EP3699486A1

EP3699486A1 - Scheinwerfer mit einer mehrzahl von halbleiterlichtquellen und einem einstückigen primäroptikfeld

Info

Publication number: EP3699486A1
Application number: EP20159053.6A
Authority: EP
Inventors: Dominik Wiedmaier; Henning Vogt; Philip Rudolf; Markus Kiesel
Original assignee: Marelli Automotive Lighting Reutlingen Germany GmbH
Current assignee: Marelli Automotive Lighting Reutlingen Germany GmbH
Priority date: 2019-02-25
Filing date: 2020-02-24
Publication date: 2020-08-26
Anticipated expiration: 2040-02-24
Also published as: EP3699486B1; DE102019104722A1

Abstract

Vorgestellt wird ein Scheinwerfer mit Halbleiterlichtquellen, einem einstückigen Primäroptikfeld und einer Sekundäroptik, wobei die Halbleiterlichtquellen in wenigstens einer Zeile angeordnet sind, wobei das Primäroptikfeld für jede Halbleiterlichtquelle einen Primäroptikteilbereich aufweist, die ebenfalls in einer Zeile angeordnet sind, wobei jeder Primäroptikteilbereich eine Lichteintrittsfläche und eine Lichtaustrittsfläche aufweist, wobei durch die Lichteintrittsfläche und die Lichtaustrittsfläche und wobei die Sekundäroptik dazu eingerichtet ist, die Lichtaustrittsflächen der Primäroptikteilbereiche in einer Lichtverteilung des Scheinwerfers abzubilden. Der Scheinwerfer zeichnet sich dadurch aus, dass die Lichteintrittsflächen und die Lichtaustrittsflächen der Primäroptikteilbereiche Freiformflächen sind, die durch zwischen ihnen liegende scharfe Kanten voneinander getrennt sind, und wobei sich Lichtaustrittsflächen von nicht am Anfang oder Ende einer Zeile liegenden Primäroptikteilbereichen in ihrer Form voneinander unterscheiden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Scheinwerfer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Scheinwerfer ist aus der De 10 2013 214 116 B4 bekannt. Der bekannte Scheinwerfer weist eine Mehrzahl von Halbleiterlichtquellen, ein einstückiges Primäroptikfeld und eine Sekundäroptik auf. Jede Halbleiterlichtquelle weist eine Hauptabstrahlrichtung auf. Die Halbleiterlichtquellen sind in wenigstens einer Zeile angeordnet, wobei das einstückige Primäroptikfeld für jede Halbleiterlichtquelle einen Primäroptikteilbereich aufweist. Die Primäroptikteilbereiche sind ebenfalls in wenigstens einer Zeile angeordnet. Jeder Primäroptikteilbereich weist eine einer Halbleiterlichtquelle zugewandte Lichteintrittsfläche und eine der Sekundäroptik zugewandte Lichtaustrittsfläche auf, Durch die Lichteintrittsfläche und die Lichtaustrittsfläche von jeweils einem Primäroptikteilbereich verläuft genau eine Hauptabstrahlrichtung genau einer Halbleiterlichtquelle. Die Sekundäroptik ist durch ihre lichtumlenkenden Eigenschaften und ihre Anordnung dazu eingerichtet, die Lichtaustrittsflächen der Primäroptikteilbereiche in einer Lichtverteilung des Scheinwerfers abzubilden.
Im Vergleich zu früheren Scheinwerfern müssen aktuelle Scheinwerfer stark veränderten Anforderungen genügen, was die durch ihre Lichtverteilungen zu erfüllenden Funktionen und die Qualität des Lichtes betrifft. Dabei stehen die Sicherheit aller Verkehrsteilnehmer und die aktive Unterstützung des Fahrers im Vordergrund. Die neuen Anforderungen werden einerseits durch gesetzliche Vorgaben, andererseits und insbesondere auch durch Automobilhersteller definiert.
Dies gilt insbesondere für adaptive Scheinwerfer, und dabei insbesondere für sogenannte Matrix-Scheinwerfer. Darunter werden Scheinwerfer verstanden, deren Lichtverteilung sich aus horizontal und/oder vertikal aneinander angrenzend nebeneinander liegenden Teillichtverteilungen zusammensetzt, wobei voneinander verschiedene Teillichtverteilungen durch voneinander verschiedene und einzeln steuerbare Lichtquellen erzeugt werden. Die resultierende Gesamtlichtverteilung kann daher automatisch durch Einschalten und Ausschalten und/oder Dimmen von einzelnen oder mehreren Lichtquellen an die aktuelle Verkehrssituation adaptiert werden. Die aktuelle Verkehrssituation wird dabei durch Umfeldsensoren des Kraftfahrzeugs, wie Radar oder Infrarotsensoren und ggf. auch ergänzend durch eine Kommunikation zwischen elektronischen Geräten verschiedener Verkehrsteilnehmer erfasst.
Dabei müssen sowohl die hohen Anforderungen der Automobilhersteller hinsichtlich einer Variabilität und einer Komplexität der Matrix-Lichtverteilungen als auch die strengen gesetzlichen Vorschriften zu Teilfernlicht-Systemen erfüllt werden.
Aus der DE 10 2013 112 639 A1 ist ein Scheinwerfer mit einer Vielzahl von in einer Matrix angeordneten Halbleiterlichtquellen mit einer gemeinsamen Projektionslinse zur Ausleuchtung verschiedener Bereiche von Abblendlichtverteilungen bekannt. Aus der US 7,815,350 B2 ist ein Scheinwerfer bekannt, der eine Anordnung von 3x3 Halbleiterlichtquellen mit je einer Anordnung von Primäroptiken vor einer gemeinsamen Sekundäroptik in Form einer Linse aufweist.
Eine konkrete Anwendung eines Projektionssystems mit matrixartig angeordneten Halbleiterlichtquellen und Primäroptiken für Fernlichtfunktionen ist aus der DE 10 2008 036 193 A1 bekannt. Die DE 10 2008 013 603 B4 sowie die DE 10 2008 044 967 B4 zeigen Details eines optischen Konzepts, das mit einem Primäroptik-Array und einer Sekundäroptik in Form einer Linse arbeitet. Dieses sogenannte Primäroptik-Array besteht aus matrixförmig angeordneten Abbildungselementen, die das von Halbleiterlichtquellen ausgehende Licht durch interne Totalreflexionen an Seitenflächen der Abbildungselemente formen. Die DE 10 2008 044 968 A1 zeigt eine Lichtverteilung eines solchen mehrzeiligen Matrix-Systems.
Die DE 10 2009 053 581 B3 zeigt nicht nur den Aufbau derartiger Matrix-Vorsatzoptiken mit bündelnder optischer Wirkung, sondern auch die Anwendung der damit erzeugten Lichtverteilung als Teilfernlicht- oder blendfreies Fernlicht. Ein zentraler Aspekt der optischen Wirkung dieser Matrix-Vorsatzoptiken ist dabei die Vermeidung von Blendung durch Streulicht, weshalb jeder LED eine Hauptaustrittsoptik zugeordnet ist, welche einen definiert abgegrenzten Bereich in der Lichtverteilung ausleuchtet. Durch die Vorsatzoptik wird gewährleistet, dass Licht, welches in eine benachbarte Hauptaustrittsoptik übertritt, im Teilfernlichtbetrieb nicht zu einer Blendung führt.
Die im Stand der Technik beschriebenen Matrix-Systeme sind in Bezug auf eine Variabilität und Flexibilität ihrer Segmente im Entwurfsstadium limitiert. So werden zumeist Segmente ein und derselben Größe verwendet, was die dadurch generierte Lichtverteilung sowohl in ihrer Auflösung als auch insbesondere in ihrer Breite stark einschränkt.
