AT517519A1 - Verfahren zum Ansteuern einer Laserbeleuchtungsvorrichtung für einen Fahrzeugscheinwerfer - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Ansteuern einer Laserbeleuchtungsvorrichtung für einen Fahrzeugscheinwerfer, wobei die Laserbeleuchtungsvorrichtung zwei oder mehr modulierbare Laserlichtquellen (11 bis 18) umfasst, wobei die Anzahl der Laserlichtquellen als N bezeichnet ist, und jede Laserlichtquelle einen Laserstrahl (11p bis 18p) erzeugt und jeder Laserlichtquelle zumindest eine Vorsatzoptik (21 bis 28) nachgeordnet und zumindest ein Mikroscanner (51, 52) zugeordnet ist, und jeder Mikroscanner dazu eingerichtet ist, die zwei oder mehr Laserstrahlen auf zumindest ein Lichtkonversionsmittel (60) zu lenken, wodurch an dem zumindest einen Lichtkonversionsmittel ein Leuchtbild erzeugt wird, und dem zumindest einen Lichtkonversionsmittel ein Abbildungssystem (PS) zugeordnet ist, um das Leuchtbild als Lichtbild auf die Fahrbahn abzubilden, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Unterteilen zumindest eines Teils des Leuchtbildes in Leuchtbänder, wobei die Anzahl der Leuchtbänder als n bezeichnet ist, Ermitteln des gewünschten Lichtstroms je Leuchtband, Berechnen eines gewünschten Breitenwerts je Leuchtband hinsichtlich des gewünschten Lichtstroms, und Verwenden der berechneten Breitenwerte zur Änderung der Breite des Lichtbandes im Lichtbild durch Änderung der Leuchtbandbreite auf dem Lichtkonversionsmittel.

Description

Verfahren zum Ansteuern einer Laserbeleuchtungsvorrichtung für einen
Fahrzeugscheinwerfer
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern einer Laserbeleuchtungsvorrichtung für einen Fahrzeugscheinwerfer, wobei die Laserbeleuchtungsvorrichtung zwei oder mehr modulierbare Laserlichtquellen umfasst, wobei die Anzahl der Laserlichtquellen als N bezeichnet ist, und jede Laserlichtquelle einen Laserstrahl erzeugt und jeder Laserlichtquelle zumindest eine Vorsatzoptik nachgeordnet und zumindest ein Mikroscanner zugeordnet ist, und jeder Mikroscanner dazu eingerichtet ist, die zwei oder mehr Laserstrahlen auf zumindest ein Lichtkonversionsmittel zu lenken, wodurch an dem zumindest einen Lichtkonversionsmittel ein Leuchtbild erzeugt wird, und dem zumindest einen Lichtkonversionsmittel ein Abbildungssystem zugeordnet ist, um das Leuchtbild als Lichtbild auf die Fahrbahn abzubilden.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Laserbeleuchtungsvorrichtung für einen Fahrzeugscheinwerfer mit zwei oder mehr modulierbare Laserlichtquellen, wobei die Anzahl der Laserlichtquellen als N bezeichnet ist, und jeder Lichtquelle zumindest eine Vorsatzoptik nachgeordnet und zumindest ein Mikroscanner zugeordnet ist, und jeder Mikroscanner dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl auf zumindest ein Lichtkonversionsmittel zu lenken, wodurch an dem zumindest einen Lichtkonversionsmittel ein Leuchtbild erzeugt wird, und dem zumindest einen Lichtkonversionsmittel ein Abbildungssystem zugeordnet ist, um das Leuchtbild als Lichtbild auf die Fahrbahn abzubilden, und einer Steuer- und Recheneinheit.
Fahrzeugscheinwerfer, die mit über ein Lichtkonversionsmittel scannenden Laserstrahlen arbeiten, sind bekannt. Sie erzeugen üblicherweise ein Leuchtbild auf einem Lichtkonversionsmittel, oft kurz „Phosphor" genannt, auf welchem durch Fluoreszenz das z.B. blaue Laserlicht in im Wesentlichen „weißes" Licht umgewandelt wird. Das erzeugte Leuchtbild wird dann mit Hilfe des Abbildungssystems, z.B. einer Linsenoptik, als ein Lichtbild auf die Fahrbahn projiziert. Der Mikroscanner oder das Strahlablenkmittel ist oft als ein Mikrospiegel (oder ein Prisma) ausgebildet, der um eine oder um zwei Achsen bewegt werden kann, sodass z.B. ein zeilenweises Leuchtbild „geschrieben" wird. Die Modulation der Laserlichtquelle bestimmt für jeden Punkt oder jede Zeile des Leuchtbildes die gewünschte Leuchtdichte (Lichtstärke des Punktes oder der Zeile), die einerseits gesetzlichen Vorgaben für das projizierte Lichtbild entsprechen muss und andererseits der jeweiligen Fahrsituation angepasst werden kann.
Die Verwendung des Lichtscanners mit einem oder mehreren Laserstrahlen, welche synchron zu der Spiegelschwingung moduliert werden, ermöglicht es, eine nahezu beliebige Lichtverteilung zu erzeugen. Bekannt ist ein solches Verfahren prinzipiell auch bei sogenannten Pico Projektoren und Head-up-Displays, die gleichfalls Lichtscanner verwenden, die als MEMS (Mikro-Elektro-Mechanische-Systeme) ausgebildet sind. Im Gegensatz zu solchen Projektionssystemen, die oft in der Unterhaltungselektronik eingesetzt werden, müssen jedoch bei Scheinwerfern deutlich höhere Laserleistungen eingebracht werden, wobei es nicht notwendig ist, eine farbige Lichtverteilung darzustellen. Wie oben erwähnt, wird üblicherweise mit blauem Laserlicht, das beispielsweise von Laserdioden stammt, gearbeitet. Im Hinblick auf die benötigte hohe Laserleistung in der Größenordnung von 5 bis 30 Watt, ist es wichtig, die in einem Kraftfahrzeugscheinwerfer installierte Laserleistung bestmöglich zu nützen.
