen, horizontal angeordneten Shutter.
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Die Figuren sind schematischer Natur und sollen nur dem Verständnis der Erfindung dienen. Gleiche Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele können untereinander ausgetauscht werden.
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1 zeigt in einer Seitenansicht schematisch einen erfindungsgemäßen (Fahrzeug-)Scheinwerfer 1 einer bevorzugten Ausführungsform, dessen Gehäuse 3 schematisch als durchgezogenen Linie gezeigt ist. Der Scheinwerfer 1 weist ein erfindungsgemäßes optisches System 2 einer ersten bevorzugten Ausführungsform mit einer erfindungsgemäßen Optik einer bevorzugten Ausführungsform als Primäroptik 4 auf. Nachgeschaltet zu der Primäroptik 4 und mittig zu einer optischen Hauptachse 8 des optischen Systems 2, ist eine Sekundäroptik 6 in Form einer abbildenden Sammellinse (Sekundärlinse) mit positiver Brechkraft angeordnet. Die Sekundäroptik 6 bildet das Bild der Primäroptik 4 über einen lichtdurchlässigen Ausgang des Gehäuses 3 (rechte Seite in 1) sowohl in ein Fernfeld als auch in ein Nahfeld bzw. Vorfeld ab. Als Fernfeld bezeichnet man einen Bereich, der weit von der Lichtquelle entfernt ist, womit ein genauer Ort einer Lichtemission der Lichtquelle vernachlässigbar ist (Näherung Punktlichtquelle). Das Nahfeld ist hingegen ein Bereich in der Nähe der Lichtquelle. Im Fahrzeug wird typischerweise zwischen Vorfeld und Fernfeld (oder Reichweite) unterschieden, wobei das Vorfeld die ersten paar Meter vor dem Fahrzeug meint.
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Ein Fokuspunkt 10 der Sekundäroptik 6 liegt in dieser Ausführungsform nahe der optischen Hauptachse 8 an dem in 1 gesehen rechten äußersten Abschnitt der Primäroptik 4. Dieser Bereich der Primäroptik 4 wird aufgrund des dort angeordneten Fokuspunktes 10 über die Sekundäroptik 6 scharf in das Fernfeld abgebildet. Diese Besonderheit sowie die genaue Gestaltung der Primäroptik 4 werden nachstehend unter Zuhilfenahme der 2 und 3 erläutert. Der Primäroptik 4 ist ferner ein Lichtmodul in Form einer (Licht-)Matrix 12 mit einer Vielzahl von etwa in einer Ebene angeordneten LED's 14 als Lichtquellen vorgeschaltet, die zu der Primäroptik 4 beabstandet ist. Die LED's 14 sind in zwei Reihen angeordnet und bilden somit eine zweizeilige/zweireihige Matrix 12. Jede einzelne LED 14 kann separat angesteuert werden und ist ein-/ausschaltbar und dimmbar, wodurch ein Scheinwerfer 1 mit adaptivem Lichtbild bereitgestellt wird.
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2 und 3 zeigen die erfindungsgemäße Primäroptik 4 aus 1 in separater Ansicht. Die Primäroptik 4 weist für jede LED 14 jeweils einen eigenen Lichtleiter 16 mit einer Einkoppelfläche 18 oder Einkoppelöffnung oder Einkoppelseite auf und mündet jeweils in einem gemeinsamen, lichtleitenden Optikgrundkörper 20 der Primäroptik 4. Anders ausgedrückt mündet die Einkoppelfläche 18 jeweils in dem gemeinsamen Optikgrundkörper 20. Wie in 3 ersichtlich ist der Optikgrundkörper 20 blockförmig mit gleichbleibendem Querschnitt ausgebildet. Eine Rückseite 21 des Optikgrundkörpers 20, in welche die Lichtleiter 16 münden, ist dabei eine ebene, plane Fläche. Insgesamt weist die Primäroptik 4 dabei in einer (in 2 und 3 gesehen) oberen Reihe der zweizeiligen Matrix 12 vier Lichtleiter 16 und in einer unteren Reihe weitere sieben Lichtleiter 16 auf. Alle elf Lichtleiter 16 sind dabei gleich ausgestaltet und weisen eine etwa kegelstumpfförmige Außenmantelfläche 22 auf. Ebenso sind alle Lichtleiter 16 als TIR-Linse mit einer sacklochförmigen Aussparung ausgestaltet. Jede TIR-Linse bzw. jeder Lichtleiter 16 hat also neben der refraktiven Einkoppelfläche 18 die kegelstumpfförmige Außenmantelfläche 22, welche paraboloidförmig ausgestaltet ist. In die TIR-Linse wird dabei ein zentraler Lichtpfad ausgebildet, wobei die Strahlung im seitlichen Lichtpfad an einer TIR-Oberfläche reflektiert wird.
