WO2019154587A1 - Beleuchtungsvorrichtung für ein kraftfahrzeug - Google Patents

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WO2019154587A1
WO2019154587A1 PCT/EP2019/050732 EP2019050732W WO2019154587A1 WO 2019154587 A1 WO2019154587 A1 WO 2019154587A1 EP 2019050732 W EP2019050732 W EP 2019050732W WO 2019154587 A1 WO2019154587 A1 WO 2019154587A1
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reflector
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light source
motor vehicle
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Helmut Erdl
Abdelmalek Hanafi
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/30—Semiconductor lasers

Definitions

  • the invention relates to a lighting device for a motor vehicle and a corresponding motor vehicle.
  • the use of conversion layers is known. These layers convert monochromatic light into white light. With suitable optics, this white light can be converted into a light distribution in the environment of the motor vehicle, e.g. in a low beam or high beam distribution.
  • diaphragms are positioned on or adjacent to the conversion layer in order to limit the radiation of the white light generated there. This requires firstly an adaptation of the conversion module containing the conversion layer, and secondly, monochromatic reflections of the light incident on the conversion layer are caused by edge scattering at the diaphragm, which in turn adversely affects the generated light distribution (eye safety).
  • the object of the invention is to provide a lighting device for a motor vehicle, with the simple and efficient demarcated light distribution can be generated.
  • the lighting device according to the invention is for a motor vehicle, such as a car and possibly also a truck provided.
  • the lighting device is an outdoor lamp on the motor vehicle.
  • the lighting device comprises a headlight or it is a front light, with which, in particular, at least part of a low beam distribution and / or high beam distribution is generated. Nevertheless, the lighting device may possibly also be another light on the motor vehicle, such as a tail light.
  • the lighting device comprises a laser light source for generating preferably monochromatic laser light.
  • the laser light source may include one and possibly also a plurality of laser diodes.
  • the power of the laser light source is 3 watts and 10 watts.
  • the illumination device further includes a conversion unit or a conversion module that includes a reflective conversion layer. During operation of the illumination device, light originating from the laser light source is directed onto this conversion layer in such a way that a white light source, which is preferably a point light source, is generated on the conversion layer.
  • the illumination device further comprises a reflector which comprises an elliptical reflection surface which corresponds to a partial region of an ellipsoid which contains one and preferably only one vertex of the ellipsoid.
  • the reflector is shaped and arranged such that a first focus of the ellipsoid lies within the white light source and the white light source in the form of a real intermediate image is optically imaged by means of the reflector, the real intermediate image comprising a second focal point of the ellipsoid different from the first focal point.
  • the illumination device further comprises a secondary optics, by means of which a light distribution in the surroundings of the motor vehicle is generated from the real intermediate image.
  • a reflector is generally understood to mean a component having a reflection surface which reflects more than 50% of the incident radiation and thus has a reflectance of more than 50%.
  • the reflectance is 70% or more, or 80% or more.
  • the elliptical reflection surface of the reflector described above is even more reflective and has a reflectance of 90% or more, and preferably of 95% or more.
  • the reflection surface of a reflector does not necessarily have to be a continuous surface, but the reflector may possibly also be faceted and consist of several partial reflection surfaces.
  • a diaphragm for limiting the light distribution in the surroundings of the motor vehicle is arranged at the location of the real intermediate image.
  • the contour of the light distribution can be easily limited without producing unwanted monochromatic reflections which occur when arranging a diaphragm on the conversion layer.
  • an elliptical reflector by using an elliptical reflector, an optical image with high quality and low luminous flux loss can be ensured.
  • the use of a laser light source allows the generation of a light distribution with high luminance.
  • the reflective conversion layer moreover ensures efficient cooling of the white light source, since heat can be dissipated via the rear side of the conversion layer.
  • the first focal point is arranged in the source plane and the source plane extends perpendicular to the semiaxis of the ellipsoid passing through the vertex of the elliptical reflection surface.
  • the second focus is located in the target plane and the target plane extends perpendicular to the half-axis of the ellipsoid passing through the vertex of the elliptical reflection surface.
  • the magnification of the optical caused by the reflector Figure in the said value range of the distance ratio can be achieved by means of such an imaging scale, which leads to a small overall depth of the illumination device and permits a high light output.
  • the ratio of the first distance to the second distance is substantially one. This is effected in particular in that in the pair of half-axes of the ellipsoid passing through the vertex of the elliptical reflection surface and the semi-axis of the ellipsoid passing through the first and second focal points, the half-axis passing through the vertex is the small semiaxis , Due to this symmetrical design in the direction of the small semiaxis, a magnification of one is achieved despite the finite distance between the first and second focal points.
  • the illumination device according to the invention comprises an optical light guide, via which laser light originating from the laser light source is conducted to the reflective conversion layer. In this way, a flexible positioning of the laser light source in the illumination device is made possible.
  • the secondary optics can be designed differently in the lighting device according to the invention.
  • the secondary optics comprise one or more further reflectors in addition to the elliptical reflector contained in the illumination device.
  • the secondary optics may also comprise one or more lenses.
