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Die
Erfindung betrifft einen Scheinwerfer für Fahrzeuge mit einer Lichtquelle,
mit einem der Lichtquelle zugeordneten Reflektor und mit einer Lichtführungseinheit,
die über
mindestens eine zwischen mindestens zwei Spiegeleinstellungen elektronisch schwenkbare
Spiegelfläche
verfügt.
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Aus
der
DE 102 21 684
A1 ist ein Scheinwerfer für Fahrzeuge bekannt, bei dem
Umlenkspiegel einer Lichtführungseinheit
derart angeordnet sind, dass sie zur Erzeugung einer zusatzlichtverteilung dienen,
die zusammen mit einer vermittels eines Reflektors erzeugten Grundlichtverteilung
eine Gesamtlichtverteilung bildet. Der bekannte Scheinwerfer ist darauf
beschränkt,
dass lediglich ein festgelegter Teil des gesamten Lichtstromes zur
Erzeugung einer Zusatzlichtverteilung vorgesehen ist.
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Aus
der
DE 197 37 653
A1 ist ein Scheinwerfer für Fahrzeuge bekannt, bei dem
einer Lichtquelle und einem Reflektor eine Lichtführungseinheit
nachgeordnet ist, die über
eine Mehrzahl von Mikrospiegeln verfügt, die jeweils in zwei Spiegeleinstellungen elektronisch
umschaltbar angeordnet sind. In Verbindung mit einer den Mikrospiegeln
nachgeordneten Projektionsvorrichtung dient die Spiegelfläche der Mikrospiegel
im Wesentlichen zur Erzeugung einer einzigen Lichtverteilung. Der
bekannte Scheinwerfer sieht vor, dass der gesamte Lichtstrom von
der Spiegelfläche
erfasst und entsprechend einer vorgegebenen Lichtverteilung umgelenkt
wird.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen Scheinwerfer für Fahrzeuge
derart weiterzubilden, dass ein vielseitig einsetzbarer Scheinwerfer
mit einer bauraumoptimierten Anordnung von Spiegeln geschaffen wird.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelfläche Bestandteil
einer Makrospiegelanordnung mit mindestens einem Makrospiegel ist,
derart, dass der von der Lichtquelle ausgesandte Lichtstrom in einen
an der Lichtführungseinheit
vorbeigeführten
ersten Lichtführungsweg
zur Erzeugung einer statischen Grundlichtverteilung und einen durch
Schwenken des Makrospiegels erzeugten zweiten Lichtführungsweges
zur Erzeugung einer dynamischen Zusatzlichtverteilung aufgeteilt
wird, wobei die statische Grundlichtverteilung und die dynamische
Zusatzlichtverteilung die resultierende Gesamtlichtverteilung bilden.
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Der
besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Wirkungsgrad
des Scheinwerfers unabhängig
von der Lichtfunktion konstant hoch bleibt. Nach der Erfindung ist
eine Makrospiegelanordnung vorgesehen, die über mindestens einen Makrospiegel,
vorzugsweise zwei Makrospiegel verfügt, die jeweils um eine Drehachse
entsprechend einer vorgegebenen Frequenz periodisch verschwenkt
bzw. positioniert werden. Die Anordnung der Makrospiegel bzw. die
Verschwenkungsrichtung ist derart gewählt, dass ein an der Lichtführungseinheit
vorbeigeführter Lichtstrom
entlang eines ersten Lichtführungsweges zur
Erzeugung einer statischen Grundlichtverteilung weitgehend unbeeinflusst
bleibt. Hierdurch ist der Scheinwerfer Platz sparend aufgebaut.