Des Weiteren zeigen die aufgeführten Schriften, die eine Primäroptik verwenden, eine hohe Komplexität der betreffenden Bauteile. So stellen Vorsatzoptiken, die zur Bündelung des einkoppelnden Lichts totalreflektierende Geometrien verwenden, höchste Anforderungen an die einzuhaltenden Fertigungs- und Positioniertoleranzen. Zumeist muss für diese Geometrien der anspruchsvolle und kostenintensive Werkstoff Silikon verwendet werden, was die Robustheit und Wirtschaftlichkeit des Systems stark einschränkt.
Viele aktuelle Matrix-Systeme verwenden eine Vielzahl optischer Komponenten um die anspruchsvollen Kundenanforderungen zu bedienen. Diese sind zum Beispiel unterschiedliche Segmentgrößen, Intensitätsverläufe innerhalb der Segmente sowie die Ausdehnung der Gesamtlichtverteilung (Höhe und Breite).
Dieser Umstand macht die meisten Matrix-Systeme nicht nur sehr kostspielig, sondern führt auch zu einem komplexen Aufbau, welcher eine hochpräzise Einstellung der Komponenten zueinander erfordert. Wird hingegen eine geringere Anzahl optischer Bauteile verwendet, so zeigen sich oft Limitierungen hinsichtlich der Segmentaufteilung, da nur eine oder einige wenige Segmentgrößen innerhalb der Lichtverteilung realisiert werden können.
Einige wenige Systeme mit direktabbildenden Konzepten besitzen zwar eine gewisse Flexibilität in der Ausgestaltung der Matrix-Lichtverteilung, benötigen dafür jedoch hochpräzise, mehrteilige Vorsatzoptiken mit totalreflektierenden Geometrien. Diese Primäroptiken stellen höchste Ansprüche an Materialauswahl, Fertigung und Positionierung der filigranen Strukturen, was einen erheblichen Kostenfaktor darstellt und zu Lasten der Robustheit der betreffenden Systeme führt.
Eine hohe Komplexität der Matrix-Systeme, sei es durch anspruchsvolle Vorsatzoptik-Konzepte oder auch den Einsatz zahlreicher optischer Bauteile, erhöht die Anfälligkeit für Streulicht bei zu hohen Fertigungs- und Einstelltoleranzen. Durch zu hohe Streulichtbeiträge ist die Einhaltung gesetzlicher Vorgaben bei diesen Systemen im Teilfernlichtbetrieb aufgrund von Blendung stark gefährdet.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe eines Scheinwerfers der eingangs genannten Art, der im Entwurfsstadium flexible und variable Änderungen einer zu erzeugenden Matrixlichtverteilung und gleichzeitig minimale Bedingungen an die Herstellbarkeit und Toleranzen stellt.
Von dem eingangs genannten Stand der Technik unterscheidet sich die vorliegende Erfindung dadurch, dass die Lichteintrittsflächen und die Lichtaustrittsflächen der Primäroptikteilbereiche Freiformflächen sind, wobei einander benachbarte Lichteintrittsflächen durch eine zwischen ihnen liegende scharfe erste Kante voneinander getrennt sind, einander benachbarte Lichtaustrittsflächen durch eine zwischen ihnen liegende zweite scharfe Kante voneinander getrennt sind, und wobei sich die wenigstens zwei Lichtaustrittsflächen von nicht am Anfang oder Ende einer Zeile liegenden Primäroptikteilbereichen in ihrer Form voneinander unterscheiden.
Dabei stellt das einstückige Primäroptikfeld ein wesentliches Element dar, das als primäres optisches Bauteil das Licht für die Sekundäroptik formt. Durch die spezielle Anordnung unterschiedlicher linsenförmiger Primäroptikteilbereiche in einem gemeinsamen, einstückigen Primäroptikfeld können diese geforderten Eigenschaften in einem äußerst robusten System verwirklicht werden.
Dadurch lassen sich mit einer vergleichsweise geringen Anzahl optischer Bauteile Matrix-Lichtverteilungen mit hoher Variabilität realisieren.
Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Sekundäroptik auf die Lichtaustrittsfläche der Primäroptikteilbereiche fokussiert angeordnet ist.
Dadurch wird die Lichtaustrittsfläche von der Sekundäroptik direkt als Scheinwerferlichtverteilung abgebildet. Die lokalen Intensitäten an der Lichtaustrittsfläche werden direkt auf die Straße abgebildet.
Bevorzugt ist auch, dass alle Lichtquellen in einer Ebene angeordnet sind und ihre Lichtaustrittsflächen der Sekundäroptik zugewandt sind.
Dadurch kann eine preiswerte und robuste ebene Leiterplatte zur Versorgung der Halbleiterlichtquelle mit elektrischer Energie und zur Steuerung der Halbleiterlichtquellen verwendet werden. Außerdem kann ein zusammenhängender Kühlkörper mit einer einfach herzustellenden ebenen Fläche zur Kühlung der Halbleiterlichtquellen verwendet werden.
Weiter ist bevorzugt, dass jeder Primäroptikteilbereich eine Freiformlinse bildet, in der Licht der Halbleiterlichtquelle, deren Hauptabstrahlrichtung durch die Lichteintrittsfläche und die Lichtaustrittsfläche des Primäroptikteilbereichs hindurch läuft, den Primäroptikteilbereich durchläuft ohne eine interne Totalreflexion zu erfahren und aus der Lichtaustrittsfläche austritt.
Als erwünschte Folge wird die optische Wirkung der somit als Linsen wirkenden Primäroptikteilbereiche von der Form der Lichteintrittsfläche, der Form der Lichtaustrittsfläche und dem Brechungsindex des transparenten Materials des Primäroptikfeldes determiniert. Die Primäroptikteilbereiche sind bevorzugt beidseitig gewölbt und bilden damit jeweils bikonvexe Linsen. Seitliche Führungsflächen, an denen gezielt interne Totalreflexionen erfolgen könnten, sind nicht vorhanden. Als erwünschte Folge ergibt sich eine einfache Anpassbarkeit des Primäroptikfeldes im Entwurfsstadium des Scheinwerfers. Durch die Ausführung als bikonvexe Linsen, die in scharfen Kanten aneinander angrenzen, kann ein preiswert herzustellendes Spritzgusswerkzeug für die Herstellung des Primäroptikfeldes verwendet werden. Das Negativ der scharfen Kante entsteht gewissermaßen von selbst beim Fräsen des Spritzgussformteils. Es ergibt sich damit eine Kostenersparnis durch geringere Werkzeugkosten.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die optischen Flächen (d.h. der Lichteintrittsflächen und der Lichtaustrittsflächen) der Primäroptikteilbereiche in der quer zu ihrer optischen Achse liegenden Zeilenrichtung nicht alle die gleiche Breite aufweisen. Es ist insbesondere vorteilhaft, im zentralen Bereich der Zeile kleinere Primäroptikteilbereiche vorzusehen als in den äußeren Randbereichen. Da jeder Primäroptikteilbereich bevorzugt Licht von genau einer Halbleiterlichtquelle umformt und die Halbleiterlichtquellen bevorzugt untereinander gleich sind, wird damit eine größere Helligkeit und bessere Auflösung der Lichtverteilung in deren zentralem Bereich erzielt. Gleichzeitig kann bei entsprechender Ausgestaltung der äußeren Primäroptikteilbereiche ein erwünscht kleiner Helligkeitsgradient in den außen liegenden Bereichen der Lichtverteilung erzielt werden.