  • At least one further reflector and preferably all further reflectors of the secondary optics each have a reflection surface with a reflectance of 90% or more, and preferably of 95% or more.
  • at least one lens and in particular all the lenses of the secondary optics preferably also have an antireflection coating. In this way, the luminous flux losses are kept low.
  • at least two and in particular all elements selected from the reflector, the diaphragm and at least a part of the secondary optics form an integral component.
  • the at least one part of the secondary optics may possibly also represent the entire secondary optics.
  • the at least one part of the secondary optics comprises the further reflectors described above or the lens or lenses described above.
  • the invention relates to a motor vehicle which comprises one or more illumination devices according to the invention or preferred variants of these illumination devices.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of an embodiment of a lighting device according to the invention.
  • FIG. 1 a lighting device in the form of a headlight.
  • This headlight is shown in Fig. 1 only schematically and designated by reference numeral 1.
  • the housing of the headlight and its transparent cover, over which the headlight light exits the housing, have been omitted.
  • the headlight 1 comprises a laser light source 2, the monochromatic laser light, such as blue laser light generated.
  • the laser light source comprises one and optionally also a plurality of laser diodes.
  • This laser light is directed toward a conversion unit or a conversion module 4 via an optical light guide 3 comprising one or more optical fibers.
  • the laser light source can optionally be arranged remotely from the remaining headlight.
  • the guided in the light guide 3 laser light exits via the remote from the laser light source 2 arranged end of the light guide and incident on a conversion element or a conversion layer 5, which is part of the conversion module 4.
  • the conversion layer consists of known conversion material.
  • a phosphorus conversion layer of nitride-phosphorus or oxyditride-phosphorus or cerium-doped YAG phosphorus is used.
  • the conversion layer converts the laser light incident thereon into white light.
  • the conversion layer is reflective, ie the converted white light leaves the conversion layer from the same side from which the laser light strikes the conversion layer.
  • the use of a reflective conversion layer allows efficient cooling of this layer since heat can be dissipated from the entire backside of the conversion layer.
  • a substantially punctiform white light source is created, which is indicated by a black circle and is designated by the reference symbol Q.
  • the point-shaped white light source lies in a focal point f1 of the elliptical reflector 6 described below.
  • the light from the white light source exits the conversion unit 4 via a light exit window (not shown).
  • the beam path of the white light source is indicated schematically by several solid lines L, which are partially reproduced as arrows. The lines represent the course of light beams of the white light source Q.
  • the light of the white-light source Q falls on a reflector 6, which is reproduced in section and forms a partial region of an (imaginary) ellipsoid E.
  • the reflector 6 typically has a diameter between 20 mm and 40 mm.
  • the ellipsoid is also shown in section in FIG. 1 and indicated by a dashed line.
  • the reflector 6 has a reflection surface 7 with a highly reflective coating in order to minimize power losses in the lighting device. On the reflection surface 7 there is a single vertex SP of the ellipsoid E.
  • the shape and arrangement of the reflector 6 or of the ellipsoid E is selected such that the white light source Q lies in a first focal point f1 of the three focal points of the ellipsoid E, so that the reflector 6 forms an optical image of the white light source Q in the form of a real one Intermediate image Q 'is generated at the location of a second focal point f2 of the ellipsoid E.
  • the real intermediate image is indicated in Fig. 1 analogous to the white light source by a black circle.
  • the axis a passing through the two foci f1 and f2 represents a semiaxis of the ellipsoid E.
  • the axis b perpendicular through the vertex SP represents a semiaxis of the ellipsoid E.
  • the axis a is the large semiaxis and the axis b the small half-axis.
  • the white light source Q lies in a source plane E1, which runs perpendicular to the small semiaxis b and is indicated by a dashed line.
  • the intermediate image Q 'lies in a target plane E2, which runs perpendicular to the small semiaxis b and is indicated by a dot-dash line.
  • the source plane E1 and the target plane E2 coincide. This means that the distance s of the source plane E1 to the vertex SP is exactly the same as the distance s' of the target plane E2 to the vertex SP.
  • the distances s and s' represent the focal lengths of the optical image of the reflector 6.
  • the opti cal image of the reflector 6 thus has a magnification of one.
  • the reflector 6 generates a real intermediate image Q 'at the second focal point f2. From this intermediate image, a light distribution is produced by means of secondary optics in the form of a further curved reflector 9 with reflection surface 10, which is thrown onto the road 11 in front of the motor vehicle. Depending on the design, a low beam and / or a high beam distribution can be generated as light distribution. Due to the use of laser light while a light distribution is achieved with very high luminance.
  • At least two elements selected from the reflector 6, the diaphragm 8 and the reflector 9 form a monolithic component, which may be e.g. can be achieved by the integral formation of these elements by injection molding.
  • a receptacle is also formed integrally with the said elements, into which the conversion module 4 is positioned, as a result of which the cost of reuse is further reduced.
  • the illumination device of FIG. 1 generates with the reflector 6 an optical Abbil tion whose magnification has the value 1.
  • the invention is not limited to an arrangement in which the magnification is one.
  • reflectors with other imaging scales can also be used in the lighting device according to the invention.
