DE102004008296A1

DE102004008296A1 - Scheinwerferlinse und Scheinwerfer

Info

Publication number: DE102004008296A1
Application number: DE102004008296A
Authority: DE
Inventors: Tom Siegel
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-02-20
Filing date: 2004-02-20
Publication date: 2005-09-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Scheinwerferlinse (10) sowie einen Scheinwerfer mit einer Scheinwerferlinse (10) und einem zumindest eine Fresnellinse (15) aufweisenden Lichtdurchtrittskörper (12), wobei der Lichtdurchtrittskörper (12) eine Vielzahl von vertikal und horizontal nebeneinander angeordneten, mit ihren Flachseiten senkrecht zu einer Hauptachse (11) des Strahlengangs stehenden Fresnellinsen (15) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Scheinwerferlinse sowie einen Scheinwerfer nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Derartige Scheinwerferlinsen sind aus der Patentschrift DE 101 29 743 C2 bekannt. Dort wird eine Sammellinse vorgeschlagen, die aus einem zweidimensionalen Array von Leuchtdioden eine Vielzahl von Lichtbündeln empfängt und diese je nach Ansteuerung des Arrays in verschiedenen Beugungswinkeln umlenkt. Die in dem zweidimensionalen Array angeordneten Leuchtdioden werden über eine Ansteuerelektronik einzeln oder gruppenweise selektiv zum Leuchten gebracht. Als Sammellinse ist in der DE 101 29 743 C2 eine Fresnellinse offenbart. Im Gegensatz zu der üblichen gekrümmten Einzelfläche einer Sammellinse setzt sich die Fresnellinse aus einer Reihe konzentrischer, auf einer Oberfläche ausgebildeter Rillen zusammen. Die Rillen weisen gekrümmte oder abgeschrägte Oberflächen auf, welche als Brechflächen wirken. Je nach Abstand und/oder Höhe der Rillen bzw. deren Ausgestaltung kann die Brennweite der Fresnellinse verändert und somit eine gewünschte Lichtverteilung eingestellt werden. Durch die strukturierte, gestufte Linsenvorderseite werden große Linsendicken vermieden, was insbesondere bei der Ausbildung von großen Linsenkörpern, beispielsweise bei Leuchttürmen, von Vorteil ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Scheinwerferlinse mit einer verbesserten Lichtverteilung bereitzustellen, die insbesondere für die Verwendung in Kraftfahrzeugscheinwerfern geeignet ist. Gleichzeitig sollen die designerischen Gestaltungsmöglichkeiten verbessert werden. Ferner soll ein Scheinwerfer mit verbesserter Lichtverteilung angegeben werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Die erfindungsgemäße Scheinwerferlinse umfasst einen Lichtdurchtrittskörper, auf dem eine Vielzahl von vertikal und horizontal nebeneinander liegenden, mit ihren Flachseiten senkrecht zu einer Hauptachse des Strahlengangs stehenden Fresnellinsen angeordnet ist.
Ein erfindungsgemäßer Scheinwerfer ist dadurch ausgezeichnet, dass er zumindest eine Scheinwerferlinse aufweist, die eine Vielzahl von horizontal und vertikal nebeneinander angeordneten Fresnellinsen aufweist. Dadurch werden kompakte Scheinwerfer mit einer verbesserten Lichtverteilung sowie günstigen, vorteilhaften Abbildungseigenschaften erzielt.
Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind der Beschreibung sowie den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Die Rillenstruktur der Fresnellinsen auf oder in dem Lichtdurchtrittskörper kann sowohl auf einer leuchtquellenabgewandten als auch auf einer leuchtquellenzugewandten Seite der Scheinwerferlinsenseite sein. Vorzugsweise ist die Rillenstruktur auf beiden Seiten vorgesehen. Mit Hilfe dieser speziellen Anordnung kann die Abbildungseigenschaft des Lichtdurchtrittskörpers erheblich verbessert werden, denn je nach Ausgestaltung der einzelnen Fresnellinsen kann deren Brennweite individuell eingestellt werden, wodurch insgesamt die Lichtverteilung und die Lichtausbeute des Lichtdurchtrittskörpers verändert und an die jeweilige Anforderung an die optischen Eigenschaften der Scheinwerferlinse angepasst werden kann. Gleichzeitig ist ein hohes Maß an gestalterischer Freiheit zur Formgebung, Anordnung und Ausgestaltung der Scheinwerferlinse bzw. des Scheinwerfers gegeben.