Durch Wahl der Verschwenkfrequenz und der Verschwenkdrehrichtung
kann die Makrospiegelanordnung Platz sparend mehrere dynamische
Zusatzlichtfunktionen erzeugen, wie beispielsweise ein Abblendlicht,
ein Autobahnlicht etc. Dadurch, dass die Makrospiegelanordnung die
Lichtführung
für die
statische Grundlichtverteilung nicht stört, kann der Anteil der Lichtverluste
gering gehalten werden.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist ein erster Makrospiegel um eine vertikale Drehachse
und ein zweiter Makrospiegel um eine horizontale Drehachse unabhängig voneinander schwenkbar
angeordnet. In einer Betriebsstellung sind die beiden Makrospiegel
spitzwinklig zueinander angeordnet. Vorteilhaft lässt sich
hierdurch die Spiegelflächengröße der Makrospiegel
verringern.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist mindestens ein Makrospiegel
derart angesteuert, dass er mit einem geringen Schwenkwinkel dieselbe Lichtbündelablenkung
erzielt wie ein konventioneller Spiegel. Diese Anordnung wird als
optischer Multiplikator bezeichnet. Hierdurch kann mit einem kleinen Schwenkwinkel
beispielsweise eine vierfache Winkelablenkung des Lichtbündels erzeugt
werden.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Draufsicht auf einen Scheinwerfer nach einer ersten
Ausführungsform,
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2 eine
schematische Frontansicht auf einen Scheinwerfer nach einer zweiten
Ausführungsform,
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3 eine
schematische Darstellung einer Lichtverteilung,
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4 eine
schematische Draufsicht auf eine Lichtführungseinheit eines Scheinwerfers
nach einer dritten Ausführungsform
(optischer Multiplikator),
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5 eine
schematische Draufsicht auf eine Lichtführungseinheit eines Scheinwerfers
nach einer vierten Ausführungsform
(optischer Multiplikator),
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6 eine
schematische Draufsicht auf eine Lichtführungseinheit eines Scheinwerfer
nach einer fünften
Ausführungsform
(optischer Multiplikator),
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7 eine
schematische Drauf- bzw. Seitenansicht auf einen Projektions-Scheinwerfer
nach einer sechsten Ausführungsform,
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8 eine
schematische Draufsicht auf eine Lichtführungseinheit mit einem optischen
Multiplikator in einer Grundstellung,
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9 eine
schematische Draufsicht eines optischen Multiplikators gemäß 8 in
einer maximalen Auslenkstellung,
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10 eine
schematische Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform
eines optischen Multiplikators in einer Grundstellung,
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11 eine
schematische Draufsicht auf den optischen Multiplikator gemäß 10 in
einer Extremlage,
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12 eine
schematische Seitenansicht des optischen Multiplikators gemäß 10 und 11,
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13 eine
Vorderansicht eines Makrospiegels des optischen Multiplikators gemäß 10, 11 und 12,
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14 eine
schematische Drauf- bzw. Seitenansicht auf einen als Projektionsscheinwerfer ausgebildeten
Scheinwerfer und
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15 einen
Projektionsscheinwerfer nach einer alternativen Ausführungsform.
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Ein
Scheinwerfer 1 für
Fahrzeuge ist im Wesentlichen gebildet durch eine Lichtquelle 2 (Gasentladungslampe,
LED-Arrays), einen
Reflektor 3 sowie eine Lichtführungseinheit 4.
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Der
Reflektor 3 dient in Verbindung mit der Lichtquelle 2 im
Wesentlichen zur Erzeugung eines ersten Lichtführungsweges 5 zur
Bildung einer statischen Grundlichtverteilung 6.
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Die
Lichtführungseinheit 4 wird
im Wesentlichen durch eine Makrospiegelanordnung gebildet, die über mindestens
einen Makrospiegel 7, 7' verfügt. Wie in 1 zu
ersehen ist, ist ein erster Makrospiegel 7 um eine vertikale
Drehachse 8 und ein zweiter Makrospiegel 7' um eine horizontale
Drehachse 9 schwenkbar und unabhängig voneinander gelagert.