  • the magnification should preferably be between 0.8 and 1.2.
  • the embodiments of the invention described above have a number of advantages. In particular, a motor vehicle lighting device with a small overall depth is created. By using a reflector with high refractive power short focal lengths and low Diabschattung and a nearly aberrationtransport mapping are guaranteed despite small space.
  • the aperture By arranging the aperture in the plane of the intermediate image, it is possible to avoid monochromatic diffraction effects which occur when the aperture is positioned on the conversion layer due to light scattering at the diaphragm edge.
  • the use of a laser light source also ensures the generation of luminous fluxes with high luminance.
  • the adjustment effort is minimized or the problem of an increased requirement for the adjustment accuracy can be mastered.
  • the use of a reflective conversion layer allows very good cooling of this layer.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Laserlichtquelle (2) zur Erzeugung von Laserlicht sowie eine Konvertierungseinheit (4) mit einer reflektierenden Konvertierungsschicht (5), auf welche im Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung (1) von der Laserlichtquelle (2) stammendes Laserlicht derart gerichtet wird, dass eine Weißlichtquelle (Q) auf der Konvertierungsschicht (5) erzeugt wird. Ferner ist ein Reflektor (6) vorgesehen, der eine elliptische Reflexionsfläche (7) umfasst, welche einem Teilbereich eines Ellipsoids (E) entspricht, der einen Scheitelpunkt (SP) des Ellipsoids (E) enthält, wobei der Reflektor (6) derart geformt und angeordnet ist, dass innerhalb der Weißlichtquelle (Q) ein erster Brennpunkt (f1) des Ellipsoids (E) liegt und mittels des Reflektors (6) die Weißlichtquelle (Q) in der Form eines reellen Zwischenbilds (Q') optisch abgebildet wird, das einen zweiten Brennpunkt (f2) des Ellipsoids (E) umfasst. Die Beleuchtungsvorrichtung (1) enthält darüber hinaus eine Sekundäroptik (9), durch welche aus dem reellen Zwischenbild (Q') eine Lichtverteilung in der Umgebung des Kraftfahrzeugs erzeugt wird. Ferner ist am Ort des reellen Zwischenbilds (Q') eine Blende (8) zur Begrenzung der Lichtverteilung in der Umgebung des Kraftfahrzeugs angeordnet ist.

Description

Beleuchtungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug sowie ein ent- sprechendes Kraftfahrzeug.
Um in Kraftfahrzeug-Beleuchtungsvorrichtungen, wie z.B. Scheinwerfern, Weißlicht zu ge- nerieren, ist die Verwendung von Konvertierungsschichten bekannt. Diese Schichten kon- vertieren monochromatisches Licht in Weißlicht. Mit einer geeigneten Optik kann dieses Weißlicht in eine Lichtverteilung in der Umgebung des Kraftfahrzeugs gewandelt werden, wie z.B. in eine Abblendlicht- oder Fernlichtverteilung.
Oftmals ist es wünschenswert, die Lichtverteilung, welche durch eine Kraftfahrzeug-Be- leuchtungsvorrichtung generiert wird, geeignet abzuschatten, um z.B. in einer Abblend- lichtverteilung eine Hell-Dunkel-Grenze zu generieren. Herkömmlicherweise werden dabei Blenden auf bzw. benachbart zu der Konvertierungsschicht positioniert, um die Abstrah- lung des dort erzeugten Weißlichts zu begrenzen. Dies erfordert zum einen eine Anpas- sung des Konvertierungsmoduls, das die Konvertierungsschicht enthält, und zum anderen werden monochromatische Reflexionen des auf die Konvertierungsschicht fallenden Lichts durch Kantenstreuung an der Blende hervorgerufen, was sich wiederum negativ auf die generierte Lichtverteilung auswirkt (Augensicherheit).
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Beleuchtungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, mit der einfach und effizient eine abgegrenzte Lichtverteilung generiert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Beleuchtungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung ist für ein Kraftfahrzeug, wie z.B. einen PKW und ggf. auch einen LKW, vorgesehen. Vorzugsweise ist die Beleuchtungsvorrich- tung eine Außenleuchte am Kraftfahrzeug. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Beleuchtungsvorrichtung einen Frontscheinwerfer oder sie ist ein Fronscheinwerfer, mit dem insbesondere zumindest ein Teil einer Abblendlichtverteilung und/oder Fernlicht- verteilung erzeugt wird. Nichtsdestotrotz kann die Beleuchtungsvorrichtung ggf. auch eine andere Leuchte am Kraftfahrzeug darstellen, wie z.B. eine Heckleuchte.
Sofern im Folgenden und insbesondere in den Patentansprüchen Wechselwirkungen zwi- schen der Beleuchtungsvorrichtung und dem Kraftfahrzeug bzw. Komponenten des Kraft- fahrzeugs beschrieben werden, so ist dies immer dahingehend zu verstehen, dass die Wechselwirkung bei Anordnung bzw. Einbau der Beleuchtungsvorrichtung im Kraftfahr- zeug auftritt. Die Komponenten der Beleuchtungsvorrichtung, die eine entsprechende Wechselwirkung mit dem Kraftfahrzeug bzw. Bauteilen des Kraftfahrzeugs haben, sind somit derart ausgestaltet, dass die Wechselwirkung bei Anordnung bzw. Einbau der Be- leuchtungsvorrichtung im Kraftfahrzeug hervorgerufen wird.