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Die Primäroptik 4 ist, wie auch in 3 gezeigt, in horizontaler Richtung symmetrisch zu einer Längsachse bzw. zu der optischen Hauptachse 8 ausgebildet. In Richtung der optischen Hauptachse 8 gesehen ist gegenüber den Lichtleitern 16 bzw. gegenüber der Einkoppelflächen 18 in dem Optikgrundkörper 20 eine gekrümmte Auskoppelfläche 24 ausgebildet. Aus dieser Auskoppelfläche 24 wird durch die Lichtleiter 16 eingestrahltes Licht aus dem Optikgrundkörper 20 heraus nach außen emittiert. In 2 in der Seitenansicht gesehen ist die Auskoppelfläche 24 dabei nach außen hin gekrümmt bzw. weist eine von außen gesehen konvexe Krümmung auf. Dies hat einerseits den Vorteil, dass Licht in vertikaler Richtung weiter gebündelt wird bzw. anschließend in einem kleineren Winkelbereich abstrahlt, was in dem optischen System 2 bzw. dem Scheinwerfer 1 (siehe 1) besonders vorteilhafte flache Sekundäroptiken 6 ermöglicht, und zum anderen, dass nicht die gesamte gekrümmte Oberfläche der Auskoppelfläche 24 durch die Sekundäroptik 6 scharf abgebildet wird. Dadurch, dass die nachgeordnete abbildende Sekundäroptik 6 nur die Blendenkante 28 unmittelbar auf der Objektebene der Sekundäroptik 6 liegen hat, befindet sich der übrige Bereich der Auskoppelfläche 24 von der Objektebene gesehen weiter weg, was den Vorteil mit sich bringt, dass beispielsweise eine Schadstelle oder angesammelter Schmutz auf der Oberfläche der Auskoppelfläche 24 lediglich unscharf bzw. verschwommen in das Fernfeld abgebildet wird. Auf diese Weise kann ein Einfluss von Schmutz oder einer Schadstelle signifikant reduziert werden.
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Im Gegensatz zum Stand der Technik ist bei dem Optikgrundkörper 20 eine in 2 gesehene Bodenfläche als Totalreflexionsfläche (TIR-Fläche) 26 ausgebildet bzw. vorgesehen, die sich abschnittsweise entlang des Strahlengangs zwischen den Lichtleitern 16 oder Auskoppelseiten der Lichtleiter 16 und der Auskoppelfläche 24 erstreckt. Die Totalreflexionsfläche 26 mündet in dieser Ausführungsform unmittelbar in der Auskoppelfläche 24. In dieser Ausführungsform ist die Totalreflexionsfläche 26 als plane Oberfläche ausgeführt, die jedoch alternativ hierzu, von mit Blickrichtung auf die Seitenflächen der Primäroptik 4 gesehen, auch (leicht) konvex gekrümmt ausgestaltet sein kann. Die Totalreflexionsebene erstreckt sich in 2 gesehen unterhalb sowie entlang der optischen Hauptachse 8 und weist zwischen sich und der optischen Hauptachse 8 einen Winkel α von 10° auf. Aufgrund dieses besonderen Zusammenhangs der Geometrie werden Lichtstrahlen, welche durch den Strahlengang auf die Totalreflexionsfläche 26 treffen, total reflektiert und verlassen anschließend den Optikgrundkörper 20 über die Auskoppelfläche 24.
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Besonders an der Gestaltung ist auch, dass sich die außenmantelseitige Totalreflexionsfläche 26 ausgehend von einem in 2 gesehen unteren Rand bzw. einer unteren Kante der Auskoppelfläche 24 aus erstreckt. Diese untere Kante bzw. der Treffpunkt bzw. die Schnittkante zwischen der Auskoppelfläche 24 und der Totalreflexionsfläche 26 bildet dabei eine Blendenkante 28, die in einem über die Auskoppelfläche 24 nach außen emittierten Licht eine scharfe Hell-Dunkel-Grenze erzeugt. Die optische Hauptachse 8 schneidet dabei die Blendenkante 28. Man kann auch sagen, dass die Totalreflexionsebene 26 auf der optischen Hauptachse 8 endet, was eine sehr gute Abbildungsqualität der Blendenkante 28 ermöglicht.
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Dadurch, dass der Fokuspunkt 10 der Sekundäroptik 6 des optischen Systems 2 in dieser Ausführungsform unmittelbar auf die Blendenkante gelegt ist (siehe 1), wird die Blendenkante 28 scharf in das Fernfeld abgebildet. So wird auch eine durch die Blendenkante 28 erzeugte und gewünschte Hell-Dunkel-Grenze scharf in das Fernfeld abgebildet und, wenn das optische System 2 in dem Scheinwerfer 1 korrekt eingestellt ist, wird ein entgegenkommender Fahrer nicht geblendet. So wird durch die in den Optikgrundkörper 20 eingezogene Totalreflexionsfläche 26 mit der angrenzenden Blendenkante 28 eine scharfe Hell-Dunkel-Grenze erzielt, ohne auf ein zusätzliches mechanisches Shutter-Element zurückgreifen zu müssen.