Die Makrospiegel 7, 7' werden bei einer Schwenkfrequenz
in einem Bereich zwischen 30 Hz und 200 Hz hin- und hergeschwenkt
und leiten den über
eine Linse 10 parallelisierten, von der Lichtquelle 2 abgetrennten
Teillichtstrom entlang eines zweiten Lichtführungsweges 11 in
Lichtaustrittsrichtung zur Erzeugung einer dynamischen Zusatzlichtverteilung 12 um,
die zusammen mit der Grundlichtverteilung 6 eine resultierende
Gesamtlichtverteilung bildet.
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Der
durch die Makrospiegel 7, 7' beeinflusste Lichtstrom dient – wie aus 3 zu
ersehen ist – zur Erzeugung
einer Hell-Dunkel-Grenze (HDG), eines 15°-Anstieges eines Abblendlichtes 13,
eines Autobahnlichtes 14, eines Fernlichtes 15,
eines markierenden Lichtes 16 auf der rechten Seite für Fußgänger oder
Radfahrer sowie eines markierenden Lichtes 17 auf der linken
Seite für
ein unbeleuchtetes Fahrzeug. Um ein unerwünschtes Flackern des austretenden
Lichtes zu vermeiden, werden die Makrospiegel 7, 7' vorzugsweise
statisch, quasi statisch bzw, bei einer Schwenkwinkelfrequenz von
mindestens 100 Hz, vorzugsweise 150 Hz oder 200 Hz, betrieben. Vorteilhaft
ist der erste Makrospiegel 7, der für die horizontale Ablenkung
vorgesehen ist, kleiner ausgebildet und kann mit einer höheren Frequenz betrieben
als der zweite Makrospiegel 7', der für die vertikale Ablenkung des
Lichtstromes L verantwortlich ist. Durch die Anordnung der Makrospiegel 7, 7' ist gewährleistet,
dass das Wendelbild der Lichtquelle 2 bei den Extremlagen
der Abbildung nicht beschnitten wird.
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Die
Lichtquelle 2 kann als eine Mehrzahl von LEDs, die kreisförmig in
die Zielfläche
abstrahlen, als Gasentladungslampe, Kurzbogenlampe, UHP-Lampe (Ultra
High Pressure) ausgebildet sein.
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Die
Drehachse 8 des Makrospiegels 7 kann auch geneigt
in einem Winkel von mehr als 45°,
vorzugsweise ca. 70° zu
einer horizontalen Ebene angeordnet sein. Die Achsen 8, 9 der
Makrospiegel 7, 7' sind
vorzugsweise derart orientiert, dass die Makrospiegel und das abgelenkte
Lichtbündel
linear unabhängige
Scanbewegungen durchführen
können.
Die Makrospiegel 7, 7' lenken das Abbild der Wendel der Lichtquelle 2 bzw.
des Lichtbogens bzw. das kollimierte Lichtbündel L direkt in Lichtaustrittsrichtung auf
die Straße.
Alternativ kann das Lichtbündel 11 auch über eine
zusätzliche,
nicht dargestellte Feldlinse bzw. f-theta-Linse weiter fokussiert werden.
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Nach
einer nicht dargestellten Ausführungsform
kann zusätzlich
zu den beiden kippbaren Makrospiegeln 7, 7' ein weiterer
Spiegel denselben nachgeordnet sein, der um eine vertikale Achse
für dynamisches
Kurvenlicht und/oder um eine horizontale Achse für eine in ihrem Stellumfang
ausgedehnte Leuchtweitenregelung geschwenkt bzw. gekippt werden
kann. Dadurch ist es möglich,
den Schwenkbereich der Makrospiegel 7, 7' einzuschränken, wodurch
die Spiegelflächen
der Makrospiegel 7, 7' sich durch die nicht in großen Winkelbereichen
notwendige Flächenprojektion
des Lichtbündels
auf die Spiegelflächen
minimieren lassen. Hiermit ist es möglich, das Trägheitsmoment
der Makrospiegel 7, 7' auf das absolute Minimum zu beschränken.