Die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung umfasst eine Laserlichtquelle zur Erzeu- gung von vorzugsweise monochromatischem Laserlicht. Je nach Ausgestaltung kann die Laserlichtquelle dabei eine und ggf. auch mehrere Laserdioden umfassen. Vorzugsweise liegt die Leistung der Laserlichtquelle zischen 3 Watt und 10 Watt. Die Beleuchtungsvor- richtung beinhaltet ferner eine Konvertierungseinheit bzw. ein Konvertierungsmodul, das eine reflektierende Konvertierungsschicht umfasst. Im Betrieb der Beleuchtungsvorrich- tung wird auf diese Konvertierungsschicht von der Laserlichtquelle stammendes Licht der- art gerichtet, dass eine Weißlichtquelle, welche vorzugsweise eine Punktlichtquelle ist, auf der Konvertierungsschicht erzeugt wird.
Die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung umfasst ferner einen Reflektor, der eine elliptische Reflexionsfläche umfasst, welche einem Teilbereich eines Ellipsoids entspricht, der einen und vorzugsweise ausschließlich einen Scheitelpunkt des Ellipsoids enthält. Der Reflektor ist derart geformt und angeordnet, dass innerhalb der Weißlichtquelle ein erster Brennpunkt des Ellipsoids liegt und mittels des Reflektors die Weißlichtquelle in der Form eines reellen Zwischenbilds optisch abgebildet wird, wobei das reelle Zwischenbild einen zweiten, zum ersten Brennpunkt unterschiedlichen Brennpunkt des Ellipsoids umfasst.
Die Beleuchtungsvorrichtung umfasst ferner eine Sekundäroptik, durch welche aus dem reellen Zwischenbild eine Lichtverteilung in der Umgebung des Kraftfahrzeugs erzeugt wird. Hier und im Folgenden ist allgemein unter einem Reflektor ein Bauteil mit einer Reflexi- onsfläche zu verstehen, die mehr als 50% der einfallenden Strahlung reflektiert und somit einen Reflexionsgrad von mehr als 50% aufweist. Insbesondere liegt der Reflexionsgrad bei 70% oder mehr bzw. bei 80% oder mehr. In einer besonders bevorzugten Ausfüh- rungsform ist die elliptische Reflexionsfläche des oben beschriebenen Reflektors noch hö- her reflektierend und weist einen Reflexionsgrad von 90% oder mehr und vorzugsweise von 95% oder mehr auf. Hierdurch werden die Lichtstromverluste gering gehalten. Dar- über hinaus muss die Reflexionsfläche eines Reflektors nicht zwangsläufig eine durchge- hende Fläche sein, sondern der Reflektor kann ggf. auch facettiert sein und aus mehreren Teilreflexionsflächen bestehen.
In der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung ist am Ort des reellen Zwischenbilds eine Blende zur Begrenzung der Lichtverteilung in der Umgebung des Kraftfahrzeugs an- geordnet. Auf diese Weise kann die Kontur der Lichtverteilung einfach begrenzt werden, ohne dass unerwünschte monochromatische Reflexionen erzeugt werden, die bei der An- ordnung einer Blende an der Konvertierungsschicht auftreten. Darüber hinaus kann durch die Verwendung eines elliptischen Reflektors eine optische Abbildung mit hoher Qualität und geringen Lichtstromverlusten gewährleistet werden. Ferner ermöglicht die Verwen- dung einer Laserlichtquelle die Erzeugung einer Lichtverteilung mit hoher Leuchtdichte.
