AT400887B

AT400887B - Fahrzeugscheinwerferprojektionslinse

Info

Publication number: AT400887B
Application number: AT0085593A
Authority: AT
Original assignee: Zizala Lichtsysteme Gmbh
Priority date: 1993-05-03
Filing date: 1993-05-03
Publication date: 1996-04-25
Also published as: EP0623780A3; ATA85593A; EP0623780A2; EP0623780B1; ES2094038T3; DE59400981D1

Description

AT 400 887 B

Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugscheinwerferprojektionslinse zur Erzeugung eines Abblendlichtmusters, bei der die konvexe Abstrahlfläche der Linse unterschiedlich abbildende Abschnitte aufweist, wobei ein oberhalb der Horizontaiebene durch die optische Achse liegender oberer Abschnitt und ein unterhalb dieser Horizontalebene liegender unterer Abschnitt vorgesehen ist.

Eine derartige Projektionslinse ist in der DE-36 02 262 A1 für einen Scheinwerfer für Abblendlicht oder Nebellicht gezeigt, der eine den unteren Abschnitt des Reflektors abdeckende Blende, deren Oberkante die Hell/Dunkelgrenze erzeugt, aufweist.

Demgegenüber ist die erfindungsgemäße Projektionslinse der eingangs genannten Art nicht auf eine derartige Scheinwerferkonstruktion beschränkt und vor allem dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei untere Abschnitte vorgesehen sind, von denen einer eine über die Horizontal ebene zum seitlichen Linsenrand hin ansteigende obere Begrenzung aufweist, bzw. eine kontinuierlich verschieden abbildende Oberfläche (Freifläche) vorgesehen ist.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen der erfindungsgemäßen Projektionslinse, die einzeln oder in Kombination verwirklicht sein können, sind die folgenden:

Es kann die ansteigende obere Begrenzung vorzugsweise einseitig der Vertikalebene durch die optische Achse angeordnet sein; sie kann die Horizontalebene in einem Punkt berühren, der der Schnittpunkt eines vom Schnittpunkt der optischen Achse mit der der Lichtquelle zugewandten Einstrahlfläche der Linse unter einem Winkel zur optischen Achse verlaufenden Horizontalstrahls mit der Abstrahlfläche ist.

Zweckmäßig liegt der Winkel zwischen Horizontalstrahl und optischer Achse zwischen £5 ·.

Die Krümmungen der Abstrahlfläche im Vertikalschnitt durch die Linse von der Horizontalebene durch die optische Achse können zum jeweiligen Linsenrand hin flacher ausgebildet sein.

Die Länge der Linsenkontur im oberen Linsenabschnitt kann größer als im unteren Linsenabschnitt sein.

Die Krümmungen der Abstrahlfläche im unteren Abschnitt können ein Spiegelbild gegenüber der Horizontalebene durch die optische Achse bezüglich der Krümmungen im oberen Abschnitt sein.

Der untere Abschnitt mit ansteigender horizontaler oberer Begrenzung ist durch Verdrehen des durch die Schnittkurve der durch den Horizontalstrahl verlaufenden Vertikalebene mit der Abstrahlfläche, die Schnittkurve der Horizontalebene durch die optische Achse mit der Abstrahlfläche und den Linsenrand aufgespannten gedachten unteren Abschnitts um den Horizontalstrahl um 15° gebildet, wobei zwischen dem verdrehten Abschnitt und dem verbleibenden unteren Abschnitt ein übergangswinkel mit verlaufender Krümmung vorgesehen ist.

Die Einstrahlfläche der Linse kann ebenflächig im rechten Winkel zur optischen Achse vorgesehen sein.

Die Einstrahlfläche kann, vorzugsweise als Rechteck, zur Kopplung an ein Lichtleiterbündel vorgesehen sein.

Die untere Begrenzung der Lichteinstrahlfläche kann in der Horizontalebene durch die optische Achse angeordnet sein.