Bevorzugt ist auch, dass die Lichteintrittsflächen und die Lichtaustrittsflächen der Primäroptikteilbereiche in der quer zu ihrer optischen Achse und quer zur Zeilenrichtung liegenden Richtung nicht alle die gleiche Höhe aufweisen. Da die Lichtaustrittsflächen als Bestandteile der Lichtverteilung abgebildet werden, ergibt sich durch diese Ausgestaltung die Möglichkeit, die Höhe der Lichtverteilung entlang ihrer Breite zu variieren.
Weiter ist bevorzugt, dass das Primäroptikfeld asymmetrische Primäroptikteilbereiche aufweist. Dies kann z.B. zur Erzeugung eines erwünscht kleinen Helligkeitsgradienten an den seitlichen Rändern der Lichtverteilung des Scheinwerfers dienen.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass das einstückige Primäroptikfeld einzeilig ist. Eine einzeilige Ausführung eignet sich besonders zur Erzeugung einer Fernlichtverteilung und/oder einer Teilfernlichtverteilung.
Bevorzugt ist auch, dass das Primäroptikfeld mehrzeilig ist. Diese Ausgestaltung eignet sich besonders zur Erzeugung von Abblendlichtverteilungen und Fernlicht- oder Teilfernlichtverteilungen.
Weiter ist bevorzugt, dass das Primäroptikfeld einen zweizeiligen Bereich und einen einzeiligen Bereich aufweist, und dass sich der zweizeilige Bereich in der Zeilenrichtung nur über einen Teil der in Zeilenrichtung liegenden Länge des einzeiligen Bereichs erstreckt.
Auf diese Weise kann mit einer vergleichsweise geringen Anzahl Lichtquellen eine feine Auflösung der Segmente im Zentrum und gleichzeitig dennoch eine hohe Breite der Gesamtlichtverteilung gewährleistet werden, indem im Außenbereich breiter werdende Segmente angeordnet werden. Diese Merkmale tragen vorteilhafterweise alle zu einem reduzierten Entwicklungsaufwand beim Design der optischen Flächen und zu einem hohen Maß an Flexibilität bei der Anpassung an Anforderungen der Automobilhersteller bei.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass das Primäroptikfeld auf seiner Lichteintrittsfläche wenigstens eine aus der Lichteintrittsfläche in der Richtung der optischen Achsen der Primäroptikteilbereiche herausragende und zwischen den Zeilen in Zeilenrichtung verlaufende Rippe aufweist.
Durch eine solche Rippe kann ein unerwünschtes Übersprechen von einem Primäroptikteilbereich in einen benachbarten Primäroptikteilbereich vermieden werden.
Bevorzugt ist auch, dass die Breite und/oder Höhe der Primäroptikteilbereiche im Bereich von 0,5 bis 10 Millimetern liegt.
Weiter ist bevorzugt, dass die Länge des gesamten Primäroptikfeldes in der Zeilenrichtung zwischen 10 und 100 Millimetern liegt.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass das Primäroptikfeld ein Bestandteil eines einstückigen Bauteils ist, das außer dem Primäroptikfeld eine Befestigungsstrukturen und/oder Referenzstrukturen aufweisende Rahmenstruktur aufweist. Durch diese Ausgestaltung wird die Zahl der benötigten Teile minimiert. Die Reduzierung der Zahl der Bauteile trägt zu einer Kostenersparnis bei und erleichtert die Herstellung durch den Wegfall von Justageschritten. Vorteilhafterweise ergibt sich ein hinsichtlich mechanischer (Positionier-)Toleranzen robustes, d.h.unempfindliches Gesamtsystem.
Bevorzugt ist auch, dass das einstückige Bauteil aus PMMA oder PC besteht.
Aufgrund der aus fertigungstechnischer Sicht sehr gut herstellbaren Krümmungen und Geometrien ist diese Art von Primäroptiken aus konventionellen Kunststoffen wie PMMI und PC herstellbar und erlaubt einen Verzicht auf die Verwendung eines teureren und schwieriger zu verarbeitenden Werkstoffs wie Silikon.
Ebenso lassen sich aufgrund des einfachen Aufbaus des Primäroptikbauteils Korrekturen im zu dessen Herstellung dienenden Spritzgusswerkzeug leicht durchführen. Weiterhin ist die Montage des Primäroptikbauteils sehr einfach und präzise möglich, beispielsweise durch entsprechende Anschraubpunkte in einer Rahmengeometrie. Im Vergleich zu silikonbasierten und totalreflektierenden Einkoppelstrukturen aufweisenden Vorsatzoptiken, erspart dies eine filigrane Halterung mittels zusätzlicher Bauteile sowie eine aufwändige Ausrichtung der Lichtleiter dieser totalreflektierenden Einkoppelstrukturen zu den Halbleiterlichtquellen.
Nicht zuletzt kann ein solches Matrix-System lediglich durch Ändern der einzelnen Linsenelemente innerhalb der Vorsatzoptik an neue Kundenanforderungen angepasst werden, ohne eine Vielzahl von Bauteilen zeit- und kostenintensiv überarbeiten zu müssen.
Insgesamt ergeben sich durch die Erfindung in Verbindung mit den verschiedenen Ausgestaltungen mannigfaltige Vorteile, insbesondere eine hohe Variabilität der Matrixlichtverteilungen in Bezug auf unterschiedliche Auflösungen und Segmentbreiten innerhalb der Lichtverteilung. Die Erfindung ist sowohl in Projektionssystemen als auch in Reflexionssystemen verwendbar. Das Primäroptikfeld bietet die Möglichkeit eines flexiblen Designs von Matrixlichtverteilungen hinsichtlich der Zahl ihrer Segmente, der Zeilenzahl (einoder mehrzeilig), der Ausdehnung der Einzelsegmente sowie der Breite der Gesamtlichtverteilung. Die Komplexität der Auslegung und Herstellung der Vorsatzoptik ist gegenüber dem Stand der Technik erheblich reduziert. Die Anforderung an die laterale Ausdehnung der Matrix-Lichtverteilung wird mit nur einem Bauteil sehr gut erzeugt, indem geeignete Einzellinsen entsprechender Segmentbreite nebeneinander angeordnet werden, um eine hinreichende Breite der Vorsatzoptik zu erreichen. Das Primäroptikfeld führt in Verbindung mit einer Projektionslinse als Sekundäroptik, aufgrund von nur zwei optischen Bauteilen, zu einem robusten System, das sehr geringe Forderungen an Fertigungstoleranzen stellt. Eine aufwändige Justage der optischen Komponenten (Primäroptikfeld und Sekundäroptik) zueinander ist nicht notwendig. Die Erfindung ist zur Erzeugung einzelner Lichtverteilungsarten (Mono-Funktion, einzeilig, Fernlichtfunktion) und mehrerer Lichtverteilungsarten (Bi-Funktion, mehrzeilig, bspw. Kombination aus Abblend- und Fernlichtfunktionen) nutzbar. Bei einer Bi-Funktion trägt ein Teil der Segmente zum Abblendlicht bei. Diese Segmente sind üblicherweise im unteren Bereich der Lichtverteilung angeordnet. Die restlichen, weiter oben angeordneten Segmente bilden die Matrix-Lichtverteilung für eine Teilfernlichtfunktion und eine Fernlichtfunktion aus. Durch das erfindungsgemäß einstückige Primäroptikfeld können ggf. weitere optische Komponenten entfallen und so erhebliche Kosten eingespart werden. Die Komplexität des Gesamtsystems sinkt.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren jeweils gleiche oder zumindest ihrer Funktion nach vergleichbare Elemente. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:

Figur 1 einen Ausschnitt aus einem einzeiligen Primäroptikfeld eines erfindungsgemäßen Scheinwerfers;
Figur 2 einen Ausschnitt aus einem zweizeiligen Primäroptikfeld eines erfindungsgemäßen Scheinwerfers;
Figur 3 einen Ausschnitt aus einer Lichtaustrittsfläche eines abschnittsweise einzeiligen und zweizeiligen Primäroptikfeldes;
Figur 4 einen Ausschnitt aus einer Lichteintrittsfläche eines abschnittsweise einzeiligen und zweizeiligen Primäroptikfeldes;
Figur 5 eine schematische Darstellung einer Anregung einer nicht eingeschalteten Halbleiterlichtquelle einer ersten Zeile durch eine benachbarte Halbleiterlichtquelle einer zweiten Zeile und an einer Lichteintrittsfläche auftretenden Reflexionen;
Figur 6a eine schematische Darstellung einer Anregung einer nicht eingeschalteten Halbleiterlichtquelle einer ersten Zeile durch eine benachbarte Halbleiterlichtquelle einer zweiten Zeile und an einer Lichtaustrittsfläche auftretenden Reflexionen;
Figur 6b eine Anordnung von Halbleiterlichtquellen, einem einstückigen Primäroptikfeld und einer Sekundäroptik;
Figur 7 ein Beispiel einer zusätzlichen, zwischen zwei Zeilen verlaufenden Rippe;
Figur 8 ein Ausführungsbeispiel eines Primäroptikbauteils mit einem zweizeiligen Primäroptikfeld;
Figur 9 ein Ausführungsbeispiel eines Primäroptikbauteils mit einem einzeiligen Primäroptikfeld;
Figur 10 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugscheinwerfers in bestimmungsgemäßer Lage in einem Horizontalschnitt einen Horizontalschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Scheinwerfers;
Figuren 11 bis 14 Darstellungen einzeiliger und zweizeiliger Matrix-Lichtverteilungen, wie sie mit Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Scheinwerfer erzeugbar sind;
Figur 15 ein einstückiges Primäroptikfeld, das einen mehrzeiligen Bereich und einen einzeiligen Bereich aufweist; und
Figur 16 einen Vertikalschnitt durch einen ohne Gehäuse und Abdeckscheibe dargestellten erfindungsgemäßen Scheinwerfer.