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Die untere Reihe der sieben Lichtleiter 16 der zweizeiligen Matrix 12 wird dabei nahe der erzeugten Hell-Dunkel-Grenze eines „Low-Beam-Bereichs“ eines Abblendlichts in das Fernfeld abgebildet wird, wohingegen das durch die obere Reihe der vier Lichtleiter 16 eintretende Licht der zweizeiligen Matrix 12 in das Vorfeld abgebildet wird. Diese Ausgestaltung des optischen Systems 2 bzw. des Scheinwerfers 1 (siehe 1) ermöglicht eine Bereitstellung eines Abblendlichts mit AFS-Funktionalität (Adaptive Frontlighting System). Neben der zweizeiligen Matrix 12 sind natürlich auch eine weitere Varianten wie einer einzeiligen, eine dreizeiligen oder mehrzeiligen Matrix möglich.
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Die Primäroptik 4 des optischen Systems 2 ist im Gesamten einstückig aus Silikon hergestellt.
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4 und 5 zeigen eine zweite und dritte bevorzugte Ausführungsform eines optischen Systems 102, 202, bei welchem, zusätzlich zu der Primäroptik 4, jeweils ein mechanischer externer (external) Shutter 120, 220 vorgesehen ist. Die Form des Shutters 120, 220 bzw. die Form einer Shutter-Kante 122, 222 kann dabei angepasst werden und unterschiedliche geometrische Gestaltungen aufweisen.
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Diese Form wird entsprechend in ein Fernfeld abgebildet und dafür angepasst sein, andere Fahrer nicht zu blenden.
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4 zeigt das optische Systems 102 mit einem planen Shutter 120, das in vertikaler Richtung angeordnet ist. Der Shutter 120 weist eine kompakte Bauform auf und die Form der Shutter-Kante 122 kann der Objektebene bzw. der gewünschten Lichtverteilung in der Bildebene durch die Sekundäroptik 6 (siehe 1) angepasst werden. Zudem kann mit einer einzigen Primäroptik ein Abblendlicht (Low Beam) mit bzw. ohne einem sogenannten „Kink“ in der Lichtverteilung realisiert werden. Der Shutter 120 erstreckt sich ausgehend von der Blendenkante 28 nach unten. Der Shutter 120 ist vorzugsweise benachbart zur Blendenkante 28 angeordnet.
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5 zeigt das optische System 202, bei dem der Shutter 220 horizontal angeordnet ist. Die (in 5 gesehen obere) Oberfläche 224 des Shutters 220 weist dabei ein reflektierendes Material beispielsweise einer Metallbeschichtung wie Aluminium auf oder weist dielektrische Schichten für eine Interferenz mit resultierender Spiegelung auf. Durch die reflektierende Oberfläche 224 wird eine Effizienz des optischen Systems 202 weiter gesteigert und auch besonders stark gekrümmte Geometrien des Shutters 220 werden so ermöglicht.
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Offenbart ist eine Optik (4) für ein optisches System (2; 102; 202) mit zumindest einem Lichtleiter (16), der eine Einkoppelfläche (18) für eine Lichtquelle (14) aufweist und der in einem Optikgrundkörper (20) mündet, wobei der Optikgrundkörper (20) eine Auskoppelfläche (24) aufweist wobei beim Optikgrundkörper (20) eine Totalreflexionsfläche (26) vorgesehen ist, die sich entlang des Strahlengangs zwischen dem Lichtleiter (16) und der Auskoppelfläche (24) erstreckt und in der Auskoppelfläche (24) oder benachbart zu der Auskoppelfläche (24) mündet. Ebenso ist ein optisches System (2; 102; 202) sowie ein Scheinwerfer (1) gemäß den nebengeordneten Ansprüchen offenbart.
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Bezugszeichenliste
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| Scheinwerfer |
1 |
| Optisches System |
2; 102; 202 |
| Gehäuse |
3 |
| Primäroptik |
4 |
| Sekundäroptik |
6 |
| Optische Hauptachse |
8 |
| Fokuspunkt |
10 |
| Matrix |
12 |
| LED |
14 |
| Lichtleiter |
16 |
| Einkoppelfläche |
18 |
| Optikgrundkörper |
20 |
| Rückseite |
21 |
| Außenmantelfläche |
22 |
| Auskoppelfläche |
24 |
| Totalreflexionsebene |
26 |
| Blendenkante |
28 |
| Shutter |
120; 220 |
| Shutterkante |
122; 222 |
| Reflektierende Oberfläche |
224 |