Weiters kann sich der Linsenkörper im wesentlichen pyramidenstumpfförmig oder kegelstumpfförmig von der Einstrahlfläche zur Abstrahlfläche erstrecken.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, in der Fig. 1 eine axonometrische Schräguntersicht, Fig. 2 eine Untersicht, Fig. 3 eine Stirnansicht (Blick auf die Abstrahlfläche), Fig. 4 eine Seitenansicht, Fig. 5 einen Vertikalschnitt durch die optische Achse und Fig. 6 einen Vertikalschnitt durch die optische Achse mit Strahlengang und Strahlenabbildung auf einer in 25 m vor der Linse befindlichen Vertikalebene bezüglich einer erfindungsgemäßen Projektionslinse darstellen.

Aus Fig. 1 erkennt man, daß die konvexe Abstrahlfläche der Linse 1 einen oberen und drei untere Abschnitte aufweist. Der obere Abschnitt wird begrenzt durch den Linsenrand 2 und die Linien A und B, von denen A in der Horizontalebene durch die optische Achse 3 liegt und B zum Linsenrand hin unter 7,5' gegenüber der Horizontalebene ansteigt. Ein unterer Abschnitt wird durch A, den Linsenrand 2 und die Linie C begrenzt; darauf folgt ein Übergangszwickel, der von der Linie C, dem Linsenrand 2 und der Linie D begrenzt wird, sowie ein weiterer Abschnitt, der von der Linie D, dem Linsenrand 2 und der Linie B begrenzt wird. Die Linien A-D sind dabei nicht als Kanten in der Abstrahlfläche aufzufassen - obwohl eine derartige Ausführung möglich ist -, sondern als Linien, entlang deren sich die Krümmungsverläufe zum Übergang in den Nachbarabschnitt ändern.

Die Linien A-D berühren einander im Punkt 4, dessen Bedeutung im folgenden erläutert werden wird.

Als Linseneinstrahlfläche ist ein zur optischen Achse senkrechtes Rechteck 5 vorgesehen, das mit seiner Unterkante zentral (Punkt P) auf der Horizontal ebene durch die optische Achse 3 aufsitzt und an dem ein Lichtleitfaserbündel ankoppelbar ist. Das Lichtaustrittsband 6 des nicht dargestellten Lichtleitfaserbündels ist - wie angedeutet - zur Leuchtweitenverstellung vertikal verschiebbar, was durch Relativverlagerung zwischen Lichtquelle und Lichteintrittsfläche des Lichtleitfaserbündels erfolgen kann. 2

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In der Untersicht nach Fig. 2 kommen die Linie C und Punkt 4 durch Schneiden einer Vertikalebene 7 durch den Punkt P, der der Schnittpunkt der optischen Achse mit der Lichteintrittsfläche 5 der Linse 1 ist, mit der Abstrahlfläche der Linse zustande. Die Vertikalebene 7 ist zur Vertikalebene durch die optische Achse 3 um etwa 3 bis 5' geneigt. Aus Fig. 3 erkennt man, daß Linie C eine Kurve an der Abstrahlfläche der Linse ist. Der durch die Linie C, den Linsenrand 2 und die Horizontalebene 8 durch die optische Achse 3 begrenzte gedachte Abschnitt wird zur Bildung des sogenannten Zwickels bei asymmetrischem Abblendlicht um die Verbindungslinie P4 als Schwenkachse um 15’ nach oben verschwenkt, wodurch C — D und der verschwenkte gedachte Abschnitt mit dem bezüglich der Horizontalebene 8 symmetrischen oberen Abschnitt eine Oberflächenverschneidungslinie B bildet, die um 7,5' zur Horizontalebene geneigt ist. Im verbleibenden, durch C, den Linsenrand 2 und D begrenzten Zwickel werden die Oberflächenkrümmungen gleichmäßig übergehend gewählt.