Die meisten bekannten Mikroscanner arbeiten nach einem resonanten Antriebsprinzip. Die verwendeten Mikrospiegel werden dabei in ihrer Resonanzfrequenz angeregt und schwingen sinusförmig. Gerade dieser sinusförmige Verlauf stellt hinsichtlich der Ausnutzung der installierten Laserleistung ein großes Problem dar. Aufgrund der sinusförmigen Bewegung des Mikrospiegels ist in der Bildmitte gemeinhin deutlich weniger optische Leistung vorhanden, als in den Randbereichen.
Eine solche Lichtverteilung ist bei Projektionsanwendungen speziell bei Head-up-Displays und Pico Projektoren nicht erwünscht, da dort alle Bildpunkte gleich hell sein sollten. Aus diesem Grund ist es bekannt, die Helligkeitsänderung aufgrund des sinusförmigen Verlaufes zu kompensieren, indem die Laserleistung synchron zur Spiegelschwingung moduliert wird, wobei die Laserleistung zum Rand hin reduziert wird, um eine homogene Lichtverteilung zu erzielen, in welcher jedes Pixel gleich hell ist. Dabei wird die maximale Helligkeit des kompensierten Bildes der niedrigsten Helligkeit des unkompensierten Bildes angepasst.
Wegen der Kompensation des Helligkeitsverlaufes muss die in das System eingebrachte mittlere Laserleistung drastisch (bis zu 80 - 90%) reduziert werden, d.h. z.B. bei einer maximalen Leistung von 1 W einer Laserdiode, wird lediglich 0,1 - 0,2 W benutzt, wobei zu beachten ist, dass hier von mittleren Leistungen die Rede ist, und dass auch in diesem Beispiel die Laserdiode in der Lage sein muss, kurzzeitig eine optische Leistung von 1W aufzubringen. Da die Leistung jedoch in den Randbereichen reduziert wird, ergibt sich eine mittlere Leistung, die deutlich geringer als die maximale Leistung ist.
Das aufgezeigte Problem verschärft sich noch erheblich bei Anwendungen des scannenden Verfahrens auf Kraftfahrzeugscheinwerfer. Lichtverteilungen, die für Hauptlichtfunktionen in Fahrzeugscheinwerfern erzeugt werden, sind nämlich in den seltensten Fällen in allen Bildpunkten gleich hell. Im Gegenteil, bei den Lichtverteilungen eines Kraftfahrzeugscheinwerfers ist es sogar erwünscht, dass die Randbereiche deutlich dunkler sind als die Bildmitte, in der meist ein sogenannter Lichtspot erzeugt werden soll. Dieser Lichtspot beleuchtet die Fahrbahn, wogegen die Randbereiche die Fahrbahnumgebung ausleuchten. Zur Verdeutlichung soll eine beispielshafte Lichtverteilung betrachtet werden, die als Zusatzfernlichtverteilung geeignet und in Fig. 2 dargestellt ist. Hier ist erkenntlich, dass in der Bildmitte eine hohe Lichtleistung erforderlich ist (100 %), wogegen in den Randbereichen die Helligkeit bereits deutlich abnimmt. Kompensiert man in diesem Fall die Laserleistung eines sinusförmig in zwei Richtungen schwingenden Mikrospiegels, so kann man zeigen, dass nur noch ca. 10 - 20 % der installierten Laserleistung ausgenützt werden.
Eine Möglichkeit dem genannten Problem zumindest teilweise zu begegnen liegt darin, bei einem Leuchtbild, welches mithilfe von lD-Mikroscannern, d.h. um lediglich eine Achse bewegbaren Mikroscannern, erzeugt wird, unterschiedlich breite Leuchtbänder (ein Leuchtband auf dem Lichtkonversionsmittel entsteht natürlicherweise, wenn das Licht einer Laserlichtquelle (Laserdiode) über einen lD-Mikroscanner auf das Konversionsmittel gelenkt wird) zu verwenden. In AT 513916 A2 der Anmelderin wurden unterschiedlich breite Leuchtbänder zur Erhöhung der vertikalen Auflösung im Lichtbild verwendet. Eine Änderung der Leuchtbänderbreite und somit eine Anpassung der Breite der Leuchtbänder bezüglich der Laserleistung ist allerdings in diesem Dokument nicht beschrieben.
Eine Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Verfahren sowie eine nach einem solchen Verfahren arbeitende Laserbeleuchtungsvorrichtung für Kraftfahrzeugscheinwerfer zu schaffen, bei welchem eine verbesserte Ausnutzung der installierten Laserleistung bei möglichst geringem Aufwand für die Ansteuerung, insbesondere von optisch relevanten Bauteilen möglich ist.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei welchem erfindungsgemäß zumindest ein Teil des Leuchtbildes in Leuchtbänder unterteilt wird, wobei die Anzahl der Leuchtbänder als n bezeichnet ist, gewünschter Lichtstrom je Leuchtband ermittelt wird, gewünschter Breitenwert je Leuchtband hinsichtlich des gewünschten Lichtstroms berechnet wird, und die berechneten Breitenwerte zur Änderung der Breite des Lichtbandes im Lichtbild durch Änderung der Leuchtbandbreite auf dem Lichtkonversionsmittel verwendet werden.
Hinsichtlich der Anzahl der Laserlichtquellen kann es vorteilhaft sein, wenn die Änderung der Leuchtbandbreite durch Strahlteilen jeden Laserstrahls mittels der zumindest einen Vorsatzoptik, vorzugsweise eines teildurchlässigen Spiegels oder eines faseroptischen Strahlteilers, erfolgt.
