DE102004060475A1

DE102004060475A1 - Scheinwerfer für Fahrzeuge

Info

Publication number: DE102004060475A1
Application number: DE102004060475A
Authority: DE
Inventors: Karsten Dr. Eichhorn; Christian Dr. Lüder; Martin WÜLLER
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2004-12-16
Filing date: 2004-12-16
Publication date: 2006-07-06

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Scheinwerfer für Fahrzeuge mit mindestens einem auf einem Träger angeordneten Leuchtelement, das elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs, enthaltend ultraviolette und/oder blaue und/oder grüne Spektralbereiche, aussendet, und mit einem dem Leuchtelement vorgelagerten lichtkonvertierenden Leuchtstoffmaterial, das die aus dem ersten Wellenlängenbereich stammende Strahlung in eine Strahlung eines zum ersten Wellenlängenbereich unterschiedlichen zweiten Wellenlängenbereichs umwandelt, wobei die Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs Licht einer vorgegebenen Farbe umfasst, wobei das lichtkonvertierende Leuchtstoffmaterial als eine maskierte lichtkonvertierende Leuchtstoffschicht ausgebildet ist, wobei zum einen zwischen den Leuchtelementen und der Leuchtstoffschicht eine erste Optikeinheit angeordnet und zum anderen der lichtkonvertierenden Leuchtstoffschicht eine Optikeinheit zur Abbildung einer vorgegebenen Lichtverteilung vorgelagert ist und dass die lichtkonvertierende Leuchtstoffschicht in einer Brennebene der Optikeinheit angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Scheinwerfer für Fahrzeuge mit mindestens einem auf einem Träger angeordneten Leuchtelement, das elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs enthaltend ultraviolette und/oder blaue und/oder grüne Spektralbereiche aussendet, und mit einem dem Leuchtelement vorgelagerten lichtkonvertierenden Leuchtstoffmaterial, das die aus dem ersten Wellenlängenbereich stammende Strahlung in eine Strahlung eines zum ersten Wellenlängenbereich unterschiedlichen zweiten Wellenlängenbereichs umwandelt, wobei die Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs Licht einer vorgegebenen Farbe umfasst.

Aus der EP 1 400 747 A2 ist ein Scheinwerfer für Fahrzeuge bekannt, der einen wannenförmigen Träger aufweist, in dem ein Leuchtelement angeordnet ist. Die Ausnehmung des Trägers ist mit einem Füllmaterial vergossen. In Lichtaustrittsrichtung schließt sich an die plane Abschlussfläche des Füllmaterials eine Optikeinheit mit sphärischen Linsen an. Die Anordnung einer lichtkonvertierenden Leuchtstoffschicht ist nicht beschrieben.

Aus der DE 103 15 131 A1 ist ein Scheinwerfer für Fahrzeuge mit einer Mehrzahl von in einer Vertiefung eines Trägers angeordneten Leuchtelementen bekannt, denen eine Optikeinheit vorgelagert ist zur Abbildung einer vorgegeben Lichtverteilung. Die Vertiefung des Trägers ist mit einem lichtkonvertierendem Leuchtstoffmaterial ausgefüllt, um die in einem ersten Wellenlängenbereich liegende Strahlung der Leuchtelemente in einen zweiten Wellenlängenbereich (weißes Licht) umzuwandeln. Nachteilig an dem bekannten Scheinwerfer ist, dass die hiermit erzielten Leuchtdichten relativ begrenzt sind, horizontale Leuchtdichteinhomogenitäten und Farbortfluktuationen vorkommen und die Einstellbarkeit vertikaler Leuchtdichtegradienten eingeschränkt ist.