Aus den Fig. 4 bis 6 erkennt man, daß die Kontur 0 der oberen Hälfte der Abstrahlfläche im Vertikalschnitt länger ist als deren untere Kontur U, d.h. die Distanz zwischen dem Schnittpunkt der optischen Achse mit der Abstrahlflache und dem oberen Linsenrand größer ist als die zwischen diesem Schnittpunkt und dem unteren Linsenrand.

In Fig. 6 ist der Strahlengang in der zentralen Vertikalebene ausgehend von einer Lichteintrittsfläche mit der Höhe h eingezeichnet unter der Voraussetzung, daß das Lichtleiterbündel kein Parallellicht weiterleitet, sondern von einer punktförmigen Lichtquelle gespeist wird, so daß Randstrahlen im Winkel zur optischen Achse austreten. Im Vertikaschnitt ist Bedingung, daß die obere und untere Hälfte der Abstrahlfläche scharfe Abbildungen in der Horizontalebene durch die optische Achse erzeugen; unscharfe Abbildungen unterhalb davon ergeben sich automatisch. Diese Abbildungen P und P' sind an einer senkrechten Projektionswand 10 25 m vor der Linse 1 dargestellt.

Die Kontur der unteren Abstrahlhälfte ist in den Fig. 4-6 im wesentlichen symmetrisch zur Horizontalebene durch die optische Achse.

Die Krümmung der Abstrahlfläche wird rechnerisch iterativ annähernd ermittelt, wobei im zentralen Vertikal schnitt die Punkte der Kurve, bezogen auf die optische Achse, die Bedingung n . sin« _ 1 sin ß erfüllen müssen. Diese Bedingung gilt für Lichtstrahlen ausgehend von der der Horizontalebene durch die optische Achse zugewandten Kante des Lichtbands, die in der Horizontalebene in 25 m Abstand von der Linse (bzw. 5 m für die Tabelle) enden.

Dabei ist n der Brechungsindex des Linsenmaterials (hier wurde n = 1,49 angenommen), α ist der mit der Tangentennormalen des jeweiligen Oberflächenpunkts eingeschlossene Auftreffwinkel und ß der entsprechende Abgangswinkel, wobei berücksichtigt wurde, daß beim Übergang optisch dichter/optisch dünner vom Lot gebrochen wird, also ß >a.

Die Koordinaten wurden auf Basis einer Linsenlänge (Distanz zwischen Einstrahlfläche und Schnittpunkt der optischen Achse mit der Abstrahlfläche) von 90 mm und einer Linsenhöhe von 70 mm ermittelt. Die Linsenhöhe ergibt sich aus der numerischen Apertur des Lichtleiters bzw. dem maximalen Öffnungswinkel des Lichtkegels im Linsenmaterial ausgehend von der Berandung der Einstrahlfläche; hier ca. 55 *.

In der folgenden Tabelle ist z die Koordinate des jeweiligen Punkts auf der optischen Achse und y die Distanz dieses Punkts von der optischen Achse, jeweils in mm angegeben. 3

AT 400 887 B y Tabelle z 0,00000 0,49998 0,99982 1,49936 1,99847 2,49700 2,99480 3,49174 3,98768 4,48247 4,97598 5,46808 5,95864 6,44752 6,93460 7,41976 7,90288 8,38385 8,86254 9,33885 9,81268 10,28393 10,75248 11,21826 11,68118 12,14113 12,59804 13,05184 13,50244 13,94978 14,39379 14,83439 15,27154 15,70518 16,13524 16,5616S 16,93446 17,40353 17,81884 18,23036 90,00000 89,99573 89,98293 89,96159 89,93175 89,89342 89,84662 89,79138 89,72775 89,65S77 89,57549 89,48695 89,39023 89,28537 89,17245 89,05154 88,92272 88,78607 88,64166 88,48960 88,32995 88,16283 87,98833 87,30653 87,61755 87,42148 87,21843 87,00851 86,79181 86,56846 86,33854 86,10219 85,85949 85,61057 85,35553 85,09448 84,32754 84,55480 84,27638 83,99239 4