Hinsichtlich der bautechnischen Veränderung der Laserbeleuchtungsvorrichtung kann es zweckmäßig sein, wenn die Änderung der Leuchtbandbreite durch Strahlfokussierung, d.h. durch Fokussieren oder Defokussieren, jeden Laserstrahls mittels der zumindest einen Vorsatzoptik, vorzugsweise einer Linsenanordnung, erfolgt.
Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, wenn die Strahlfokussierung durch eine Lageänderung der zumindest einen Vorsatzoptik, vorzugsweise einer Linsenanordnung, und/ oder des zumindest einen Lichtkonversionsmittels erfolgt.
Bei einer praxisbewährten Variante ist vorgesehen, dass der gewünschte Lichtstroms je Lichtband gemäß der Formel Em= Eges /n ermittelt wird, wobei Eges der Gesamtstrom ist.
Es kann außerdem von Vorteil sein, falls das Berechnen des gewünschten Breitenwerts pro Lichtband hinsichtlich des gewünschten Lichtstroms ferner aufweist:
Schritt s50: Aus wählen eines Lichtbandes;
Schritt s51: Ermitteln eines tatsächlichen Lichtstroms für dieses ausgewählte Lichtband; Schritt s52: Ermitteln eines tatsächlichen Breitenwertes, und
Schritt s53: Ändern des Breitenwertes, bis der tatsächliche Lichtstrom dem gewünschten Lichtstrom im Wesentlichen gleich ist.
Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, wenn das Berechnen des gewünschten Breitenwerts pro Lichtband hinsichtlich des gewünschten Lichtstroms ferner aufweist:
Schritt s60: Auswahlen eines Lichtbandes;
Schritt s61: Ermitteln eines tatsächlichen Breitenwertes;
Schritt s62: Ermitteln eines tatsächlichen Lichtstroms für das ausgewählte Lichtband;
Schritt s63: Vergleichen des tatsächlichen Lichtstroms mit dem gewünschten Lichtstrom; Schritt s64: Erhöhen oder Verringern oder Behalten des tatsächlichen Breitenwertes, je nachdem ob der tatsächliche Lichtstrom kleiner als der gewünschte Lichtstrom oder der tatsächliche Lichtstrom größer als der gewünschte Lichtstrom oder der tatsächliche Lichtstrom im Wesentlichen gleich dem gewünschten Lichtstrom ist; und
Schritt s65: Wiederholen der Schritte s62, s63 und s64 mit den geänderten Breitenwerten bis der tatsächliche Lichtstrom im Wesentlichen gleich dem gewünschten Lichtstrom ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch mit einer Laserbeleuchtungsvorrichtung der oben angegebenen Art gelöst, bei welcher die Steuer- und Recheneinheit dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, die vorstehend genannt wurden, durchzuführen.
Die Erfindung samt weiteren Vorteilen ist im Folgenden an Hand beispielsweiser Ausführungsformen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigt
Fig. 1 die für die Erfindung wesentlichen Komponenten einer Laserbeleuchtungsvorrichtung herkömmlicher Art und deren Zusammenhang in schematischer Darstellung,
Fig. 2 eine Aufteilung des mit der Laserbeleuchtungsvorrichtung der Fig. 1 erzeugten Lichtbildes in Lichtbänder nach dem Stand der Technik,
Fig. 3 ein Ablaufdiagramm einer Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 4 eine geänderte Aufteilung des Lichtbildes gemäß der geänderten Lichtbreitewerten aus dem Verfahren der Fig. 3,
Fig. 5a Positionen der Lichtbandgrenzen und Lichtstromwerte der Fig. 2,
Fig. 5b Positionen der Lichtbandgrenzen und Lichtstromwerte der Fig. 4,
Fig. 6a eine Vorsatzoptik nach dem Stand der Technik,
Fig. 6b eine verschiebbare Vorsatzoptik,
Fig. 6c ein verschwenkbares Lichtkonversionsmittel, und Fig. 6d eine Streulinse als Teil der Vorsatzoptik.
Zuerst wird auf die Fig. 1 Bezug genommen. Diese zeigt eine dem Stand der Technik bekannte Laserbeleuchtungsvorrichtung (siehe z.B. AT 514834 A2), die als Ausgangspunkt für ein erfindungsgemäßes Verfahren und eine erfindungsgemäße LaserbeleuchtungsVorrichtung dient.
Lichttechnischer Ausgangspunkt der hier dargestellten Laserbeleuchtungsvorrichtung sind zwei, hier übereinander liegende Gruppen 1 und 2 von je vier Laserlichtquellen 11,12,13,14 bzw. 15,16,17,18, welche je einen mit 11p bis 18p bezeichneten Laserstrahl abgeben können. Den Laser lichtquellen 11 bis 18 ist eine Laseransteuerung 3 zu geordnet, wobei diese Ansteuerung 3 zur Stromversorgung dient und auch zum Modulieren der Strahlintensität der einzelnen Laser eingerichtet ist. Unter "Modulieren" wird in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verstanden, dass die Intensität einer Laserlichtquelle geändert werden kann, sei es kontinuierlich oder, im Sinne eine Ein- und Ausschaltens, gepulst. Wesentlich ist, dass die Lichtleistung analog dynamisch geändert werden kann, je nachdem, an welche Stelle die Strahlen gelenkt werden. Zusätzlich gibt es noch die Möglichkeit des Ein-und Ausschaltens für eine gewisse Zeit, um definierte Stellen nicht zu beleuchten
Die Laseransteuerung 3 enthält ihrerseits wiederum Signale von einer zentralen Scheinwerferansteuerung 4, welcher Sensorsignale sl ... si ... sn zugeführt werden können. Diese Steuer- und Sensorsignale können einerseits beispielsweise Schaltbefehle zum Umschalten von Fernlicht auf Abblendlicht sein oder andererseits Signale, die von Lichtsensoren oder Kameras aufgenommen werden, welche die Beleuchtungsverhältnisse in der Umgebung des Fahrzeugs erfassen und beispielsweise bestimmte Bereiche im Lichtbild ausblenden oder abschwächen sollen. Die Laserlichtquellen 11 bis 18, die bevorzugt als Laserdioden ausgebildet sind, geben beispielsweise blaues oder UV-Licht ab.