Die auf den Fresnellinsen angeordneten Rillen können konzentrisch angeordnet sein. Es kann in einer alternativen Ausführungsform auch eine exzentrische Anordnung der Rillen vorgesehen sein. Ebenso können Rillen einer Fresnellinse teilweise konzentrisch und teilweise exzentrisch angeordnet sein. Die Rillen weisen vorzugsweise einen Abstand zueinander auf, der kleiner ist als das räumliche Auflösungsvermögen des bloßen Auges. Dieses liegt bei Dimensionen von weniger als 1 mm, typischerweise bei 0,1 mm. Entsprechend beträgt der Rillenabstand vorzugsweise höchstens 1 mm, besonders bevorzugt höchstens 0,1 mm. Die Höhe der einzelnen Rillen kann dementsprechend dimensioniert sein, insbesondere höchstens 1 mm, bevorzugt höchstens 0,1 mm sein. Der Abstand der einzelnen Rillen zueinander kann gleichmäßig oder ungleichmäßig groß sein. Deren Höhe kann gleich groß oder unterschiedlich sein. Je nachdem, wie die Rillen zueinander beabstandet sind bzw. wie deren Höhe ausgestaltet ist, kann die durch die Scheinwerferlinse tretende Strahlung einer Licht emittierenden Anordnung moduliert werden. Unter Licht soll dabei elektromagnetische Strahlung im Sichtbaren sowie im Ultravioletten und Infraroten verstanden werden.
Die einzelnen Fresnellinsen weisen bevorzugt einen äußeren Durchmesser auf, der höchstens 1 mm, vorzugsweise höchstens 0,1 mm beträgt. Die Anordnung der Fresnellinsen auf dem Lichtdurchtrittskörper sowie die Ausgestaltung der Rillen sind aufgrund dieser Dimensionierung mit freiem Auge nicht mehr erkennbar. Es entfällt somit die herkömmliche sichtbare Ringoptik der Fresnellinse, die in designerischer Hinsicht altertümlich wirken kann. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen, vorzugsweise mit üblichen, beispielsweise aus der Halbleiterindustrie, bekannten Mitteln der Lithographie und Mikrostrukturierung mikrostrukturierten Oberfläche des Lichtdurchtrittskörpers werden die designerischen Gestaltungsmöglichkeiten sowie die Abbildungseigenschaften des Scheinwerfers verbessert. Je nach der ausgewählten Lichtbündelverteilung der Scheinwerferlinse kann ein Fernlicht oder ein Abblendlicht für einen Frontscheinwerfer bzw. unterschiedliche Rücklichtfunktionen in Form eines Rücklichts, einer Bremsleuchte oder einer Nebelschlussleuchte erzielt werden.
Als Lichtquellen kommen dabei sowohl übliche Leuchtkörper als auch Leuchtdioden, Laserstrahlen und dergleichen in Frage. Die Abstrahleigenschaften des Scheinwerfers und der Scheinwerferlinse können durch unterschiedlich platzierte Lichtquellen lokal unterschiedlich modifiziert sein. Fällt beispielsweise Licht aus einem ersten Bereich auf einen Bereich der Scheinwerferlinse, kann diese das Licht in der Art eines Abblendlichts abgeben. Fällt Licht aus einem zweiten Bereich auf die Scheinwerferlinse, kann diese aufgrund der Fresnellinseneigenschaften das Licht als Fernlicht abgeben.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Lichtdurchtrittskörper plattenförmig, was sich im Hinblick auf den geringen Materialbedarf und auf die geringe Bautiefe des Scheinwerfers positiv auswirkt. Optional ist auch eine gekrümmte Oberfläche der Scheinwerferlinse denkbar. Dies eröffnet weitere Gestaltungsmöglichkeiten hinsichtlich der designerischen Ausgestaltung sowie der gewünschten Abbildungseigenschaften des Scheinwerfers.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination, die der Fachmann zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen wird.
Dabei zeigen:
1a, 1b schematische Darstellungen der Funktionsweise einer bekannten Fresnellinse (a), und zum Größenvergleich eine korrespondierende konventionelle Linse (b),
2 eine stark vereinfachte Detailansicht einer Fresnellinse einer erfindungsgemäßen Scheinwerferlinse im Längsschnitt, und
3 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Scheinwerferlinse im Längsschnitt.
In den Figuren sind im Wesentlichen gleich bleibende Teile mit gleichen Bezugszeichen beziffert.