AT 400 887 B Z 33,70294 33,40812 33,10806 32,80284 g2,49257 $2.17737 81.35732 31,53252 81,20308 30,86910 90,53066 30,18787 79,84081 79,48958 79,13426 78,77495 78,41174 78,04470 77,67392 77,29948 76,92147 76,53997 76,15504 75,76677 75,37524 74,98051 74,58267 74,18177 73,77789 73,37109 72,96145 72,54903 72,13388 71,71609 71,29569 70,37277 70,44737 70,01955 69,58937 69,1S688 68,72214 68,28521 67,84612 67,40495 66,96173 66,51651 66,06935 65,62028 65,16937 64,71664 64,26215 63,80594 63,34805 62,38853 62,42742 61,96475 61,50057 61,03492 60,55783 60,09534 y 13,63305 19,04139 19,44184 19,83787 20,22996 20,61809 21,00224 21,38238 21,75851 22,13060 22.49865 22,86265 23,222S8 23,57844 23,93022 24,27792 24,62154 24,96107 25,29652 25,62788 25,95515 26,27834 26,59745 26,91249 27,22346 27,53037 27,83321 28,13201 28,42677 28,71749 29,00418 29,28636 29,56553 29,84020 30,11089 30,37759 30,64034 30,39912 31,15396 31,40487 31,65186 31,89494 32,13412 32,36942 32,60084 32,82839 33,05210 33,27197 33.48801 33,70023 33,90865 34,11328 34,31413 34,51121 34,70453 34,89411 35,07995 3S,26207 35,44047 35.61517

Bei Projektionslinsen zur Erzeugung von Abblendlicht kommt es vor allem auf die Vertikalschnittkonturen an, die Horizontalschnittkonturen sind nicht kritisch und können z.B. Kreisabschnitte mit abgeflachten Randbereichen sein; dies regelt sich nach der Breite des gewünschten Lichtmusters und der erforderlichen zentralen Beleuchtungsstärke.

Die erfindungsgemäße Projektionslinse muß nicht zur Bestrahlung über ein Lichtleitfaserbündel vorgesehen sein; es können auch übliche Lichtquellen/Reflektorkombinationen vorgesehen werden. Dementspre- 5