Aus der DE 297 24 543 U1 ist ein Träger mit mindestens in einer Vertiefung derselben angeordnetem Leuchtelement vorgesehen, der elektromagnetische Strahlung in einem ersten Wellenlängenbereich aussendet. Dem Leuchtelement ist eine lichtkonvertierende Leuchtstoffschicht vorgelagert, die die Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs in eine Strahlung eines zweiten Wellenlängenbereichs (beispielsweise weißes Licht) umwandelt. Die lichtkonvertierende Leuchtstoffschicht weist eine konstante Dicke auf, so dass die Weglänge des von dem Leuchtelement abgestrahlten Lichtes durch die Leuchtstoffschicht hindurch für alle Strahlungsrichtungen nahezu konstant ist. Hierdurch kann ein relativ konstanter Farbort entlang der emittierenden Oberfläche der Leuchtstoffschicht erzielt werden. Die bekannte lichtkonvertierende Leuchtstoffschicht ist jedoch direkt mit dem Träger der Leuchtelemente verbunden und weist auf eine den Leuchtelemente abgewandten Seite eine linsenförmige Abdeckung auf. Die lichtkonvertierende Leuchtstoffschicht ist somit integraler Bestandteil des durch den Träger und die Leuchtelemente gebildeten Leuchtenkörpers.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Scheinwerfer für Fahrzeuge mit mindestens einem Leuchtelement derart weiterzubilden, dass zum einen höhere Leuchtdichten und zum anderen geringere Leuchtdichteinhomogenitäten bei vereinfachter Einstellbarkeit von Leuchtdichtegradienten zur Erzeugung einer vorgegebenen Lichtverteilung ermöglicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass das lichtkonvertierende Leuchtstoffmaterial als eine eine vorgegebene Kontur aufweisende lichtkonvertierende Leuchtstoffschicht ausgebildet ist und dass zwischen den Leuchtelementen und der Leuchtstoffschicht eine Optikeinheit angeordnet, die derart ausgebildet ist, dass eine definierte Bestrahlungsstärkeverteilung auf der lichtkonvertierenden Leuchtstoffschicht erzeugt wird.

Vorteilhaft ermöglicht die Erfindung eine „Quasi-Lichtquelle", die unabhängig von der Geometrie des Leuchtelementes bzw. des Trägers ein flächenhaftes Leuchtfeld bildet. Die Optikeinheit, die zwischen den Leuchtelementen und dem Leuchtelement angeordnet ist, dient zur Richtung bzw. Bündelung des von den Leuchtelementen abgestrahlten Lichtes. Dabei sind Mantelflächen dieser Optikeinheit derart ausgebildet, dass auf der lichtkonvertierenden Leuchtstoffschicht eine vorgegebene Strahlungsstärkeverteilung erzeugt wird. Dadurch, dass die lichtkonvertierende Leuchtstoffschicht eine vorgegebene Kontur aufweist, kann beispielsweise eine asymmetrische Hell-Dunkel-Grenze zur Erzeugung einer Abblendlichtverteilung erzeugt werden. Bei dieser Anwendung ist die Mantelfläche der Optikeinheit derart geformt, dass in einem Hell-Dunkel-Grenze-nahen Bereich der Leuchtstoffschicht ein Maximum der Bestrahlungsstärke vorliegt. Für die Anwendung einer Fernlichtverteilung ist die Mantelfläche der Optikeinheit derart gewählt, dass im zentralen Bereich der Leuchtstoffschicht ein Maximum der Bestrahlungsstärke vorliegt.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der lichtkonvertierenden Leuchtstoffschicht eine zweite Optikeinheit vorgelagert, die eine Abbildung der auf der lichtkonvertierenden Leuchtstoffschicht erzeugten Bestrahlungsstärkeverteilung bewirkt. Hierzu befindet sich die lichtkonvertierende Leuchtstoffschicht in einer Brennebene der zweiten Optikeinheit. Vorteilhaft lassen sich durch den erfindungsgemäßen Scheinwerfer erhöhte Leuchtdichten, geringere Leuchtdichteinhomogenitäten und geringere Farbortfluktuationen sowie eine bessere Einstellbarkeit von Leuchtdichtegradienten erzielen.

Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung kann die lichtkonvertierende Leuchtstoffschicht in einer Maskenplatte integriert angeordnet sein, die in einem Abstand zu einem vorderen Rand der aus einem massiven Material gebildeten ersten Optikeinheit angeordnet ist. Die erste Optikeinheit selbst kann reflektierende Innenflächen als Freiformflächen aufweisen, die das von den Leuchtelementen emittierte Licht zu der lichtkonvertierenden Leuchtstoffschicht hin bündelt. Auf diese Weise hat die erste Optikeinheit eine Lichtführungswirkung für das von den Leuchtelementen ausgesandte Licht.

Nach einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist die lichtkonvertierende Leuchtstoffschicht auf einer Auskoppelfläche eines Lichtleiters angeordnet, wobei vorzugsweise die Kontur der Auskoppelfläche die lichtkonvertierende Leuchtstoffschicht begrenzt. Vorteilhaft kann hierdurch ein Abstrahlen von homogener elektromagnetischer Strahlung (weißes Licht) an einem gewünschten Ort ortsfern von den Leuchtelementen ausgesandt werden.