Jeder Laserlichtquelle 11 bis 18 ist eine eigene Kollimatoroptik 21 bis 28 nachgeordnet, welche den zunächst stark divergenten Laserstrahl 11p bis 18p bündelt. Anschließend wird der Abstand der Laserstrahlen der ersten Gruppe 1 bzw. der zweiten Gruppe 2 je durch eine gemeinsame Sammellinse 31 bzw. 32 verringert und mit nachfolgenden Zerstreuungslinsen 41 bzw. 42 wird der Austrittswinkel der Laserstrahlen so gering wie möglich gehalten.
Die vier in der beschriebenen Weise "gebündelten" Laserstrahlen 11p, 12p, 13p, und 14p der ersten Gruppe 1 treffen auf einen ersten Mikroscanner 51 und analog treffen die Laserstrahlen 15p, 16p, 16p, und 18p der zweiten Gruppe 2 auf einen zweiten Mikroscanner 52 auf und werden gemeinsam auf ein im vorliegenden Fall als Leuchtfläche ausgebildetes Lichtkonversionsmittel 60 reflektiert. Unter dem Begriff „Mikroscanner" wird hier ein um eine oder zwei räumliche Achsen verschwenkbares allgemeines Strahlablenkmittel verstanden, das meist als ein Mikrospiegel ausgebildet ist, nicht unbedingt als solcher ausgebildet sein muss sondern als z.B. ein Prisma ausgebildet sein kann. Das Lichtkonversionsmittel 60 weist in bekannter Weise einen Phosphor zur Lichtkonversion auf, welcher beispielsweise blaues oder UV-Licht in "weißes" Licht umwandelt. Unter "Phosphor" wird in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ganz allgemein ein Stoff oder eine Stoffmischung verstanden, welche Licht einer Wellenlänge in Licht einer anderen Wellenlänge oder eines Wellenlängengemisches, insbesondere in "weißes" Licht, umwandelt, was unter dem Begriff "Wellenlängenkonversion" subsumierbar ist. Dabei wird unter "weißes Licht" Licht einer solchen Spektralzusammensetzung verstanden, welches beim Menschen den Farbeindruck "weiß" hervorruft. Der Begriff "Licht" ist natürlich nicht auf für das menschliche Auge sichtbare Strahlung eingeschränkt. Für das Lichtkonversionsmittel kommen auch Optokeramiken in Frage, das sind transparente Keramiken, wie beispielsweise YAG-Ce (ein Yttrium-Aluminium-Granat mit Cer dotiert).
Der Mikroscanner 51 wird von einer Mikroscanneransteuerung 5 angesteuert und in Schwingungen konstanter oder variabler Frequenz versetzt, wobei diese Schwingungen insbesondere der mechanischen Eigenfrequenz des Mikroscanners entsprechen können. Auch die Mikroscanneransteuerung 5 wird ihrerseits von der Scheinwerferansteuerung 4 gesteuert, um die Schwingungsamplitude der Mikroscanner 51, 52 einstellen zu können, wobei auch asymmetrisches Schwingen um die Achse einstellbar sein kann. Die Ansteuerung von Mikroscannern ist bekannt und kann auf vielerlei Art erfolgen, z.B. elektromagnetisch, elektrostatisch, thermoelektrisch und piezoelektrische. Bei erprobten Ausführungsformen der
Erfindung schwingen die Mikroscanner 51, 52 beispielsweise mit einer Frequenz von einigen hundert Hz und ihr maximaler Ausschlag beträgt in Abhängigkeit von ihrer Ansteuerung einige wenige Grad bis 60°. Die Position der Mikroscanner 51,52 wird zweckmäßigerweise an die Mikroscanneransteuerung 5 und/ oder an die Scheinwerferansteuerung 4 rückgemeldet. Die beiden Mikroscanner können synchron schwingen, es ist aber auch ein nicht synchrones Schwingen anwendbar, beispielsweise um die thermische Belastung der Leuchtfläche bzw. des Lichtkonversionsmittels gleichmäßiger zu gestalten.
Wenngleich diese Beleuchtungsvorrichtung Mikroscanner zeigt, die nur um eine Achse schwingen, ist es auch möglich, Mikroscanner zu verwenden, die um zwei Achsen schwingen. In diesem Fall können mehrere Laserstrahlen auf einen solchen Mikroscanner gerichtet sein, welcher dann überlappende oder direkt aneinander anliegende Lichtbänder erzeugt. Auch sind Ausführungen mit lediglich einem einzigen Mikroscanner denkbar, bei welchen beispielsweise die Laserstrahlen entgegen der Hauptabstrahlrichtung des Scheinwerfers direkt auf den Mikroscanner auftreffen, der dann die Laserstrahlen auf einen durchleuchteten Phosphor lenkt.