Im Einzelnen zeigt die Figur 1 einen Ausschnitt aus einem einzeiligen Primäroptikfeld 10. Das Primäroptikfeld 10 weist einzelne Primäroptikteilbereiche 12 auf. Die Primäroptikteilbereiche 12 besitzen jeweils eine konvex gewölbte Lichteintrittsfläche (in der Figur 1 verdeckt) und eine konvex gewölbte Lichtaustrittsfläche 14. Jeder Primäroptikteilbereich 12 bildet eine bi-konvexe Linse. Jeweils einem Primäroptikteilbereich 12 ist eine in der Figur 1 nicht dargestellte Halbleiterlichtquelle zugeordnet. Jedes Paar aus jeweils einer Halbleiterlichtquelle und einem Primäroptikteilbereich 12 erzeugt jeweils ein Segment in der Lichtverteilung einer insgesamt von einem Scheinwerfer erzeugten Lichtverteilung. Diese Segmente können sich in ihren Eigenschaften, wie Breite und Höhe, voneinander unterscheiden. Diese Unterschiede werden dadurch erzeugt, dass die optischen Flächen der Primäroptikteilbereiche 12, also die Lichteintrittsflächen und die Lichtaustrittsflächen 14, sich von Primäroptikteilbereich 12 zu Primäroptikteilbereich 12 unterscheiden. Dabei werden die optischen Flächen der Einzellinsen separat schmaler oder breiter (Segmentbreite) und niedriger oder höher (Segmenthöhe) ausgestaltet. In der Figur 1 werden die Primäroptikteilbereiche 12 von links nach rechts (entgegengesetzt zur y-Richtung) schmaler, während sich ihre Höhe (in z-Richtung) nicht ändert.
Typischerweise sind diese Einzelsegmente in der Lichtverteilung in z-Richtung zwischen 1° und 10° hoch, können aber auch eine geringere oder größere Höhe aufweisen. Dies gilt ebenso für die Breite der Segmente (in y-Richtung).
Die optischen Flächen der Primäroptikteilbereiche 12 sind einfache Freiformflächen, die so berechnet sind, dass sie die gewünschten Segmente im Zusammenwirken mit der Sekundäroptik ohne Verwendung weiterer optischer Elemente, insbesondere ohne Verwendung einer abschattenden Blende erzeugen. Die optischen Flächen können zum Beispiel Asphären oder andere Linsenflächen sein, die den Intensitätsverlauf innerhalb der Segmente der Lichtverteilung determinieren. Üblicherweise zeigt der Intensitätsverlauf innerhalb der Segmente eine Konzentration des Lichts zum Horizont hin, während die Intensität nach oben und unten gezielt abnimmt.
Die Breiten der optischen Flächen, z.B. der Lichteintrittsflächen 26, in der Zeilenrichtung und die Höhe dieser optischen Flächen quer zur Zeilenrichtung (y-Richtung) und quer zur optischen Achse (x-Richtung) der Primäroptikteilbereiche betragen bevorzugt zwischen 1mm und 10mm, können aber auch geringere oder größere Werte besitzen.
Wird eine reine Fernlichtfunktion angestrebt, so lassen sich die Primäroptikteilbereiche 12 der LEDs in einer einzelnen Zeile nebeneinander anordnen, wie es in der Figur 1 dargestellt ist. Die zugehörigen Primäroptikteilbereiche 12 werden dabei derart miteinander verschnitten, dass sie durch zwischen ihnen verlaufenden scharfen Kanten 16 begrenzt werden. Zwischen ihnen liegen insbesondere keine Stufen oder Radien aufweisende Hohlkehlen. Diese scharfkantigen Begrenzungen sind für die Funktion des Scheinwerfers von wesentlicher Bedeutung.
Die Primäroptikteilbereiche 12 können asymmetrisch ausgeführt sein, so dass ein von einem Primäroptikteilbereich 12 erzeugtes Segment der Lichtverteilung nach rechts und links und/oder nach oben und unten eine unterschiedliche laterale Ausdehnung besitzt. Eine volle Fernlichtverteilung ergibt sich zum Beispiel durch Einschalten einer zusammenhängenden Teilmenge der zugehörigen Halbleiterlichtquellen (LEDs). Eine Teilfernlichtverteilung ergibt sich daraus, wenn einzelne Halbleiterlichtquellen der Teilmenge gedimmt oder abgeschaltet werden, wodurch zugehörige Segmente der resultierenden Lichtverteilung des Scheinwerfers weniger hell oder nicht beleuchtet werden.
Figur 2 zeigt ein mehrzeiliges Primäroptikfeld 10. Ein solches Primäroptikfeld 10 eröffnet die Möglichkeit, sowohl eine Abblendlichtverteilung als auch eine Fernlichtverteilung und Teilfernlichtverteilung zu erzeugen. Dabei erzeugt eine gewisse Anzahl von Primäroptikteilbereichen 12.1 der einen Zeile 18 des Primäroptikfeldes 10 zusammen mit den zugehörigen Halbleiterlichtquellen eine Abblendlichtverteilung. Die übrigen Halbleiterlichtquellen werden nur im Fernlichtbetrieb oder Teilfernlichtbetrieb zusätzlich eingesetzt.