In 1 ist eine Scheinwerferlinse 10 dargestellt, die senkrecht zu einer Hauptachse 11 des Strahlengangs von Lichtstrahlen C angeordnet ist. Die Scheinwerferlinse 10 umfasst einen Lichtdurchtrittskörper 12, der eine strukturierte Vorderseite E und eine unstrukturierte, flache Hinterseite F aufweist. Auf der Oberfläche der strukturierten Vorderseite E sind bezogen auf eine auf der Hauptachse 11 liegende Mittel linie konzentrisch ausgebildete Rillen 20 angeordnet, von denen der Übersichtlichkeit wegen nur einige mit Bezugszeichen beziffert sind. Die optische Wirksamkeit ist dabei vom Einfallswinkel der Strahlung abhängig, wie leicht an der 1 erkennbar ist. Die einzelnen Rillen 20 sind ungleichmäßig beabstandet und zum Rand des Lichtdurchtrittskörpers 12 der Scheinwerferlinse 10 hin enger beabstandet. Die Höhe der einzelnen Rillen 20 variiert, und die Höhe der am Rand der Scheinwerferlinse 10 liegenden Rillen 20 ist größer als die näher an der Hauptachse 11 näher liegenden Rillen 20.
Die Rillen 20 weisen jeweils gekrümmte oder abgeschrägte Teilflächen A, B auf, welche als optische Brechflächen wirken. Die optische Wirksamkeit hängt dabei, wie leicht ersichtlich ist, vom Einfallswinkel der Strahlung ab. In 1a werden von einer nicht näher bezeichneten Lichtquelle senkrecht einfallende Lichtstrahlen C emittiert. Für diese sind die optisch wirksamen Teilflächen mit A und die optisch unwirksamen Teilflächen mit B gekennzeichnet. Die senkrecht einfallenden Strahlen C treffen ausschließlich auf die optisch wirksamen Teilflächen A, nicht aber auf die optisch unwirksamen Teilflächen B auf, da die optisch unwirksamen Teilflächen B parallel zur Einfallsrichtung der Lichtstrahlen C ausgerichtet sind. Die optisch wirksamen Teilflächen A sind dabei derart ausgerichtet, dass sie bei fiktiver lagegetreuer Aneinanderreihung unter Außerachtlassung der optisch unwirksamen Teilfläche B die Form einer ursprünglichen Zylinderlinse gemäß 1b ergeben und für eine bestmögliche Fokussierung der Lichtstrahlen C in einem nicht dargestellten Brennpunkt sorgen. Die optisch unwirksamen Teilflächen B dienen daher im Wesentlichen zur Dickenreduzierung des Lichtdurchtrittskörpers 12, wie sich aus einem Vergleich der Dicke der Scheinwerferlinse 10 mit einer in 1b dargestellten konventionellen Linse mit vergleichbarer Brennweite ergibt.
In 2 ist eine stark vereinfachte Detailansicht einer bevorzugten Fresnellinse 15 dargestellt. Sowohl auf der lichtquellenzugewandten Seite 21 als auch auf der lichtquellenabgewandten Seite 22 der Fresnellinse 15 sind Rillen 20 angebracht. Die strukturierten oder unstrukturierten Seiten 21, 22 der Fresnellinse 15 werden als Flachseiten bezeichnet. Die von einer in 2 nicht dargestellten, in der 2 links von der Fresnellinse 15 angeordneten, Lichtquelle emittierten und gegebenenfalls kollimierten Lichtstrahlen 23 treffen auf die optisch wirksamen Teilflächen A der der lichtquellenzugewandten Seite 21 der Fresnellinse 15 auf. Der Übersichtlichkeit wegen sind nur einige Lichtstrahlen 23 mit dem Bezugszeichen beziffert. Die Lichtstrahlen 23 durchsetzen den Lichtdurchtrittskörper 12 und treten unter dem entsprechenden optischen Beugungswinkel auf der lichtquellenabgewandten Seite 22 aus den Fresnellinsen 15 nach außen und werden im Brennpunkt 13 fokussiert. Je nach Ausrichtung der optisch wirksamen Teilflächen A der Fresnellinsen 15 können die Abbildungseigenschaften beeinflusst werden. In 2 sind die Rillen 20 der einzelnen Fresnellinsen 15 gleich beabstandet und weisen eine gleiche Höhe auf.