Im Allgemeinen sind Ausführungsformen mit unterschiedlicher Anzahl von Laserlichtquellen und den Laserlichtquellen nachgeordneten Optiken und zugeordneten Mikroscannern möglich. Neben der oben beschriebenen Ausführungsform, bei welche ein Mikroscanner mehreren Laserlichtquellen zugeordnet ist, ist es z.B. durchaus möglich, dass jeder Laserlichtquelle genau ein Mikroscanner zugeordnet ist, sodass nur der von dieser Laserlichtquelle erzeugte Laserstrahl von diesem Mikroscanner umgelenkt wird. Alternativ ist es denkbar, dass einer der einen Laserlichtquelle nachgeordneten Optiken als ein Strahlteiler ausgebildet ist, in welchem Fall einer einzigen Laserlichtquelle zwei oder mehr Mikroscanner zugeordnet sind. Dabei können die Laserlichtquellen, die Optiken und die Mikroscanner unterschiedlich gruppiert und zueinander angeordnet werden, je nach verfügbaren Bauraum oder Wärmeabfuhrerfordernissen. Die Aufteilung auf zwei Gruppen von Laserlichtquellen und die Verwendung von zwei Mikroscannern bringt allerdings Vorteile hinsichtlich eines kompakten Aufbaus und einer gut beherrschbaren Wärmeabfuhr, zumal die mögliche thermische Belastung eines Mikroscanners begrenzt ist.
Fig. 2 zeigt ein mittels der Laserbeleuchtungsvorrichtung der Fig. 1 erzeugtes Lichtbild auf der Fahrbahn, das als eine Zusatzfernlichtverteilung LV, welche eine Höhe hLv aufweist, ausgebildet ist, und verdeutlicht die eingangs formulierte Aufgabe einer optimalen Ausnutzung der Leistung der Laserlichtquellen 11 bis 18. Der Begriff „Fahrbahn" wird hier zur vereinfachten Darstellung verwendet, denn selbstverständlich hängt es von den örtlichen Gegebenheiten ab, ob sich das Lichtbild tatsächlich auf der Fahrbahn befindet oder auch darüber hinaus erstreckt. Z.B. um die abgestrahlten Lichtverteilungen zu testen, erzeugt man eine Projektion des Lichtbildes auf eine vertikale Fläche entsprechend der einschlägigen Normen (auf einem Messschirm, welches in einem gesetzlich vorgeschriebenen Abstand vor der jeweiligen KFZ-Beleuchtungsvorrichtung vertikal aufgestellt wird), die sich auf die KFZ-Beleuchtungstechnik beziehen. Das Lichtbild LV ist in acht gleich große, d.h. gleich breite und gleich lange, horizontal verlaufende Lichtbänder El bis E8 unterteilt, welche eine Breite boi bis bos aufweisen. Dabei ist zu beachten, dass die Summe der Lichtbandbreiten boi bis bos immer die Höhe der Lichtverteilung luv ergibt, wobei die Höhe hLv gesetzlich festgelegte Normen erfüllt. Die Anzahl der Lichtbänder entspricht der Anzahl der Laserlichtquellen 11 bis 18, wobei jedes Lichtband von einer dazugehörigen Lichtquelle erzeugt wird: El von 11, E2 von 12, bis E8 von 18. Um ein gesetzeskonformes Lichtbild zu erzeugen, muss jedes Lichtband vorgeschriebene Werte der Beleuchtungsstärke aufweisen. Um diese Werte zu erzielen, müssen auf dem Lichtkonversionsmittel 60 Leuchtbänder mit einer entsprechenden Lichtstärke realisiert werden. In dem gezeigten Fall werden die vorgeschriebenen Werte der Beleuchtungsstärke durch das Modulieren der Laserlichtquellen erreicht, z.B. für das als „hellste" erscheinende Lichtband E7 wird die Laserlichtquelle 17 bei einer im Wesentlichen maximalen Leistung betrieben, wohingegen von dem ersten Leuchtband, das als das „dunkelste" Lichtband El im Lichtbild erscheint, wesentlich weniger Lichtstärke benötigt wird (dies wird auch in der rechten Spalte der Fig. 5a verdeutlicht). Infolgedessen wird auch von der Laserlichtquelle 11 weniger Leistung abverlangt. Die Tatsache ob ein Lichtband „hell" oder „dunkel" erscheint, lässt sich physikalisch durch den durch das entsprechende Lichtband fließenden Lichtstrom ausdrücken. So ist z.B. der rechten Spalte der Tabelle in der Fig. 5a zu entnehmen, dass der durch die Fläche des Lichtbands E7 fließende Lichtstrom wesentlich höher als der durch die Fläche des Lichtbandes El fließende Lichtstrom ist.
Das bereits in Zusammenhang mit der Fig. 2 erwähnte Unterteilen des Lichtbildes in Lichtbänder (oder äquivalenterweise Leuchtbildes in Leuchtbänder) ist der erste Schritt eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens. Da die einschlägigen Messungen an der Lichtverteilung, d.h. am Lichtbild vorgenommen werden, wird im Weiteren von Lichtbändern und Lichtströmen je Lichtband (gemessen in Lumen) gesprochen.
Alternativ ist es denkbar die Lichtstärke je Leuchtband in einer vorgegebenen Richtung direkt am Konversionsmittel 60 zu messen (in Candela). Welche Größe der Ausgangspunkt für das erfindungsgemäße Verfahren ist, wählt der Fachmann je nach vorliegenden Messdaten selbst.
Wie bereits oben erwähnt entspricht die Anzahl der Lichtbänder n der Anzahl der verwendeten Laserdioden N, wobei der Einfachheit halber angenommen wird, dass jede Laserlichtquelle dieselbe maximale Leistung aufweist. Diese Annahme stellt allerdings keine Einschränkung dar, sodass das erfindungsgemäße Verfahren ohne weiteres für Laserlichtquellen mit einer unterschiedlichen maximalen Leistung verwendet werden kann.