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Nach
einer nicht dargestellten Ausführungsform
können
die Makrospiegel 7, 7' auch kardanisch aufgehängt sein.
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Wie
aus 1 zu ersehen ist, können die Makrospiegel 7, 7' so angeordnet
sein, dass der einfallen Lichtstrahl L des Lichtbündels 11 unter
einem spitzen Winkel α zur
Flächennormale
des Makrospiegels 7 einfällt. Vorteilhaft ist der spitze
Winkel α zwischen
einfallendem und reflektiertem Lichtbündel möglichst klein, beispielsweise
30° oder
22,5°, wodurch
die Spiegelflächen
der Makrospiegel 7, 7' trotz Verschwenken derselben in
ihrer erforderlichen Größe minimiert
werden. Weiterhin ist der zweite Makrospiegel 7' derart angeordnet,
dass trotz Ablenkung des Lichtstrahls L' keine Beschneidung desselben durch
den ersten Makrospiegel 7 erfolgt.
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Der
Reflektor 3 ist derart ausgebildet, dass der Spiegelflächenanteil
für den
15°-Anstieg 13 ausgespart
ist, wobei der 15°-Anstieg 13 durch
das vermittels der Konvexlinse 10 gebündelte Teillichtbündel in
der Lichtführungseinheit 4 erzeugt
wird.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
des Scheinwerfers gemäß 2 ist
im Unterschied zu der Ausführungsform
gemäß 1 zusätzlich ein Umlenkspiegel 18 vorgesehen,
der den durch die Linse 10 zugeführten Lichtstrom L faltet und
damit eine noch kompaktere Anordnung des Scheinwerfers 1 ermöglicht.
Hierdurch wird die Justierung des scannenden Strahlengangs 11 erleichtert.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung gemäß 4 kann
ein Makrospiegel 19 anstatt einer planen Spiegelfläche eine
Mehrzahl von unterschiedlich orientierten Spiegelflächen aufweisen.
Die Spiegelflächen
können
beispielsweise als prismenförmige
Streifen 20 ausgebildet sein, die sich parallel zu einer
Drehachse 21 des Makrospiegels 19 erstrecken.
Der Makrospiegel 19 (Multiplikator-Schwenkspiegel) bildet
hierbei einen optischen Multiplikator, der eine Winkelvervielfachung
V, V', V'' bewirkt. Vorteilhaft kann hierdurch
die Spiegeldynamik mit den oszillierenden Bewegungen des Makrospiegels 19 verbessert
werden. Das von der Lichtquelle kommende Lichtbündel wird auf einen ersten Streifen 20 gelenkt,
von dem aus es auf einen planen oder zumindest zylindrisch gekrümmten Zwischenspiegel 23 gelenkt
wird. Von dem Zwischenspiegel 23 wird das Lichtbündel 22 auf
den zweiten Streifen 20' gelenkt,
an dem eine zweite Winkelverdoppelung stattfindet und das Lichtbündel 22 in
Lichtaustrittsrichtung reflektiert wird. Vorteilhaft ermöglicht der streifenförmige Spiegel 19 einen
hohen Flächennutzungsgrad
des einfallenden und abgelenkten Lichtbündels.
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Nach
einer alternativen Ausführungsform
zu der Ausführungsform
gemäß 4 ist
anstatt eines mit prismenförmigen
Streifen versehenen Makrospiegels 19 ein Makrospiegel 24 (Multiplikator-Schwenkspiegel)
mit zwei unter einem stumpfen Öffnungswinkel 25 geneigten
plane Teilflächen 24', 24'' angeordnet. Hierdurch kann ebenfalls
eine Winkelvervielfachung bewirkt werden.
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Als
eine weitere Alternative ist gemäß 6 ein
Makrospiegel 26 (Multiplikator-Schwenkspiegel) mit planen
Spiegelflächen 26', 26'' vorgesehen, deren Flächenschwerpunkte im
Bereich der Drehachse 21 angeordnet sind. Hierdurch kann
das Trägheitsmoment
der Lichtführungseinheit 4 wesentlich
reduziert werden. Durch die vierfache Winkelverstärkung können die
Dynamik- und Schwenkwinkelerfordernisse für den Makrospiegel 26 weiter
gesenkt werden.