Figur 2 zeigt am Beispiel eines einzelnen Primäroptikteilbereichs auch, wie ein solcher Primäroptikteilbereich 12 durch scharfe Kanten 16 begrenzt wird. Diese Kanten 16 sind jeweils durchgehend konvex gekrümmt. Die quer über die Lichtaustrittsfläche 14 dieses Primäroptikteilbereichs 12 laufende Linie 17 weist dagegen lokal konvexe Abschnitte und lokal konkave Abschnitte auf. Dies ergibt sich daraus, dass die Primäroptikteilbereiche keine einfachen Linsen aufweisen (die jeweils einen lichteintrittsseitigen und einen lichtaustrittsseitigen Brennpunkt aufweisen), sondern dass die Primäroptikteilbereiche 12 miteinander verschnittene und durch Freiformflächen begrenzte und kissenförmig-beidseitig gewölbte Teilbereiche des Primäroptikfeldes 10 sind. Die teilweise konvexen und teilweise konkaven Begrenzungslinien können in y-Richtung und in z-Richtung und in jeder dazwischen liegenden Richtung über die Lichtaustrittsfläche und/oder die Lichteintrittsfläche des Primäroptikteilbereichs laufen. Die Lichtaustrittsflächen werden durch eine Sekundäroptik direkt abgebildet, ohne dass das von den Lichtaustrittsflächen ausgehende Licht der Lichtquellen durch eine zusätzliche Blende geformt wird. Die Freiformflächen, welche die Primäroptikteilbereiche begrenzen, sind gerade so geformt, dass sie ein Urbild eines Segmentes der Lichtverteilung formen, das von der Sekundäroptik projiziert wird.
Sowohl die einzeiligen als auch die zweizeiligen Primäroptikfelder 10 ermöglichen einen Teilfernlichtbetrieb als sogenanntes Matrix-Fernlicht, bei dem einzelne Segmente oder Pixel der Lichtverteilung des Scheinwerfers gezielt mehr oder weniger hell beleuchtbar sind. Durch geschickte Ansteuerung der einzelnen Lichtquellen ist bei ausreichender horizontaler Breite der Lichtverteilung des Scheinwerfers auch ein Mechanik freies Schwenken einer Abblendlichtverteilung oder einer Fernlichtverteilung mit einem solchen zweizeiligen Primäroptikfeld möglich. Dazu werden in Zeilenrichtung zusammenhängend angeordnete Gruppen von Halbleiterlichtquellen sequentiell so angesteuert, dass die aktiv leuchtende Lichtaustrittsfläche des Primäroptikfeldes nach rechts oder links lateral verschoben wird.
Um zum Beispiel aus Kostengründen die Anzahl der zu verwendenden Halbleiterlichtquellen zu verringern, kann das Primäroptikfeld einen zweizeiligen Bereich und einen einzeiligen Bereich aufweisen, wobei sich der zweizeilige Bereich in der Zeilenrichtung nur über einen Teil der in Zeilenrichtung liegenden Länge des einzeiligen Bereichs erstreckt. Auf diese Weise kann mit einer vergleichsweise geringen Zahl von Halbleiterlichtquellen eine hohe (feine) Auflösung der Segmente im Zentrum der resultierenden Lichtverteilung und gleichzeitig eine große Breite der resultierenden Lichtverteilung erzielt werden, wenn im äußeren Bereich der Zeile(n) breiter werdende Primäroptikteilbereiche und damit breiter werdende Segments angeordnet sind.
Figur 3 zeigt einen Ausschnitt aus einer Lichtaustrittsfläche 14 eines zweizeiligen Primäroptikfeldes 10 und Figur 4 zeigt einen dazu korrespondierenden Ausschnitt einer Lichteintrittsfläche 26. Beide Figuren verdeutlichen mit dem Übergang zwischen einem zweizeiligen Teilbereich und einem einzeiligen Teilbereich, bei dem die quer zur Zeilenrichtung liegende Höhe (in z-Richtung) des Primäroptikteilbereichs 12.3 des einzeiligen Teilbereichs größer als die Höhe der Primäroptikteilbereiche im zweizeiligen Teil, aber kleiner als die Höhe der Summe beider Zeilen 18, 20 ist, die Flexibilität der Gestaltung des Primäroptikfeldes 10 erfindungsgemäßer Scheinwerfer.
In einer besonderen Ausführungsform ist die Zeile 20 so ausgeführt, dass nach unten eine spezielle Kontur besteht, die durch die Abbildung durch die Projektionslinse eine Abnahme der Helligkeit des Fernlichts nach oben gewährleistet. Eine Ebene, die parallel zur X-Z-Ebene ist, und die die optische Achse einer Linse enthält, erreicht mit der Linsenzeile 20 eine Schnittkurve, deren lokaler Radius nach unten zunimmt. Der Radius der Lichteintrittsseite einer Linse in der Fernlichtzeile ist größer als der Radius auf der Lichteintrittsseite der ersten Zeile 18. Damit der Helligkeitsauslauf nach oben sanft ausläuft, werden die unteren Teilflächen der Linsenzeile 20 soweit heruntergezogen, bis sich die Vorderseite und die Rückseite der Linse schneiden. (erkennbar in Fig. 3 unterhalb des Linsenelements 12.3 und beim Linsenelement 12.3 selbst). So können die nach oben ausgedehnten Fernlichtteilbereiche der Figuren 11-14 erzeugt werden.
In Bezug auf eine Einhaltung gesetzlicher Vorgaben von Matrix-Systemen in Teilfernlichtanwendungen ist eine Vermeidung von Streulicht von wesentlicher Bedeutung. Um eine Blendung entgegenkommender und vorausfahrender Verkehrsteilnehmer zu vermeiden, muss das sogenannte Übersprechen verhindert werden. Unter einem Übersprechen wird hier das Auftreten von Streulicht in einem Segment der Lichtverteilung verstanden, dessen zugehörige Lichtquelle gedimmt oder ausgeschaltet ist, wobei diese Lichtquelle durch von benachbarten Lichtquellen ausgehendes Streulicht zu einem Leuchten angeregt wird, mit dem Licht unerwünscht in ein Segment fällt, das dunkel sein soll.
Dabei kann Streulicht verschiedene Ursachen haben. Zum einen kann Licht einer Halbleiterlichtquelle, welches in einen zugehörigen Primäroptikteilbereich einkoppelt, durch Streuung in einen benachbarten Primäroptikteilbereich gelangen. Zum anderen können zwischen benachbarten Primäroptikteilbereichen liegende Hohlkehlen und Stufen als streuende bzw. fehlerhaft abbildende Objekte wirken, welche Streulicht in beliebigen Bereichen der Lichtverteilung verursachen können. Um diese Streulichtbeiträge zu minimieren, ist das erfindungsgemäße Design des Primäroptikfeldes 10 mit den scharfkantigen Begrenzungen der Primäroptikteilbereiche wesentlich.
Ein weiterer wichtiger Aspekt zur Vermeidung von Streulicht stellt die Vermeidung einer Anregung nicht eingeschalteter Halbleiterlichtquellen durch von benachbarten Lichtquellen her unerwünscht einfallendes Licht dar.
Figur 5 zeigt eine Anregung einer nicht eingeschalteten Halbleiterlichtquelle 22.1 eines Primäroptikteilbereichs 12.1 einer ersten Zeile durch eine eingeschaltete benachbarte Halbleiterlichtquelle 22.2 eines Primäroptikteilbereichs 12.2 einer zweiten Zeile und an Lichteintrittsflächen 26 der zugehörigen Primäroptikteilbereiche 12.1, 12.2 auftretende Reflexionen. Durch Licht 28 eingeschalteter Halbleiterlichtquellen kann eine Phosphorschicht benachbarter Halbleiterlichtquellen zum unerwünschten Leuchten (Fluoreszenz) angeregt werden.
Figur 6a zeigt eine Anregung einer nicht eingeschalteten Halbleiterlichtquelle 22.1 eines Primäroptikteilbereichs 12.1 einer ersten Zeile durch Licht 28 einer eingeschalteten benachbarten Halbleiterlichtquelle 22.2 eines Primäroptikteilbereichs 12.2 einer zweiten Zeile und an einer Lichtaustrittsfläche 14 der Primäroptikteilbereiche auftretende Reflexionen.