Claims

AT 400 887 B chend wird die rückwärtige Einstrahlfläche der Linse gestaltet. Die in den Fig. 1-4 dargestellte Projektionslinse mit ebener Einstrahlfläche kann z.B. sehr gut mit einer Lichtquelle mit Ellipsoidreflektor eingesetzt werden. Wie in Zusammenhang mit Fig. 1 bereits erwähnt, ist durch Relativverlagerung zwischen Lichtquelle und Lichteintrittsfläche des Lichtleitfaserbündels eine Verschiebung des Lichtaustrittsbandes an der Lichteintrittsfläche der Linse zur Leuchtweitenverstellung möglich. Dies ist besonders wirkungsvoll, wenn der Lichtleiter parallel gebündeltes Licht fortleitet, da dann eine scharfe Lichtbandbegrenzung im Lichtleitfaserbündel erzielbar ist. Die Verschiebung des Lichtbandes über den Querschnitt des Lichtleiterbündels ist besonders einfach realisierbar bei einer Anordnung, bei der mindestens eine Lichtquelle in Form einer Blitzlampe an Eintrittsöffnungen aufeinanderfolgender Lichtleitfaserbündel vorbeibewegt wird. In diesem Fall ist der Zeitpunkt der Blitzabfeuerung der Steuerfaktor zur Festlegung der Lage des Lichtbandes in der Eintrittsfläche der Projektionslinse und mithin der Leuchtweite. Die Lichtbandbegrenzung kann weiterhin in Abhängigkeit von der Lichtaustrittsfläche des an der Lichteintrittsfläche des Lichtleitfaserbündels vorbei geführten Reflektors (z.B. 5 x 10 mm) und dem Spalt dazwischen (z.B. 0,1 mm) erfolgen, da die Randunschärfe des Lichtbands mit abnehmendem Spalt ebenfalls abnimmt. Die Lichtbandbegrenzung kann nach statischen Kriterien (Neigung der optischen Achse zur Horizontalen infolge Fahrzeugbelastung) und/oder dynamischen Kriterien (Ausgleich von Straßenunebenheiten) abgestimmt werden, sowie gegebenenfalls in Abhängigkeit von durch entgegenkommende Fahrzeuge ausgesandtem Licht. Es ist verständlich, daß - Bezug nehmend auf Fig. 1 und Fig. 6 - die Leuchtweite umso geringer wird, je weiter entfernt das Lichtband 6 der Linseneintrittsfläche 5 der Linse 1 von der Horizontal ebene 8 durch die optische Achse 3 ist, d.h. je weiter es in der oberen Unsenhälfte liegt. Es gibt Lichtleitfaserbündel in mannigfaltigen Ausführungsformen, was den Querschnitt der sie aufbauenden Fasern betrifft. Für die dargestellte Linsenkonstruktion wird ein Folienstapel bevorzugt, dessen Folien an der Lichteintrittsfläche 5 der Linse 1 parallel zur Horizontalebene 8 durch die optische Achse 3 liegen und vorzugsweise eine Dicke von 0,2 mm haben. Z.B. kann auf diese Weise eine mindestens eindimensionale Streifenordnung im Lichtleiterbündel erzielt werden, wobei auch innerhalb der einzelnen Streifen unterschiedliche Ordnung vorgesehen werden kann. Generell wird die kleinstmögliche Winkelauflösung der Lichtaustrittswinkel des Lichtleiterbündels angestrebt mit scharfem Hell/Dunkelrand, wobei die Winkelauflösung vorzugsweise über den Bündelquerschnitt nicht konstant ist. Ebenso wird bevorzugt, daß die Beleuchtungsstärkeverteilung über den Bündelquerschnitt nicht konstant ist. Es ist bekannt, daß eine Direktkopplung von Lichtleitfaserbündeln untereinander und mit Linsenoberflächen die Reflexionsverluste erhöht; es wird daher vorgezogen, die Kopplungsstellen mit einem selbstvernet-zenden Harz, das später wieder abziehbar ist, zusammenzufügen. Hiefür eignen sich z.B. ein Elastomer bildende Silikonkautschuke. Es werden Kopplungen mit großen Brechungsindexübergängen bevorzugt. Weiter besteht die Möglichkeit, die Lichtintensitätsverteilung im Lichtband 6 zu variieren; des erfolgt durch gezielte Verwendung von entsprechend geformten Reflektoren, die das Licht von der Lichtquelle in das Lichtleitfaserbündel projizieren. Während die Lichteintrittsfläche der Linse in den Figuren rechteckig und im rechten Winkel zur optischen Achse verlaufend dargestellt ist, kann sie der Form nach anders sein - z.B. der Lichtaustrittsfläche von Lichtleiterbündeln beliebigen Querschnitts angepaßt sein -. Die erfindungsgemäße Projektionslinse ist weiters nicht auf Speisung über Lichtleiterbündel beschränkt; insbesondere nicht die in den Figuren dargestellte Massivlinse einheitlichen Querschnitts, die