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Eine
weitere Alternative des Scheinwerfers 1 ist in den 8, 9, 10, 11, 12 und 13 dargestellt.
Hierbei werden auch Mehrfachreflexionen auf einem in diesem Fall
planen Makrospiegel 27 durchgeführt. Ein starrer planer Referenzspiegel 28 ist
derart angeordnet, dass die Größe des bewegten
Makrospiegels 27 minimal ist und keine Abschattung oder
Beschnitt eines Lichtbündels 29 auftritt.
Die geschweiften Klammern in den 8 bis 12 zeigen
die Extremlagen des abgelenkten Lichtbündels 29 bzw. das
einfallende Lichtbündel 30 an. 8 zeigt
eine Grundstellung des Makrospiegels 27. 9 zeigt
eine Extremlage des Makrospiegels 27 mit der maximalen
Auslenkung des abgelenkten Lichtbündels 29. 10 zeigt
eine Alternative des optischen Multiplikators, bei dem ein Höhenversatz
in den Lichtbündeln 29, 30 verwendet
wird, damit die Anordnung sich noch kompakter gestaltet. Diese Figur
zeigt die Mittel- bzw. Grundstellung des Makrospiegels 27. 11 zeigt
die Extremlage des in 10 dargestellten optischen Multiplikators. 12 zeigt
die Seitenansicht des Multiplikators gemäß 11, wobei
ersichtlich ist, dass das einfallende Lichtbündel 30 schräg von unten
kommt, auf den Makrospiegel 27 fällt, von diesem in Richtung
des Referenzspiegels 28 reflektiert und wieder auf den Makrospiegel
zurückgelenkt
wird, von dem aus das ausfallende Lichtbündel 29 unter vierfacher
Winkelverstärkung
in Lichtaustrittsrichtung abgegeben wird. 13 zeigt
eine Spiegelform des Makrospiegels 27, wobei unten der
einfallende Lichtstrahl 30 kreisförmig markiert und oben die beiden
Extremlagen des zum zweiten Mal reflektierten Lichtbündels 29 und
dessen Mittelstellung dargestellt sind.
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In 14 ist
ein Scheinwerfer nach dem Projektionsprinzip dargestellt, bei dem
im Bereich einer ansonsten angeordneten Blende 39 ein Freiflächenreflektor 31 zur
Ablenkung des Lichtes 32 zu den zwei verschwenkbaren Makrospiegeln 33, 33' dient.
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In 15 ist
zusätzlich
eine Sammellinse 34 vorgesehen, die auf das Lichtbündel 32 eine
parallelisierende Wirkung hat.
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In 7 ist
ein Scheinwerfer nach dem Projektionssystem dargestellt, dessen
ausfallendes Lichtverteilung 35 ausschließlich durch
oszillierende Bewegung von Makrospiegeln 36, 36' erzeugt wird. Die
hierdurch erzeugte Gesamtlichtverteilung beinhaltet damit auch die
ansonsten auf statischem Lichtführungswege
erzeugte Grundlichtverteilung. Vorteilhaft ist ein Reflektor 37 ellipsoidförmig ausgebildet, wobei
vor dem zweiten Brennpunkt des Reflektors eine Sammellinse 38 sowie
eine vorgelagerte Blende 39 vorgesehen sind. Die Blende 39 kann
alternativ auch anstelle der Sammellinse 38 vorgesehen
sein. Vorteilhaft wird durch den Einsatz einer Konkavlinse nach
dem Ellipsoidreflektor 37 eine deutlich kürzere Baulänge im Vergleich
zu bisher bekannten Projektionssystemen erzielt, bei denen eine
Sammellinse sich nach dem zweiten Brennpunkt des Ellipsoidreflektors 37 befindet.