Sowohl für die Figur 5 als auch für die Figur 6a gilt, dass eine angeregte Halbleiterlichtquelle ihrerseits unerwünscht ein Segment der Lichtverteilung beleuchtet, das dunkel sein soll.
Figur 6b zeigt rein schematisch und abweichend von den tatsächlichen Größenverhältnissen eine Anordnung von Halbleiterlichtquellen 22, einem einstückigen Primäroptikfeld 10 und einer Sekundäroptik 48 zusammen mit drei verschieden Strahlengängen 100, 102, 104. Tatsächlich ist der Abstand (Objektweite) der Halbleiterlichtquellen 22 zu den ihnen zugewandten Lichteintrittsflächen des Primäroptikfeldes relativ klein. Um das Licht der Halbleiterlichtquellen 22 auf die Sekundäroptik 48 zu richten, weisen die Primäroptikteilbereiche 12 lichteintrittsseitig und lichtaustrittsseitig bei der kleinen Objektweite eine deutliche Flächenkrümmung auf und werden mit den scharfen Kanten 16 entlang etwa gerader Linien verschnitten. Durch diese geometrischen Relationen fallen im Wesentlichen durch einen bestimmten Primärteilbereich 12 nur die Strahlen 100 auf die Sekundäroptik, die von der diesem Primäroptikteilbereich 12 zugehörigen Halbleiterlichtquelle 52 kommen. Strahlen 102, die von einer Halbleiterlichtquelle 22 auf einen anderen, nicht zu dieser Halbleiterlichtquelle zugehörigen Primäroptikbereich fallen, verpassen die Sekundäroptik und tragen somit nicht zur Lichtverteilung bei.
Die einzelnen Teillichtverteilungen der verschiedenen Halbleiterlichtquellen-Kanäle aus je einer Halbleiterlichtquelle und einem zugehörigen Primäroptikteilbereich lassen sich somit unabhängig voneinander aktivieren und deaktivieren. Die Kanäle benachbarter Halbleiterlichtquellen 22 und somit benachbarter Primäroptikteilbereiche 12 grenzen direkt aneinander und damit grenzen auch die Lichtverteilungen direkt aneinander und können sich ggfs. auch geringfügig am jeweiligen Rand überlappen. Durch zusätzliche Strukturen auf der Projektionslinse kann eine Homogenisierung der Einzellichtverteilungen und deren Übergänge bewirkt werden. Streustrahlen 104 einer Lichtquelle 22 werden an der scharfen Kante 16 und aufgrund des schrägen Einfalls und der ausgeprägten Krümmung der Lichteintrittsflächen benachbarter Primäroptikteilbereiche daran gehindert, auf benachbarte Halbleiterlichtquellen einzufallen diese, wenn sie ausgeschaltet sind, zum Mitleuchten anzuregen. Der unerwünschte Mitleuchteffekt wird dadurch wirksam reduziert.
Weiterhin können auch Strahlen, die durch die Eintrittsfläche der Primäroptik in die Primäroptik eingetreten sind dort durch Totalreflexion störend in Nachbarkanäle eintreten. Diese Möglichkeit wird ebenfalls durch die scharfen Übergangskanten und ausgeprägte Krümmung der Flächen reduziert.
Geeignete Werte oder Verhältnisse von Werten von Abmessungen und Abständen werden weiter unten unter Bezug auf die Figur 16 angegeben.
Um unerwünschte Streulichtbeiträge durch solche Rückreflexe zu minimieren, kann eine zusätzliche, zwischen zwei Zeilen verlaufende Rippe 30 verwendet werden, wie sie in der Figur 7 dargestellt ist. Eine solche Rippe 30 ragt aus der Lichteintrittsfläche 26 des Primäroptikfeldes 10 heraus und verläuft in Zeilenrichtung y am Übergang zwischen einander benachbarten Primäroptikteilbereichen 12.1, 12.2 von zwei Zeilen. Dabei erstreckt sie sich in Zeilenrichtung y über mehrere Primäroptikteilbereiche hinweg. Die Höhe der Rippe 30 in Richtung der optischen Achse (x-Richtung) der Primäroptikteilbereiche liegt bevorzugt unter einem Millimeter, kann aber auch wesentlich größer oder kleiner sein, um einen negativen Einfluss auf die abbildenden Eigenschaften der Primäroptikteilbereiche zu vermeiden. Die Tiefe dieser Rippe 30 in einer quer zur Zeilenrichtung (y-Richtung) und quer zu ihrer Höhe (x-Richtung) liegenden Richtung (z-Richtung) ist so zu dimensionieren, dass der Strahlengang von zurückreflektiertem Licht nicht auf der Phosporschicht von Halbleiterlichtquellen endet.
Neben der hohen Variabilität und Flexibilität in der Ausgestaltung von zu erzeugenden Segmenten einer Lichtverteilung besitzt das bei der Erfindung verwendete Primäroptikfeld 10 auch den Vorteil einer einfachen Herstellbarkeit und den Vorteil einer großen Unempfindlichkeit in Bezug auf herstellungsbedingte Schwankungen von Abmessungen. Insbesondere ist eine Justage des Primäroptikfeldes 10 relativ zu einer als Sekundäroptik dienenden Projektionslinse für dieses robuste Matrix-System nicht notwendig. Lange Toleranzketten üblicher Systeme, die mehr optische und mechanische Bauteile aufweisen, entfallen.
Die typischen Abmessungen (Breite (in y-Richtung)/Höhe(in z-Richtung)) der als Einzellinsen wirkenden Primäroptikteilbereiche 12.1, 12.2 liegen im Bereich von 0,5 bis 10 Millimetern. Die zugehörigen Segmente innerhalb der Lichtverteilung weisen horizontale und vertikale Öffnungswinkel zwischen 1° und 10° auf. Typische Abmessungen des gesamten Primäroptikfeldes 10 liegen üblicherweise zwischen 10 und 100 Millimetern. Es sind jedoch auch Primäroptikfelder 10 mit geringeren oder größeren Abmessungen möglich.
Die damit generierte Gesamtlichtverteilung hat typischerweise eine horizontale Breite zwischen ±1° bis ±60° oder mehr, sowie eine vertikale Ausdehnung im Bereich von -5° bis +10°.
Figur 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Primäroptikbauteils 32 mit einem zweizeiligen Primäroptikfeld 10 und Figur 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Primäroptikbauteils 34 mit einem einzeiligen Primäroptikfeld 10. Beide Figuren 8, 9 zeigen das jeweilige Primäroptikfeld 10 als Bestandteil eines einstückigen, einfach aufgebauten Primäroptikbauteils 32, 34, das neben dem jeweiligen Primäroptikfeld 10 Anschraubpunkte 36 und ggf. noch zur Positionierung dienende Referenzstrukturen 38 in einer Rahmenstruktur 40 aufweist. Dadurch ergibt sich eine einfache und präzise Montierbarkeit des Primäroptikbauteils 32, 34. Aus diesem Linsendesign resultiert auch die Ausführung des Primärlinsenarrays in Figur 8 bei dem die Rahmenstruktur nur oberhalb des Linsenarrays verläuft, während beim einzeiligen Primäroptikbauteil die Rahmenstruktur die Linsenzeile umschließen kann (Figur 9).