Die reflektierende Konvertierungsschicht gewährleistet darüber hinaus eine effiziente Küh- lung der Weißlichtquelle, da Wärme über die Rückseite der Konvertierungsschicht abge- führt werden kann.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beleuchtungs- Vorrichtung liegt das Verhältnis eines ersten Abstands, der den Abstand einer Zielebene zum Scheitelpunkt der elliptischen Reflexionsfläche des Reflektors repräsentiert, zu einem zweiten Abstand, der den Abstand einer Quellebene zum Scheitelpunkt der elliptischen Reflexionsfläche des Reflektors repräsentiert, in einem Wertbereich zwischen 0,8 und 1 ,2. Dabei ist der erste Brennpunkt in der Quellebene angeordnet und die Quellebene er- streckt sich senkrecht zu der durch den Scheitelpunkt der elliptischen Reflexionsfläche verlaufenden Halbachse des Ellipsoids. Ferner ist der zweite Brennpunkt in der Zielebene angeordnet und die Zielebene erstreckt sich senkrecht zu der durch den Scheitelpunkt der elliptischen Reflexionsfläche verlaufenden Halbachse des Ellipsoids. Gemäß dieser Aus- führungsform liegt der Abbildungsmaßstab der durch den Reflektor bewirkten optischen Abbildung in dem genannten Wertebereich des Abstandsverhältnisses. Mittels eines der- artigen Abbildungsmaßstabs kann eine Anordnung des Reflektors in der Beleuchtungs- Vorrichtung erreicht werden, welche zu einer geringen Bautiefe der Beleuchtungsvorrich- tung führt und eine hohe Lichtausbeute erlaubt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt das Verhältnis des ersten Ab- stands zum zweiten Abstand im Wesentlichen bei Eins. Dies wird insbesondere dadurch bewirkt, dass in dem Paar aus Halbachse des Ellipsoids, die durch den Scheitelpunkt der elliptischen Reflexionsfläche verläuft, und Halbachse des Ellipsoids, welche durch den ersten und zweiten Brennpunkt verläuft, die durch den Scheitelpunkt verlaufende Halb- achse die kleine Halbachse ist. Durch diese symmetrische Auslegung in Richtung der klei- nen Halbachse wird trotz endlichem Abstand zwischen dem ersten und zweiten Brenn- punkt ein Abbildungsmaßstab von Eins erreicht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Beleuch- tungsvorrichtung einen optischen Lichtleiter, über den von der Laserlichtquelle stammen- des Laserlicht zu der reflektierenden Konvertierungsschicht geleitet wird. Hierdurch wird eine flexible Positionierung der Laserlichtquelle in der Beleuchtungsvorrichtung ermög- licht.
Die Sekundäroptik kann in der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung unterschied- lich ausgestaltet sein. In einer Variante umfasst die Sekundäroptik einen oder mehrere weitere Reflektoren zusätzlich zu dem in der Beleuchtungsvorrichtung enthaltenen ellipti- schen Reflektor. Alternativ oder zusätzlich kann die Sekundäroptik auch eine oder meh- rere Linsen umfassen.
In einer bevorzugten Variante der soeben beschriebenen Ausführungsform weist zumin- dest ein weiterer Reflektor und vorzugsweise alle weiteren Reflektoren der Sekundäroptik jeweils eine Reflexionsfläche mit einem Reflexionsgrad von 90% oder mehr und vorzugs- weise von 95% oder mehr auf. Vorzugsweise weist ferner zumindest eine Linse und ins- besondere alle Linsen der Sekundäroptik eine Antireflexionsbeschichtung auf. Auf diese Weise werden die Lichtstromverluste gering gehalten. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bilden zumindest zwei und insbesondere alle Elemente ausgewählt aus dem Reflektor, der Blende und zumindest einem Teil der Sekundäroptik ein integrales Bauteil. Der zumindest eine Teil der Sekundäroptik kann ggf. auch die gesamte Sekundäroptik darstellen. Vorzugsweise umfasst der zumindest eine Teil der Sekundäroptik den oder die oben beschriebenen weiteren Reflektoren bzw. die oben beschriebene Linse oder Linsen.
Durch die soeben beschriebene Ausbildung eines integralen Bauteils wird bereits bei der Fertigung der Beleuchtungsvorrichtung die exakte Anordnung der darin integrierten opti schen Einheiten zueinander gewährleistet. Hierdurch wird der Justageaufwand für die Be- leuchtungsvorrichtung sehr gering gehalten und eine hohe Robustheit des Systems ga- rantiert.
Neben der oben beschriebenen Beleuchtungsvorrichtung betrifft die Erfindung ein Kraft- fahrzeug, welches eine oder mehrere erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtungen bzw. bevorzugte Varianten dieser Beleuchtungsvorrichtungen umfasst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Fig. 1 detailliert beschrieben. Diese Figur zeigt eine schematische Schnittansicht einer Ausfüh- rungsform einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand einer Beleuchtungsvorrichtung in der Form eines Frontscheinwerfers erläutert. Dieser Frontscheinwerfer ist in Fig. 1 lediglich schematisch wiedergegeben und mit Bezugszeichen 1 bezeichnet. Aus Übersichtlichkeitsgründen wur- den das Gehäuse des Frontscheinwerfers sowie dessen transparente Abdeckscheibe, über welche das Scheinwerferlicht aus dem Gehäuse austritt, weggelassen.