In einem weiteren Schritt wird ein gewünschter Lichtstrom je Lichtband (Lichtstärke je Leuchtband) festgelegt. Dieser und weitere Verfahrensschritte eines Ausführungsbeispiels sind in einem Ablaufdiagramm in Fig. 3 dargestellt. Bei dem Ablaufdiagramm der Fig. 3 wird der gewünschte Lichtstrom Em je Lichtband gemäß der Formel Em= Eges / n bestimmt, wobei Eges der Lichtstrom für das gesamte Lichtbild (Gesamtlichtstrom) ist, wodurch ein über die Lichtbänder im Wesentlichen gleichverteilter gewünschter Lichtstrom erzielt wird. Es ist allerdings durchaus denkbar, den gewünschten Lichtstrom je Lichtband auf eine andere dem Fachmann zugängliche und nahliegende Weise zu berechnen und dadurch eine andere Verteilung des gewünschten Lichtstroms über die Lichtbänder zu erzielen.
Im nächsten Schritt werden anhand des Gesamtlichtstroms Eges, der Anzahl der Lichtbänder n, der Höhe der Lichtverteilung 1ilv, und des gewünschten Lichtstroms Em je Lichtband die gewünschten Breitenwerte der Lichtbänder berechnet. Dies kann in einem oder mehreren Schritten erfolgen, wobei bei dem in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel zunächst ein Lichtband LEf ausgewählt (Schritt s60), und sein tatsächlicher Breitenwert hoi ermittelt (Schritt s61). Anschließend (Schritt s62) wird der durch dieses Lichtband LBi fließende Lichtstrom Eoi ermittelt. In einem nächsten Schritt s63 wird der tatsächliche Lichtstrom Eoi mit dem gewünschten Lichtstrom Em verglichen. Falls der tatsächliche Lichtstrom Eoi und der gewünschte Lichtstrom Em im Wesentlichen gleich sind, wird einfach das nächste Lichtband ausgewählt. Falls allerdings der tatsächliche Lichtstrom Eoi kleiner bzw. größer als der gewünschte Lichtstrom Em ist, wird der Breitenwert boi des Lichtbandes LBi um einen vorgegebenen Wert bx erhöht bzw. verringert - Schritt s64. Durch die Änderung der Breite des ausgewählten Lichtbands LBi zu einem neuen Wert b'oi = boi + bx bzw. b'oi = boi - bx wird auch der Lichtstrom durch dieses Lichtband verändert. Die Schritte s62 bis s64 werden solange wiederholt, bis der geänderte Wert des Lichtstroms E'oi für das ausgewählte Lichtband dem gewünschten Lichtstrom Em im Wesentlichen gleich ist. Nachfolgend wird das nächste Lichtband ausgewählt.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die Lichtbänder mit einem Laufindex i versehen. Im nächsten Schritt wird der Laufindex mit der Anzahl der Lichtbänder n verglichen. Gleicht dieser Wert der Anzahl der Lichtbänder n, bedeutet das, dass bereits die Breitenwerte aller Lichtbänder angepasst sind und dass der geänderte Lichtstrom durch jedes Lichtband im Wesentlichen gleich dem gewünschten Lichtstrom ist. Gleicht dieser Wert nicht der Anzahl der Lichtbänder n, so wird der Laufindex i um eins erhöht.
Es sei an dieser Stelle gesondert darauf verwiesen, dass die Änderung der Lichtbandbreiten boi bis bos unter einer Bedingung erfolgt: die Summe der gewünschten Lichtbandbreiten b'oi bis b'os muss im Wesentlichen die Höhe der abgestrahlten Lichtverteilung hLv ergeben. Daraus folgt, dass bei der Optimierung der Typ der Lichtverteilung nicht verändert wird. Wenngleich das bevorzugte Ausführungsbeispiel eine Änderung der Lichtbandbreiten bei einer Zusatzfernlichtverteilung behandelt, kann das Verfahren ohne weiteres für die Änderung der Lichtbandbreiten bei anderen Typen der Lichtverteilungen, beispielsweise Abblendlicht-, Fernlicht-, Schlechtwetterlicht-, Kurvenlicht- und andere gesetzkonforme Lichtverteilungen, eingesetzt werden. Dabei eignet sich das Verfahren insbesondere für eine Voreinstellung der Laserlichtbeleuchtungsvorrichtung, d.h. die Breitenwerte der durch die
Laserlichtbeleuchtungsvorrichtung erzeugten Lichtbänder werden mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens vor Inbetriebnahme der Laserlichtbeleuchtungsvorrichtung eingestellt und im Betrieb nicht weiter verändert. Allerdings schließt dies die Verwendung des Verfahrens bei sogenannten dynamischen Lichtverteilungen nicht aus.
Die Unterteilung der oben beschriebenen Zusatzfernlichtverteilung LV in Lichtbänder ET bis ET mit der geänderten Lichtbandbreite b'oi bis b'os ist in Fig. 4 gezeigt. Dabei liegt die obere bzw. die untere Grenze jedes Lichtbandes bei b'oio bis b'oso bzw. bei b'oiu bis b'osu. Die Summe der Lichtbandbreiten b'oi bis b'os ist gleich der Höhe Itlv der Zusatzlichtverteilung LV.
Die Unterschiede zwischen den ursprünglichen und den mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erreichten Lichtstromwerten je Lichtband sind in den Tabellen in Fig. 5a und Fig. 5b verdeutlicht. Dabei beträgt die ursprüngliche Lichtbandbreite 0,375° je Lichtband, wobei die Lichtstromwerte zwischen 7 und 39 Lm (Lumen) je nach Lichtband streuen (Fig. 5a). Bei den Lichtbändern mit einer geänderten (optimierten) Breite ist die Streuung der Lichtstromwerte wesentlich kleiner und beträgt maximal 13 Lm (Fig. 5b).
Obwohl die in diesem Ausführungsbeispiel betrachteten Lichtbänder horizontal ausgerichtet sind, kann das Verfahren auf ein in horizontale und / oder vertikale Lichtbänder unterteiltes Lichtbild angewandt werden.