Figur 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugscheinwerfers 42 in bestimmungsgemäßer Lage in einem Horizontalschnitt. Der Scheinwerfer 42 weist ein Gehäuse 44 auf, dessen Lichtaustrittsöffnung von einer transparenten Abdeckscheibe 46 abgedeckt wird. Im Inneren des Gehäuses 44 ist eine Mehrzahl von Halbleiterlichtquellen 22, zum Beispiel LEDs, ein einstückiges Primäroptikfeld 10 und eine Sekundäroptik 48 angeordnet. Die Sekundäroptik 48 ist zum Beispiel eine Zylinderlinse, die in der x-z-Ebene einen sammelnd wirkend Querschnitt, zum Beispiel einen plan-konvexen oder bikonvexen Querschnitt aufweist.
Die Halbleiterlichtquellen 22 sind in wenigstens einer Zeile 50 und bevorzugt alle in einer Ebene angeordnet, so dass sie auf einer ebenen Platine 52 angeordnet sein können. Ihre Lichtaustrittsflächen 54 sind der Sekundäroptik 48 zugewandt. Das einstückige Primäroptikfeld 10 weist für jede Halbleiterlichtquelle 22 einen Primäroptikteilbereich 12 auf, wobei die Primäroptikteilbereiche 12 ebenfalls in wenigstens einer Zeile angeordnet sind. Die Halbleiterlichtquellen 22 sind in Bezug auf das Primäroptikfeld 10 so angeordnet, dass jeder Primäroptikteilbereich 12 einer Halbleiterlichtquelle 22 gegenüberliegt. Jeder Primäroptikteilbereich 12 weist eine seiner Halbleiterlichtquelle 22 zugewandte Lichteintrittsfläche 26 und eine der Sekundäroptik 48 zugewandte Lichtaustrittsfläche 14 auf. Durch die Lichteintrittsfläche 26 und die Lichtaustrittsfläche 14 jeweils eines Primäroptikteilbereiches verläuft genau eine Hauptabstrahlrichtung 56 genau einer Halbleiterlichtquelle 22.
Die Sekundäroptik 48 ist durch ihre lichtumlenkenden Eigenschaften und ihre Anordnung dazu eingerichtet, die Lichtaustrittsflächen 14 der Primäroptikteilbereiche 12 in einer Lichtverteilung des Scheinwerfers 42 abzubilden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Sekundäroptik 48 eine Projektionslinse die auf die Lichtaustrittsflächen der Primäroptikteilbereiche und damit auf die Lichtaustrittsfläche des Primäroptikfeldes fokussiert angeordnet ist. Die lichtumlenkenden Eigenschaften ergeben sich in diesem Beispiel durch die Form, die Brechzahl und die Anordnung der Projektionslinse im Raum.
Die Lichteintrittsflächen 26 und die Lichtaustrittsflächen 14 der Primäroptikteilbereiche sind Freiformflächen. Einander benachbarte Lichteintrittsflächen sind durch eine zwischen ihnen liegende scharfe erste Kante 16.1 voneinander getrennt. Einander benachbarte Lichtaustrittsflächen sind durch eine zwischen ihnen liegende zweite scharfe Kante 16.2 voneinander getrennt. Wenigstens zwei Lichtaustrittsflächen von nicht am Anfang oder Ende einer Zeile liegenden Primäroptikteilbereichen 12 unterscheiden sich in ihrer Form voneinander.
Jeder Primäroptikteilbereich 12 bildet eine Freiformlinse, in der Licht der Halbleiterlichtquelle 22, deren Hauptabstrahlrichtung 56 durch die Lichteintrittsfläche und die Lichtaustrittsfläche des Primäroptikteilbereichs 12 hindurch läuft, den Primäroptikteilbereich 12 ohne eine interne Totalreflexion zu erfahren durchläuft.
Die Figuren 11 bis 14 zeigen einzeilige und zweizeilige Matrix-Lichtverteilungen, wie sie mit Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Scheinwerfer 42 erzeugbar sind. Jedes Matrixelement stellt einen Pixel in der Gesamtlichtverteilung dar. Die horizontale 0°-Linie gibt die Lage des Horizonts bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung der Erfindung in einem Straßenkraftfahrzeug an.
Die Vertikale V schneidet den Horizont in einem zentralen Punkt vor dem Kraftfahrzeug.
Die Figuren 11 und 12 zeigen Beispiele von Fernlichtverteilungen, die mit demselben Scheinwerfer erzeugbar sind. Das dabei verwendete Primäroptikfeld ist in diesem Fall ein einzeiliges Primäroptikfeld. Figur 11 zeigt eine Fernlichtverteilung, die sich aus Segmenten unterschiedlicher Breite zusammensetzt und bei der links und einige Segmente abgedunkelt sind. Die Segmentbreite variiert zwischen 1,5° im Zentrum und 3° am rechten Rand. Dies sorgt für eine breite Ausleuchtung des rechten Randes und gleichzeitig für einen sanften Übergang von Hell nach Dunkel, wenn die Segmente mit gleichen Lichtquellen beleuchtet werden. Mit der Lichtverteilung aus der Figur 11 wird zum Beispiel der Straßenverlauf einer Rechtskurve mit einer Fernlichtverteilung ausgeleuchtet. Es versteht sich, dass die Segmentbreiten und Höhen auch andere Werte besitzen können und dass die in den Figuren dargestellten Werte nur Beispiele darstellen.
Figur 12 zeigt eine mit derselben Zeile erzeugte Lichtverteilung, bei der im Vergleich zur Figur 11 links weitere Segmente beleuchtet werden und rechts weitere Segmente abgeschaltet sind. Dadurch wird die Aufmerksamkeit des Fahrers intuitiv auf einen schmalen zentralen Bereich konzentriert.
Die Figuren 13 und 14 zeigen Beispiele von Fernlichtverteilungen, die mit einem anderen Scheinwerfer erzeugbar sind. Das dabei jeweils verwendete Primäroptikfeld ist ein in der Mitte zweizeiliges und am rechten und linken Rand jeweils einzeiliges Primäroptikfeld.
Figur 13 zeigt eine breite Fernlichtverteilung für eine Rechtskurve. Diese Lichtverteilung weist auf ihrer rechten Seite ein breites Abblendlichtsegment und ein darüber liegendes und genauso breites Fernlichtsegment auf. Diese Segmente werden jeweils durch zwei LEDs beleuchtet, während die anderen Segmente von jeweils einer LED beleuchtet werden. Auf der linken Seite ist ein Abblendlichtsegment beleuchtet, und ein darüber liegendes Fernlichtsegment ist abgedunkelt. Die Beleuchtung mit mehreren LEDs eröffnet weitere Möglichkeiten der Gestaltung von Lichtverteilungen, indem zum Beispiel nur eine von beiden Lichtquellen betrieben wird oder beide Lichtquellen gemeinsam betrieben werden.
Figur 14 zeigt eine nach rechts und links symmetrisch breite Fernlichtverteilung. Durch Abschalten der LEDs der oberen Zeile (Fernlichtzeile) und der beiden Randsegmente wird daraus eine Abblendlichtverteilung.
Diese schematischen Darstellungen einzeiliger und zweizeiliger Matrix-Lichtverteilungen mit unterschiedlicher Pixelzahl, unterschiedlicher Aufteilung der Segmente und Erstreckung der jeweiligen Gesamtlichtverteilung verdeutlicht, dass mit der hier vorgestellten Erfindung eine hoch flexible Gestaltung von Matrix-Lichtverteilungen möglich ist.
Figur 15 zeigt stark schematisiert ein einstückiges Primäroptikfeld 10, das einen mehrzeiligen Bereich 108 und einen einzeiligen Bereich 106 aufweist und das sich in Zeilenrichtung über eine Gesamtlänge L erstreckt. Wenigstens einer der beiden Bereiche erstreckt sich in der Zeilenrichtung über eine Länge 1, die kleiner als die Gesamtlänge L ist.