Der Frontscheinwerfer 1 umfasst eine Laserlichtquelle 2, die monochromatisches Laser- licht, wie z.B. blaues Laserlicht, generiert. Hierzu umfasst die Laserlichtquelle eine und ggf. auch mehrere Laserdioden. Über einen optischen Lichtleiter 3 aus einer oder mehre- ren optischen Fasern wird dieses Laserlicht hin zu einer Konvertierungseinheit bzw. ei- nem Konvertierungsmodul 4 geleitet. Durch die Anbindung der Laserlichtquelle 2 über den Lichtleiter 3 kann die Laserlichtquelle ggf. entfernt von dem restlichen Scheinwerfer ange- ordnet werden. Das in dem Lichtleiter 3 geführte Laserlicht tritt über das entfernt von der Laserlichtquelle 2 angeordnete Ende des Lichtleiters aus und fällt auf ein Konvertierungselement bzw. eine Konvertierungsschicht 5, die Bestandteil des Konvertierungsmoduls 4 ist. Die Konvertierungsschicht besteht aus an sich bekanntem Konvertierungsmaterial. Beispiels- weise wird bei einer blauen/violetten Laserlichtquelle mit einer Emissionswellenlänge von 450 nm/405 nm eine Phosphorkonvertierungsschicht aus Nitrid-Phosphor oder Oxidnitrid- Phosphor oder Cerium-dotiertem YAG-Phosphor verwendet. Die Konvertierungsschicht wandelt das darauf fallende Laserlicht in Weißlicht. Die Konvertierungsschicht ist dabei reflektierend, d.h. das konvertierte Weißlicht verlässt die Konvertierungsschicht von der gleichen Seite, von der das Laserlicht auf die Konvertierungsschicht trifft. Die Verwendung einer reflektierenden Konvertierungsschicht ermöglicht eine effiziente Kühlung dieser Schicht, da von der gesamten Rückseite der Konvertierungsschicht Wärme abgeführt werden kann.
Mittels der Konvertierungsschicht 5 wird in der Ausführungsform der Fig. 1 eine im We- sentlichen punktförmige Weißlichtquelle geschaffen, die durch einen schwarzen Kreis an- gedeutet ist und mit dem Bezugszeichen Q bezeichnet ist. Die punktförmige Weißlicht- quelle liegt dabei in einem Brennpunkt f1 des weiter unten beschriebenen elliptischen Re- flektors 6. Das Licht der Weißlichtquelle tritt über ein Lichtaustrittsfenster (nicht gezeigt) aus der Konvertierungseinheit 4 aus. Der Strahlengang der Weißlichtquelle ist schema- tisch durch mehrere durchgezogene Linien L angedeutet, die teilweise als Pfeile wieder- gegeben sind. Die Linien stellen den Verlauf von Lichtstrahlen der Weißlichtquelle Q dar.
Das Licht der Weißlichtquelle Q fällt in der Beleuchtungsvorrichtung der Fig. 1 auf einen Reflektor 6, der im Schnitt wiedergegeben ist und einen Teilbereich eines (imaginären) El- lipsoids E bildet. Für einen typischen Abstand von 3 bis 5 mm zwischen Konvertierungs- schicht 4 und Lichtaustrittsfenster hat der Reflektor 6 typischerweise einen Durchmesser zwischen 20 mm und 40 mm. Der Ellipsoid ist in Fig. 1 ebenfalls im Schnitt gezeigt und durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Der Reflektor 6 weist auf der Innenseite eine Re- flexionsfläche 7 mit einer hochreflektierenden Beschichtung auf, um hierdurch Leistungs- verluste in der Beleuchtungsvorrichtung gering zu halten. Auf der Reflexionsfläche 7 be- findet sich ein einzelner Scheitelpunkt SP des Ellipsoids E. Die Form und Anordnung des Reflektors 6 bzw. des Ellipsoids E ist derart gewählt, dass die Weißlichtquelle Q in einem ersten Brennpunkt f1 der drei Brennpunkte des Ellipsoids E liegt, so dass durch den Reflektor 6 eine optische Abbildung der Weißlichtquelle Q in der Form eines reellen Zwischenbilds Q' am Ort eines zweiten Brennpunkts f2 des Ellip- soids E erzeugt wird. Das reelle Zwischenbild ist in Fig. 1 analog zur Weißlichtquelle durch einen schwarzen Kreis angedeutet. Die durch die beiden Brennpunkte f1 und f2 verlaufende Achse a stellt eine Halbachse des Ellipsoids E dar. Ebenso stellt die senk- recht durch den Scheitelpunkt SP verlaufende Achse b eine Halbachse des Ellipsoids E dar. Dabei ist die Achse a die große Halbachse und die Achse b die kleine Halbachse.
Gemäß der Darstellung der Fig. 1 liegt die Weißlichtquelle Q in einer Quellebene E1 , die senkrecht zu der kleinen Halbachse b verläuft und durch eine gestrichelte Linie angedeu- tet ist. Analog liegt das Zwischenbild Q' in einer Zielebene E2, die senkrecht zu der klei- nen Halbachse b verläuft und durch eine strichpunktierte Linie angedeutet ist. In der Aus- führungsform der Fig. 1 fallen Quellebene E1 und Zielebene E2 zusammen. Dies bedeu- tet, dass der Abstand s der Quellebene E1 zum Scheitelpunkt SP genau so groß ist wie der Abstand s' der Zielebene E2 zum Scheitelpunkt SP. Die Abstände s und s' stellen die Schnittweiten der optischen Abbildung des Reflektors 6 dar. Durch deren Verhältnis wird der Abbildungsmaßstab ß der optischen Abbildung festgelegt, d.h. es gilt ß = s'/s. Die opti sche Abbildung des Reflektors 6 hat somit einen Abbildungsmaßstab von Eins. Durch die vorstehend beschriebene Ausgestaltung und Anordnung des Reflektors 6, bei der sich die kleine Halbachse b durch die Reflexionsfläche 7 erstreckt, kann eine sehr geringe Bau- tiefe der Beleuchtungsvorrichtung 1 erreicht werden, da die beiden Brennpunkte f1 und f2 nahe zueinander positioniert werden können.