auch über Glühlampen/Reflektorkombinationen beleuchtbar ist. Weiterhin kann die Lichteintrittsfläche der Linse im Winkel zur optischen Achse stehen, z.B. bei Flachscheinwerfern, bei denen der ganze Lichtstrom durch Brechung umgelenkt werden muß und bei denen dann die Lichteinstrahlfläche der Projektionslinse bis zu etwa 25 * zur optischen Achse stehen kann. Die Lichteinstrahlfläche der Projektionslinse kann zur Erzielung größtmöglicher Abbildungsschärfe auch besonders bevorzugt eine gekrümmte Fläche sein. Die Außenflächen der erfindungsgemäßen Projektionslinse - natürlich mit Ausnahme der Einstrahlfläche und der Abstrahlfläche - können zur Erhöhung der Lichtausbeute lichtundurchlässig beschichtet sein, vor allem weiß lackiert werden. Patentansprüche 1. Fahrzeugscheinwerferprojektionslinse zur Erzeugung eines Abblendlichtmusters, bei der die konvexe Abstrahlfläche der Linse unterschiedlich abbildende Abschnitte aufweist, wobei ein oberhalb der Horizontalebene durch die optische Achse liegender oberer Abschnitt und ein unterhalb dieser Horizon- 6 AT 400 887 B talebene liegender unterer Abschnitt vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei untere Abschnitte vorgesehen sind, von denen einer eine über die Horizontalebene (8) zum seitlichen Linsenrand hin ansteigende obere Begrenzung (B) aufweist, bzw. eine kontinuierlich verschieden abbildende Oberfläche (Freifläche) vorgesehen ist.
2. Projektionslinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ansteigende obere Begrenzung (B), die vorzugsweise einseitig der Vertikalebene durch die optische Achse angeordnet ist, die Horizontalebene in einem Punkt (4) berührt, der der Schnittpunkt eines vom Schnittpunkt (P) der optischen Achse (3) mit der der Lichtquelle zugewandten Einstrahlfläche (5) der Linse unter einem Winkel zur optischen Achse verlaufenden Horizontalstrahls (7) mit der Abstrahlfläche ist.
3. Projektionslinse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen Horizontalstrahl (7) und optischer Achse (3) zwischen ±5 * liegt.
4. Projektionslinse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmungen der Abstrahlfläche im Vertikalschnitt durch die Linse (1) von der Horizontalebene (8) durch die optische Achse (3) zum jeweiligen Linsenrand hin flacher ausgebildet sind.
5. Projektionslinse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Linsenkontur im oberen Linsenabschnitt größer ist als im unteren Linsenabschnitt.
6. Projektionslinse nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmungen der Abstrahlfläche im unteren Abschnitt ein Spiegelbild gegenüber der Horizontalebene (8) durch die optische Achse (3) bezüglich der Krümmungen im oberen Abschnitt sind.
7. Projektionslinse nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Abschnitt mit ansteigender horizontaler oberer Begrenzung (B) durch Verdrehen des durch die Schnittkurve (C) der durch den Horizontalstrahl (7) verlaufenden Vertikalebene mit der Abstrahlfläche, die Schnittkurve der Horizontal ebene (8) durch die optische Achse (3) mit der Abstrahlfläche und den Linsenrand (2) aufgespannten gedachten unteren Abschnitts um den Horizontalstrahl (7) um 15* gebildet ist, wobei zwischen dem verdrehten Abschnitt und dem verbleibenden unteren Abschnitt ein Übergangswinkel mit verlaufender Krümmung vorgesehen ist.
8. Projektionslinse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstrahlfläche (5) der Linse (1) ebenflächig im rechten Winkel zur optischen Achse (3) vorgesehen ist.
9. Projektionslinse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstrahlfläche (5) als Rechteck zur Kopplung an ein Lichtleiterbündel vorgesehen ist.
10. Projektionslinse nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Begrenzung der Lichteinstrahlfläche in der Horizontalebene (8) durch die optische Achse (3) angeordnet ist.
11. Projektionslinse nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Linsenkörper im wesentlichen pyramidenstumpfförmig oder kegelstumpfförmig von der Einstrahlfläche (5) zur Abstrahlfläche erstreckt. Hiezu 4 Blatt Zeichnungen 7