Figur 16 zeigt einen Vertikalschnitt durch einen ohne Gehäuse und Abdeckscheibe dargestellten erfindungsgemäßen Scheinwerfer. Der Scheinwerfer weist eine Mehrzahl von Halbleiterlichtquellen 22, ein einstückiges Primäroptikfeld 10 und eine Sekundäroptik 48 auf. Die Halbleiterlichtquellen 22 sind in diesem Ausführungsbeispiel in drei Zeilen angeordnet. Das einstückige Primäroptikfeld 10 weist für jede Halbleiterlichtquelle 22 einen Primäroptikteilbereich 12 auf, wobei die Primäroptikteilbereiche 12 ebenfalls in drei Zeilen angeordnet sind. Die Primäroptikteilbereiche 12 sind innerhalb jeder Zeile und auch von Zeile zu Zeile miteinander verschnitten, so dass die Primäroptikteilbereiche durch scharfe Kanten 16 voneinander getrennt sind.
Das Verhältnis der Objektweite 110 der Sekundäroptik 48 zur Objektweite 112 der Primäroptik 10 ist typischerweise 50, kann aber im Bereich von 35 bis 200 liegen, wobei der Abstand der Lichtquellen 22 zum einstückigen Primäroptikfeld 10 bevorzugt 0,5mm bis 1,5mm beträgt. Die Größe der Lichtaustrittsflächen der Lichtquellen 22 beträgt bevorzugt 0,5mm² bis 1,5mm². Die Länge des Primäroptikfeldes 10 in Zeilenrichtung (y-Richtung) beträgt bevorzugt 50mm bis 100mm. Die Breite/Höhe des Primäroptikfeldes 10 beträgt in z-Richtung bevorzugt 5mm bis 20mm. Die Länge der Sekundäroptik in Zeilenrichtung y beträgt bevorzugt 40mm bis 100mm. Die Breite/Höhe der Sekundäroptik beträgt in z-Richtung bevorzugt 15mm bis 50mm. Die Schnittweite, also der Abstand zwischen dem Primäroptikfeld 10 und der Sekundäroptik 48, beträgt bevorzugt 40mm bis 100mm.

Claims

Scheinwerfer (42) mit einer Mehrzahl von Halbleiterlichtquellen (22), einem einstückigen Primäroptikfeld (10) und einer Sekundäroptik (48), wobei jede Halbleiterlichtquelle (22) eine Hauptabstrahlrichtung (56) aufweist, wobei die Halbleiterlichtquellen (22) in wenigstens einer Zeile (18, 20; 50) angeordnet sind, wobei das einstückige Primäroptikfeld (10) für jede Halbleiterlichtquelle (22) einen Primäroptikteilbereich (12) aufweist, wobei die Primäroptikteilbereiche (12) ebenfalls in wenigstens einer Zeile angeordnet sind, wobei jeder Primäroptikteilbereich (12) eine einer Halbleiterlichtquelle (22) zugewandte Lichteintrittsfläche (26) und eine der Sekundäroptik (48) zugewandte Lichtaustrittsfläche (14) aufweist, wobei durch die Lichteintrittsfläche (26) und die Lichtaustrittsfläche (14) jeweils eines Primäroptikteilbereiches (12) genau eine Hauptabstrahlrichtung (56) genau einer Halbleiterlichtquelle (22) hindurch verläuft, und wobei die Sekundäroptik (48) durch ihre lichtumlenkenden Eigenschaften und ihre Anordnung dazu eingerichtet ist, die Lichtaustrittsflächen (14) der Primäroptikteilbereiche (12) in einer Lichtverteilung des Scheinwerfers (42) abzubilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichteintrittsflächen (26) und die Lichtaustrittsflächen (14) der Primäroptikteilbereiche (12) Freiformflächen sind, wobei einander benachbarte Lichteintrittsflächen (26) durch eine zwischen ihnen liegende scharfe erste Kante (16) voneinander getrennt sind, einander benachbarte Lichtaustrittsflächen durch eine zwischen ihnen liegende zweite scharfe Kante (16) voneinander getrennt sind, und wobei sich die Lichtaustrittsflächen (14) von wenigstens zwei nicht am Anfang oder Ende einer Zeile liegenden Primäroptikteilbereichen (12) in ihrer Form voneinander unterscheiden.
Scheinwerfer (42) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundäroptik (48) auf die Lichtaustrittsfläche der Primäroptikteilbereiche (12) fokussiert angeordnet ist.
Scheinwerfer (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Lichtquellen (22) in einer Ebene angeordnet sind und ihre Lichtaustrittsflächen (54) der Sekundäroptik (48) zugewandt sind.
Scheinwerfer (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Primäroptikteilbereich (12) eine Freiformlinse bildet, in der Licht der Halbleiterlichtquelle (22), deren Hauptabstrahlrichtung (56) durch die Lichteintrittsfläche (26) und die Lichtaustrittsfläche (14) des Primäroptikteilbereichs (12) hindurch läuft, den Primäroptikteilbereich (12) ohne eine interne Totalreflexion zu erfahren durchläuft und aus der Lichtaustrittsfläche (14) austritt.
Scheinwerfer (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Flächen der Primäroptikteilbereiche (12) in der quer zu ihrer optischen Achse liegenden Zeilenrichtung nicht alle die gleiche Breite aufweisen
Scheinwerfer (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Flächen der Primäroptikteilbereiche (12) in der quer zu ihrer optischen Achse und quer zur Zeilenrichtung liegenden Richtung nicht alle die gleiche Höhe aufweisen
Scheinwerfer (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Primäroptikfeld (10) asymmetrische Primäroptikteilbereiche (12) aufweist.
Scheinwerfer (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das einstückige Primäroptikfeld (10) einzeilig ist.
Scheinwerfer (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das einstückige Primäroptikfeld (10) mehrzeilig ist.
Scheinwerfer (42) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das einstückige Primäroptikfeld (10) einen mehrzeiligen Bereich und einen einzeiligen Bereich aufweist und sich über eine Gesamtlänge (L) erstreckt und dass sich wenigstens der mehrzeilige Bereich über eine Länge (1) erstreckt, die kürzer als die Gesamtlänge (L) ist.
Scheinwerfer (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Primäroptikfeld (10) auf seiner Lichteintrittsfläche wenigstens eine aus der Lichteintrittsfläche in der Richtung der optischen Achsen der Primäroptikteilbereiche (12) herausragende und zwischen den Zeilen in Zeilenrichtung verlaufende Rippe (30) aufweist.
Scheinwerfer (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zwischen zwei Zeilen verlaufende Rippe (30), die aus der Lichteintrittsfläche (26) des Primäroptikfeldes (10) heraus ragt und in Zeilenrichtung am Übergang zwischen einander benachbarten Primäroptikteilbereichen (12.1, 12.2) von zwei Zeilen verläuft.
Scheinwerfer (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Primäroptikfeld ein Bestandteil eines einstückigen Bauteils ist, das außer dem Primäroptikfeld (10) eine Befestigungsstrukturen und/oder Referenzstrukturen aufweisende und das Primäroptikfeld vollständig umlaufende Rahmenstruktur (40) aufweist.
Scheinwerfer (42) nach einem der Ansprüche 1 - 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Primäroptikfeld ein Bestandteil eines einstückigen Bauteils ist, das außer dem Primäroptikfeld (10) eine Befestigungsstrukturen und/oder Referenzstrukturen aufweisende und das Primäroptikfeld nur zu einem Teil umlaufende Rahmenstruktur (40) aufweist, wobei die Rahmenstruktur wie ein u einseitig ist.
Scheinwerfer (42) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das einstückige Bauteil aus PMMA oder PC besteht.