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Die
Makrospiegel sind aus einem Glasmaterial, Aluminium, Beryllium,
Siliziumkarbid, PC, LPP oder einem anderen glasfaserverstärkten Kunststoff gefertigt.
Sie bilden eine quaderförmige
Platte oder bestehen aus einer mit Rippen versteiften Platte oder an
den von der Drehachse abgewandten Außenkanten in einem reduzierten
Dickenprofil, wobei die Massen an den Spiegelkanten möglichst
gering gehalten werden, damit das Trägheitsmoment des Spiegels minimal
ist. Ein Verrunden der Spiegelkanten gemäß der minimal notwendigen Spiegelfläche für die auftreffenden
Lichtbündel
reduzieren zusätzlich
das Spiegelträgheitsmoment.
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Wie
aus 3 zu ersehen ist, kann die Zusatzlichtverteilung
dazu genutzt werden, eine Markierungsbeleuchtung auszubilden, die
dem Nutzer einer Infrarot-Nightvision (Nachtsichteinrichtung) eine
direkte Vermittlung der Informationen über den Straßenraum
ermöglicht.
Das so gebildete Markierungslicht 16 kann dabei innerhalb
der Grundlichtverteilung, aber auch als Markierungslicht 17 im
Fernlichtbereich 15 durch Hell- bzw. Dunkeltastung bzw.
deren periodischen Wechsel angeordnet sein. Es wird somit eine Schnittstelle
für das
Nachtsichtgerät
geschaffen durch punktuelle Beleuchtung des Verkehrsraumes, ohne
den Gegenverkehr langandauernd zu blenden. Hierzu wird für einen
Bruchteil einer Sekunde der Gegenverkehr mit Fernlicht beleuchtet, wobei
die Belichtung eines Kamerabildes zeitlich simultan getaktet wird.
Die Informationen eines Infrarot-Nightvisions-Systems können dem
Fahrer über eine
scannend aufgebaute Lichtverteilung in dem Vorfeld der Lichtverteilung
in der Art und Weise eines Displays oder auf einem Head-down- bzw. Head-up-Display
im Fahrzeuginnenraum dargeboten werden.
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Wird
der Scheinwerfer in Kombination mit einem Nachtsicht-System verwendet,
so kann nur die Infrarotstrahlung oder eine Kombination aus Infrarotstrahlung
und sichtbarem Licht verwendet werden. Die Infrarotstrahlung kann
dabei als statische (Fernlicht) Grundlichtverteilung und/oder als
scannender Anteil der Lichtverteilung, oder die gesamte Lichtverteilung
kann scannend auf die Straße
projiziert werden. Insbesondere der Einsatz von IR-Emitterdioden als
Lichtquelle für
den scannenden Strahlungsanteil ist vorteilhaft.
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Zur
Ansteuerung der Spiegel sind Elektronikleistungsstufen und eine
Kontrollereinheit notwendig, die wiederum ihre Signale für den Wechsel
zwischen verschiedenen Lichtverteilungen und deren Ausprägungen durch
externe Steuereinheiten, Sensoren, GPS- oder Navigationsdaten, Display-Ansteuersignalen,
Bildverarbeitungssysteme, Fahrbahn- und Witterungsbedingungen oder
durch manuelle Einstellung durch den Fahrer erhält. Der Wechsel zwischen den
Lichtverteilungen geschieht überwiegend
selbsttätig
durch Auswertung von Eingangsdaten unabhängig vom Zutun des Fahrers.
Die Galvanometerscanner können
zur Positionserfassung kapazitive, induktive, absolute oder inkrementale
Encoder oder andere optische Sensoren aufweisen. Als Lager können Gleitlager,
Luftlager, elektrostatische oder magnetische Lager, Torsionslager
oder spezielle Kugellager eingesetzt werden. Als Spiegelgeometrien
können
plane, konvexe, konkave, segmentierte oder Freiflächenspiegel
eingesetzt werden.