3 zeigt die Ausgestaltung einer bevorzugten Scheinwerferlinse 10 im Schnitt, die eine Vielzahl von vertikal und horizontal nebeneinander angeordneten Fresnellinsen 15 aufweist, von denen der Übersichtlichkeit wegen nur eine mit dem Bezugszeichen beziffert ist. Die erfindungsgemäße horizontale Anordnung der Fresnellinsen 15 ist in 3 nicht erkennbar. Durch die gleichmäßige Anordnung der Fresnellinsen 15 und die gleiche Ausrichtung der Rillen 20, der gleichen Höhe und des gleichen Abstands der Rillen 20 zueinander in den einzelnen Fresnellinsen 15 werden die aus den einzelnen Fresnellinsen 15 austretenden Lichtstrahlen 23 jeweils in einem gleichen Abstand zu den Fresnellinsen 15 ihren Brennpunkten 13 fokussiert. Die Brennpunkte 13 liegen in einer Brennpunktebene senkrecht zur Hauptachse 11. Es ergibt sich dadurch eine sehr regelmäßige Lichtpunktverteilung. Durch die kleinen Dimensionen der Fresnellinsen 15 wirkt die Lichtverteilung relativ homogen. Umgekehrt kann, wenn die Lichtquelle, beispielsweise Leuchtdioden, entsprechend in den Brennpunkten 13 angeordnet sind, der Strahlengang umgekehrt werden, und eine sehr homogene Lichtverteilung entsprechend der Verteilung links von den Fresnellinsen 15 erreicht werden. Eine korrespondierende Linse 24 mit gleichem Brennpunkt ist in der 2 mit einer gestrichelten Linie angedeutet. Es ist deutlich erkennbar, dass die Fresnellinsen-Anordnung erheblich dünner ist als eine konventionelle Linse 24.

Claims

Scheinwerferlinse (10) mit einem zumindest eine Fresnellinse (15) aufweisenden Lichtdurchtrittskörper (12), dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtdurchtrittskörper (12) eine Vielzahl von vertikal und horizontal nebeneinander angeordneten, mit ihren Flachseiten senkrecht zu einer Hauptachse (11) eines Strahlengangs stehenden Fresnellinsen (15) aufweist.
Scheinwerferlinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der leuchtquellenabgewandten Seite (22) der Fresnellinsen (15) Rillen (20) vorgesehen sind.
Scheinwerferlinse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf der leuchtquellenzugewandten Seite (21) der Fresnellinsen (15) Rillen (20) vorgesehen sind.
Scheinwerferlinse nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den Fresnellinsen (15) angeordneten Rillen (20) jeweils einen Abstand aufweisen, der kleiner ist als das räumliche Auflösungsvermögen des bloßen Auges.
Scheinwerferlinse nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den Fresnellinsen (15) angeordneten Rillen (20) jeweils eine Höhe aufweisen, die niedriger ist als das räumliche Auflösungsvermögen des bloßen Auges.
Scheinwerferlinse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fresnellinsen (15) jeweils einen Durchmesser von höchstens 1 mm.
Scheinwerfer, insbesondere für ein Fahrzeug, umfassend eine Scheinwerferlinse (10) mit einem Lichtdurchtrittskörper (12), dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtdurchtrittskörper (12) eine Vielzahl von horizontal und vertikal nebeneinander, mit ihren Flachseiten senkrecht zu einer Hauptachse (11) eines Strahlengangs angeordneten Fresnellinsen (15) aufweist.
Scheinwerfer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer leuchtquellenabgewandten Seite (22) der Fresnellinsen (15) Rillen (20) vorgesehen sind.
Scheinwerfer nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf der leuchtquellenzugewandten Seite (21) der Fresnellinsen (15) Rillen (20) vorgesehen sind.
Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den Fresnellinsen (15) angeordneten Rillen (20) jeweils einen Abstand aufweisen, der kleiner ist als das räumliche Auflösungsvermögen des bloßen Auges.
Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den Fresnellinsen (15) angeordneten Rillen (20) jeweils eine Höhe aufweisen, die niedriger ist als das räumliche Auflösungsvermögen des bloßen Auges.
Scheinwerfer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fresnellinsen (15) jeweils einen Durchmesser von höchstens 1 mm aufweisen.
Scheinwerfer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquelle eine Anordnung von Leuchtdioden eingesetzt ist.
Scheinwerfer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle außerhalb eines Brennpunkts (13) oder einer Brennpunktebene der Scheinwerferlinse (10) angeordnet ist.