Abschließend stellen die Figuren 6a bis 6f technische Mittel zur Änderung der Leuchtbandbreite auf dem Konversionsmittel 60 schematisch dar. Dabei wird der Einfachheit der Darstellung halber nur eine Laserlichtquelle LQ mit ihr vorgelagerten Vorsatzoptik VO und dem Konversionsmittel 60 betrachtet. Dabei weist kein Aufbau einen Mikroscanner auf, sodass der Laserlichtstrahl L nach der Vorsatzoptik VO auf das Konversionsmittel 60 trifft und einen Leuchtfleck LFa bis LFf erzeugt. In den Fig. 6a bis 6d wird das Prinzip der Strahlfokussierung bzw. Strahldefokussierung, d.h. einer Verschiebung des Brennpunktes der Vorsatzoptik bezüglich des Konversionsmittels, thematisiert. In den Figuren 6e und 6f ist ein weiteres technisches Mittel zur Änderung der Leuchtbandbreite mittels Strahlteilung auf dem Konversionsmittel 60 dargestellt.
Unter dem Begriff „Vorsatzoptik" wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eine Anordnung optisch relevanter Elemente verstanden. Diese Anordnung kann im einfachsten Fall eine, zwei oder mehr Linsen (Fig. 6a bis 6d) aufweisen und zur Strahlfokussierung bzw. Strahlkollimation eingerichtet sein. Darüber hinaus kann diese Anordnung zusätzliche Strahlteiler, welche beispielsweise als teildurchlässige Spiegel oder faseroptische Strahlteiler ausgebildet sind, und / oder Spiegel aufweisen (Figuren 6e und 6f)
In der Fig. 6a ist der Laserstrahl auf das Lichtkonversionsmittel 60 fokussiert und erzeugt einen sehr kleinen Leuchtfleck LFa. Wird zwischen der Vorsatzoptik VO und dem Konversionsmittel 60 ein schwingender Mikroscanner gestellt, entsteht auf dem Konversionsmittel eine leuchtende Kurve. Die Fig. 6b zeigt technische Mittel für eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der durch die Bewegung der Vorsatzoptik VO die Größe des Leuchtflecks LFb und folglich die Leuchtbandbreite verändert werden kann. Dabei wird der Laserlichtstrahl L durch eine Parallelverschiebung der Vorsatzoptik VO entlang der Lichtausbreitungsrichtung defokussiert. Die Fig. 6c zeigt eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung, bei welcher das Konversionsmittel 60 um zumindest eine Achse verschwenkbar ist und durch das Verschwenken die Größe des durch den Laserstrahl L erzeugten Leuchtflecks LFC variiert werden kann. Die Fig. 6d zeigt noch eine weitere Ausführungsform, bei der in der Vorsatzoptik VO eine Streulinse verwendet wird, welche den Laserstrahl L defokussiert. Dadurch wird wiederum die Leuchtfleckgröße LFd verändert.
Die Figuren 6e und 6f zeigen zwei weitere Möglichkeiten, die Leuchtbandbreite zu verändern und beruht auf dem Prinzip der Strahlteilung. Fig. 6e zeigt eine Laserlichtquelle LQ und eine Vorsatzoptik VO, welche Vorsatzoptik VO als eine Anordnung von zwei Linsen LI und L2, einem zusätzlichen 50/ 50-Strahlteiler BS (50/ 50 bezieht sich auf die Aufteilung der Intensität des transmittierten und des reflektierten Lichts) und einem zusätzlichen Spiegel M ausgebildet ist. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, wenn die Anzahl der bei einer nicht optimalen Leistung verwendeten Laserlichtquellen reduziert werden soll. Dabei werden zwei Leuchtbänder mit einer einzigen Laserlichtquelle LQ erzeugt, wobei nur 50% der Leistung der Laserlichtquelle je Leuchtband LFei, LFe2 verbraucht wird. Die Breite des resultierenden gesamten Leuchtbandes LFe ist doppelt so groß wie die Breite eines Leuchtbandes ohne des 50/50-Strahlteilers BS und des Spiegels M. An dieser Stelle soll angemerkt sein, dass die Linse L2 bloß eine schematische Darstellung ist und nicht einstückig ausgebildet sein muss. Im Allgemeinen kann die Linse L2 durch eine weitere Anordnung von Optiken ersetzt werden, um die Breite der Leuchtbänder LFei, LFe2 weiter zu verändern. Darüber hinaus soll hier zum Verstehen gegeben sein, dass diese Ausführungsform nicht durch Verwendung eines 50/50-Strahlteilers BS und eines Spiegels M eingeschränkt ist. Es können Anordnungen von mehreren Strahlteilern und Spiegeln verwendet werden, wobei jeder Strahlteiler in einer solchen Anordnung einen von dem 50/50-Strahteiler unterschiedlichen Transmission- bzw. Reflexionskoeffizienten (beispielsweise einen Reflexionskoeffizient von 1/3, 1/4, 1/5, 1/6 oder 1/8) aufweisen kann.
Des Weiteren zeigt die Fig. 6f eine Ausführungsform, bei der die Strahlteilung mithilfe eines faseroptischen Strahlteilers F erfolgt. Dabei wird die Intensität des von der Laserlichtquelle LQ abgestrahlten Laserstrahls über zwei aus dem faseroptischen Strahlteiler F austretenden Laserstrahlen verteilt. Wie im in Fig. 6e dargestellten Beispiel muss auch hier die Intensitätsverteilung über zwei Strahlen nicht gleich sein. Darüber hinaus ist auch hier die Strahlteilung in zwei austretende Laserstrahlen nicht einschränkend. Es können mehrere (3,4, 5, oder sogar noch mehr) austretende Laserstrahlen mit unterschiedlichen Intensitätsanteilen des abgestrahlten Laserstrahls erzeugt werden. Die Linse L2 ist wiederum eine schematische
Darstellung einer allgemeineren Anordnung von Optiken. Für die Linsenanordnung L2 der Fig. 6f gelten dieselben Bemerkungen, die hinsichtlich der Linseanordnung L2 der Fig. 6e gemacht wurden.