Wie bereits erwähnt, wird durch den Reflektor 6 ein reelles Zwischenbild Q' am zweiten Brennpunkt f2 erzeugt. Aus diesem Zwischenbild wird mittels einer Sekundäroptik in der Form eines weiteren gekrümmten Reflektors 9 mit Reflexionsfläche 10 eine Lichtvertei- lung erzeugt, die auf die Straße 1 1 vor dem Kraftfahrzeug geworfen wird. Je nach Ausge- staltung kann als Lichtverteilung eine Abblendlicht- und/oder eine Fernlichtverteilung ge- neriert werden. Aufgrund der Verwendung von Laserlicht wird dabei eine Lichtverteilung mit sehr hoher Leuchtdichte erreicht. Ein erfindungswesentlicher Aspekt der Ausführungsform der Fig. 1 besteht darin, dass in der Umgebung von Q‘ eine Blende 8 positioniert ist, welche das Zwischenbild Q' begrenzt und hierdurch eine Abschattung bewirkt, was sich wiederum in einem dunklen Bereich in der Lichtverteilung äußert, wie durch die vertikale Linie 8' angedeutet ist. Mit der Blende kann somit eine geeignete Begrenzung der auf die Straße geworfenen Lichtverteilung er- reicht werden. Zum Beispiel kann bei der Generierung einer Abblendlichtverteilung mittels einer entsprechenden Blendenform eine geeignete Hell-Dunkel-Grenze erzeugt werden, um hierdurch die Blendung von entgegenkommenden Verkehrsteilnehmern zu vermeiden. Ebenso kann im Falle, dass der Scheinwerfer ein blendfreies Fernlicht über eine variable Scheinwerferverstellung generiert, ein blendfreier Bereich des Fernlichts über die Blende 8 realisiert werden.
Durch die Verwendung der Blende 8 in der Umgebung des Zwischenbilds Q' wird eine Ab- schattung sehr einfach und flexibel bewirkt, ohne dass Veränderungen an dem Konvertie- rungsmodul 4 vorgenommen werden müssen. Ferner werden unerwünschte monochro- matische Reflexionen durch Streuung von Laserlicht an Blendenkanten vermieden.
In einer bevorzugten Variante der soeben beschriebenen Ausführungsform bilden zumin- dest zwei Elemente ausgewählt aus dem Reflektor 6, der Blende 8 und dem Reflektor 9 ein monolithisches Bauteil, was z.B. durch die integrale Ausbildung dieser Elemente durch Spritzguss erreicht werden kann. Auf diese Weise wird eine exakte relative Positionierung von optischen Elementen gewährleistet, ohne dass diese aufwändig zueinander justiert werden müssen. Vorzugsweise ist integral mit den genannten Elementen auch eine Auf- nahme geformt, in welche das Konvertierungsmodul 4 positioniert wird, wodurch der Jus- tageaufwand weiter vermindert wird.
Die Beleuchtungsvorrichtung der Fig. 1 generiert mit dem Reflektor 6 eine optische Abbil dung, deren Abbildungsmaßstab den Wert 1 aufweist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine Anordnung beschränkt, bei der der Abbildungsmaßstab bei Eins liegt. Vielmehr kön- nen in der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung auch Reflektoren mit anderen Abbildungsmaßstäben zum Einsatz kommen. Für eine geringe Bautiefe der erfindungsge- mäßen Beleuchtungsvorrichtung sollte der Abbildungsmaßstab vorzugsweise zwischen 0,8 und 1 ,2 liegen. Die im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere wird eine Kraftfahrzeug-Beleuchtungsvorrichtung mit geringer Bautiefe geschaffen. Durch die Verwendung eines Reflektors mit hoher Brechkraft werden dabei kurze Brennweiten sowie geringe Selbstabschattung und eine nahezu aberrationsfreie Abbildung trotz kleiner Bauräume gewährleistet. Durch die Anord- nung der Blende in der Ebene des Zwischenbilds können monochromatische Beugungs- effekte vermieden werden, die bei der Positionierung der Blende an der Konvertierungs- schicht aufgrund von Lichtstreuungen an der Blendenkante auftreten. Durch die Verwen- dung einer Laserlichtquelle wird ferner die Generierung von Lichtströmen mit hoher Leuchtdichte gewährleistet. Optional kann durch einen monolithischen Aufbau, bei dem mehrere Elemente der Beleuchtungsvorrichtung ein integrales Bauteil bilden, der Justage- aufwand minimiert bzw. das Problem einer erhöhten Anforderung an die Justiergenauig- keit beherrscht werden. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung einer reflektierenden Konvertierungsschicht eine sehr gute Kühlung dieser Schicht.