Abschließend soll darauf hingewiesen werden, dass die in Figuren 6a bis 6f dargestellten technischen Mittel einander nicht ausschließen, sondern durchaus kombiniert werden können. Es kann beispielsweise aus bautechnischen Gründen vorteilhaft sein eine Laserbeleuchtungsvorrichtung zu schaffen, die teildurchlässige Spiegel, faseroptische Strahlteiler und Linsenanordnungen gleichzeitig umfasst, wobei zumindest ein Teil der genannten Mittel bewegbar sein kann.

Claims (8)

  1. Patentansprüche
    1. Verfahren zum Ansteuern einer Laser beleuchtungs Vorrichtung für einen Fahrzeugscheinwerfer, wobei die Laserbeleuchtungsvorrichtung zwei oder mehr modulierbare Laserlichtquellen (11 bis 18) umfasst, wobei die Anzahl der Laserlichtquellen als N bezeichnet ist, und jede Laserlichtquelle einen Laserstrahl (11p bis 18p) erzeugt und jeder Laserlichtquelle zumindest eine Vorsatzoptik (21 bis 28) nachgeordnet und zumindest ein Mikroscanner (51, 52) zugeordnet ist, und jeder Mikroscanner dazu eingerichtet ist, die zwei oder mehr Laserstrahlen auf zumindest ein Lichtkonversionsmittel (60) zu lenken, wodurch an dem zumindest einen Lichtkonversionsmittel ein Leuchtbild erzeugt wird, und dem zumindest einen Lichtkonversionsmittel ein Abbildungssystem (PS) zugeordnet ist, um das Leuchtbild als Lichtbild auf die Fahrbahn abzubilden, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte auf weist: Unterteilen zumindest eines Teils des Leuchtbildes in Leuchtbänder, wobei die Anzahl der Leuchtbänder als n bezeichnet ist, Ermitteln des gewünschten Lichtstroms je Leuchtband, Berechnen eines gewünschten Breitenwerts je Leuchtband hinsichtlich des gewünschten Lichtstroms, und Verwenden der berechneten Breitenwerte zur Änderung der Breite des Lichtbandes im Lichtbild durch Änderung der Leuchtbandbreite auf dem Lichtkonversionsmittel.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Leuchtbandbreite durch Strahlteilen jeden Laserstrahls mittels der zumindest einen Vorsatzoptik, vorzugsweise eines teildurchlässigen Spiegels (BS) oder eines faseroptischen Strahlteilers (F), erfolgt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Leuchtbandbreite durch Strahlfokussierung jeden Laserstrahls mittels der zumindest einen Vorsatzoptik, vorzugsweise einer Linsenanordnung (VO), erfolgt.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlfokussierung durch eine Lageänderung der zumindest einen Vorsatzoptik, vorzugsweise einer Linsenanordnung (VO), und/oder des zumindest einen Lichtkonversionsmittels (60) erfolgt.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln des gewünschten Lichtstroms (Em) je Lichtband gemäß der Formel Em= Eges /n, wobei Eges der Gesamtstrom ist.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnen des gewünschten Breitenwerts pro Lichtband hinsichtlich des gewünschten Lichtstroms (Em) ferner aufweist: (s50) Auswählen eines Lichtbandes (LBi) (s51) Ermitteln eines tatsächlichen Lichtstroms (Eoi) für dieses ausgewählte Lichtband (LBi), (s52) Ermitteln eines tatsächlichen Breitenwertes (boi), (s53) Ändern des Breitenwertes (boi), bis der tatsächliche Lichtstrom (Eoi) des gewünschten Lichtstroms (Em) im Wesentlichen gleich ist.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnen des gewünschten Breitenwerts pro Lichtband hinsichtlich des gewünschten Lichtstroms (Em) ferner aufweist: (s60) Auswählen eines Lichtbandes (LBi) (s61) Ermitteln eines tatsächlichen Breitenwertes (boi), (s62) Ermitteln eines tatsächlichen Lichtstroms (Eoi) für das ausgewählte Lichtband (LBi), (s63) Vergleichen des tatsächlichen Lichtstroms (Eoi) mit dem gewünschten Lichtstrom (Em), (s64) Erhöhen oder Verringern oder Behalten des tatsächlichen Breitenwertes (boi), je nachdem ob der tatsächliche Lichtstrom (Eoi) kleiner als der gewünschte Lichtstrom (Em) oder der tatsächliche Lichtstrom (Eoi) größer als der gewünschte Lichtstrom (Em) oder der tatsächliche Lichtstrom (Eoi) im Wesentlichen gleich des gewünschten Lichtstroms (Em) ist. (s65) Wiederholen der Schritte (s62), (s63) und (s64) mit den geänderten Breitenwerten bis der tatsächliche Lichtstrom (Eoi) im Wesentlichen gleich des gewünschten Lichtstroms (Em) ist.
  8. 8. Laserbeleuchtungsvorrichtung für einen Fahrzeugscheinwerfer mit zwei oder mehr modulierbare Laserlichtquellen (11 bis 18), wobei die Anzahl der Laserlichtquellen als N bezeichnet ist, und jeder Lichtquelle zumindest eine Vorsatzoptik (21 bis 28) nachgeordnet und zumindest ein Mikroscanner (51, 52) zugeordnet ist, und jeder Mikroscanner dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl auf zumindest ein Lichtkonversionsmittel (60) zu lenken, wodurch an dem zumindest einen Lichtkonversionsmittel ein Leuchtbild erzeugt wird, und dem zumindest einen Lichtkonversionsmittel ein Abbildungssystem zugeordnet ist, um das Leuchtbild als Lichtbild auf die Fahrbahn abzubilden, und einer Steuer- und Recheneinheit, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Recheneinheit dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
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