Bezugszeichenliste
1 Beleuchtungsvorrichtung
2 Laserlichtquelle
3 Lichtleiter
4 Konvertierungseinheit
5 Konvertierungsschicht
6 Reflektor
7 elliptische Reflexionsfläche
8 Blende
8' dunkler Bereich
9 Reflektor
10 Reflexionsfläche
11 Straße
Q Weißlichtquelle
Q' reelles Zwischenbild
E Ellipsoid
SP Scheitelpunkt
f1 erster Brennpunkt
f2 zweiter Brennpunkt
a große Halbachse
b kleine Halbachse
s, s' Schnittweiten
L Lichtstrahlen

Claims

Patentansprüche
1. Beleuchtungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, umfassend:
- eine Laserlichtquelle (2) zur Erzeugung von Laserlicht;
- eine Konvertierungseinheit (4) umfassend eine reflektierende Konvertierungs- schicht (5), auf welche im Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung (1 ) von der La- serlichtquelle (2) stammendes Laserlicht derart gerichtet wird, dass eine Weiß- lichtquelle (Q) auf der Konvertierungsschicht (5) erzeugt wird;
- einen Reflektor (6), der eine elliptische Reflexionsfläche (7) umfasst, welche ei- nem Teilbereich eines Ellipsoids (E) entspricht, der einen Scheitelpunkt (SP) des Ellipsoids (E) enthält, wobei der Reflektor (6) derart geformt und angeord- net ist, dass innerhalb der Weißlichtquelle (Q) ein erster Brennpunkt (f1 ) des El- lipsoids (E) liegt und mittels des Reflektors (6) die Weißlichtquelle (Q) in der Form eines reellen Zwischenbilds (Q') optisch abgebildet wird, das einen zwei- ten Brennpunkt (f2) des Ellipsoids (E) umfasst;
- eine Sekundäroptik (9), durch welche aus dem reellen Zwischenbild (Q') eine Lichtverteilung in der Umgebung des Kraftfahrzeugs erzeugt wird, wobei am Ort des reellen Zwischenbilds (Q') eine Blende (8) zur Begrenzung der Lichtvertei- lung in der Umgebung des Kraftfahrzeugs angeordnet ist.
2. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis eines ersten Abstands (s'), der den Abstand einer Zielebene (E2) zum Scheitelpunkt (SP) der elliptischen Reflexionsfläche (7) des Reflektors (6) reprä- sentiert, zu einem zweiten Abstand (s), der den Abstand einer Quellebene (E1 ) zum Scheitelpunkt (SP) der elliptischen Reflexionsfläche (7) des Reflektors (6) re- präsentiert, in einem Wertebereich zwischen 0,8 und 1 ,2 liegt, wobei der erste Brennpunkt (f1 ) in der Quellebene (E1 ) angeordnet ist und sich die Quellebene (E1 ) senkrecht zu der durch den Scheitelpunkt (SP) der elliptischen Reflexionsflä- che (7) verlaufenden Halbachse (b) des Ellipsoids erstreckt und wobei der zweite Brennpunkt (f2) in der Zielebene (E2) angeordnet ist und sich die Zielebene (E2) senkrecht zu der durch den Scheitelpunkt (SP) der elliptischen Reflexionsfläche (7) verlaufenden Halbachse (b) des Ellipsoids (E) erstreckt.
3. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des ersten Abstands (s') zum zweiten Abstand (s) im Wesentlichen bei Eins liegt.
4. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Paar aus Halbachse (b) des Ellipsoids (E), die durch den Scheitelpunkt (SP) der elliptischen Reflexionsfläche (7) verläuft, und Halbachse (a) des Ellipsoids, welche durch den ersten und zweiten Brennpunkt (f 1 , f2) verläuft, die durch den Scheitel- punkt (SP) verlaufende Halbachse (b) die kleine Halbachse ist.
5. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Beleuchtungsvorrichtung (1 ) einen Frontscheinwerfer für ein Kraftfahrzeug umfasst, wobei die Beleuchtungsvorrichtung (1 ) vorzugsweise dazu eingerichtet ist, als Lichtverteilung in der Umgebung des Kraftfahrzeugs zu- mindest einen Teil einer Abblendlichtverteilung und/oder Fernlichtverteilung zu er- zeugen.
6. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die elliptische Reflexionsfläche (7) des Reflektors (6) einen Reflexionsgrad von 90% oder mehr und vorzugsweise von 95% oder mehr auf- weist.
7. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Beleuchtungsvorrichtung (1 ) einen optischen Lichtleiter (3) umfasst, über den von der Laserlichtquelle (2) stammendes Laserlicht zu der re- flektierenden Konvertierungsschicht (5) geleitet wird.
8. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Sekundäroptik (9) einen oder mehrere weitere Reflektoren und/oder eine oder mehrere Linsen umfasst.
9. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumin- dest ein weiterer Reflektor eine Reflexionsfläche (7) mit einem Reflexionsgrad von 90% oder mehr und vorzugsweise von 95% oder mehr aufweist und/oder dass zu- mindest eine Linse eine Antireflexionsbeschichtung aufweist.
10. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass zumindest zwei Elemente ausgewählt aus dem Reflektor (6), der Blende (8) und zumindest einem Teil der Sekundäroptik (9) ein integrales Bau- teil bilden.
11. Kraftfahrzeug, umfassend eine oder mehrere Beleuchtungsvorrichtungen (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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