Nach einer alternativen Ausführungsform kann ein Lichtleiter mehrere Einkoppelarme aufweisen, die über jeweils eine den jeweiligen Leuchtelementen zugeordneten Einkoppelfläche verfügen. Vorteilhaft kann hierdurch gezielt Licht von mehreren Leuchtelementen in den Lichtleiter eingekoppelt werden.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen nähert erläutert.

Es zeigen:
1 eine schematische perspektivische Seitenansicht eines Scheinwerfers nach einer ersten Ausführungsform,
2 eine Lichtverteilung des Scheinwerfers mit dem Verlauf eines Leuchtdichtegradienten in vertikaler und horizontaler Richtung,
3 eine schematische Seitenansicht eines Scheinwerfers nach einer zweiten Ausführungsform und
4 eine perspektivische Seitenansicht eines Scheinwerfers nach einer dritten Ausführungsform.
Ein erfindungsgemäßer Scheinwerfer 1 besteht nach einer ersten Ausführungsform gemäß 1 im Wesentlichen aus einem Träger 3, einer Mehrzahl von an dem Träger 3 verteilt angeordneten Leuchtelementen 4, einer in einem Abstand zu dem Träger 3 angeordneten Maskenplatte 6, in der eine lichtkonvertierende Leuchtstoffschicht 7 eingefasst ist, und aus einer ersten Optikeinheit 2, die sich zwischen dem Träger 3 und der Maskenplatte 6 erstreckt.
Die Leuchtelemente 4 sind jeweils als Halbleiterbauelemente ausgebildet, vorzugsweise als Leuchtdioden (LED), die derart aufgebaut sind, dass bei Anschluss an eine elektrische Stromquelle, beispielsweise die Fahrzeugbatterie, eine elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereiches erzeugt wird, die ultraviolette und/oder blaue und/oder grüne Spektralbereiche enthält.
Die becherförmige Optikeinheit 2 weist reflektierende Innenflächen 8 auf, an der die von den Leuchtelementen 4 ausgesandten Strahlen 9 in Richtung er Maskenplatte 6 reflektiert werden. Die Maskenplatte 6 bzw. die Leuchtstoffschicht 7 ist in einem solchen Abstand in Lichtaustrittsrichtung 10 des Scheinwerfers 1 vor der ersten Optikeinheit 2 angeordnet bzw. derart dimensioniert, dass der größte Teil der aus der ersten Optikeinheit 2 ausgesandten Strahlung 9 auf die Leuchtstoffschicht 7 trifft. Die Maskenplatte 6 kann als eine transparente Platte ausgebildet sein, die zum einen in einem mittleren Bereich mit der Leuchtstoffschicht 7 und zum anderen um dieselbe herum mit einer lichtundurchlässigen Maskenschicht 11 beschichtet ist. Die Maskenschicht 11 begrenzt die Leuchtstoffschicht 7.
Die Leuchtstoffschicht 7 besteht aus einem lichtkonvertierendem Leuchtstoffmaterial, das die aus dem ersten Wellenlängenbereich stammende Strahlung der Leuchtelemente 4 in eine Strahlung eines zu dem ersten Wellenlängenbereich unterschiedlichen zweiten Wellenlängenbereichs umwandelt. Bei der Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs handelt es sich im Wesentlichen um ein weißes Licht, das von einer in Lichtaustrittsrichtung 10 vor der Maskenplatte 6 angeordneten nicht dargestellten zweiten Optikeinheit (Linse) erfasst wird. Diese zweite Optikeinheit ermöglicht die Abbildung einer in 2 dargestellten Lichtverteilung L. Hierzu ist die Maskenplatte 6 bzw. die Leuchtstoffschicht 7 vorzugsweise in einer Brennebene der zweiten Optikeinheit angeordnet. Eine untere gerade Randlinie 12' der Leuchtstoffschicht 7 dient zur Erzeugung einer relativ scharfen Hell-Dunkel-Grenze HDG der Lichtverteilung L, die einen horizontalen Abschnitt HDG_H und einen asymmetrischen Abschnitt HDG_A von 15° aufweist. Wie aus der vertikalen Intensitätsverteilung I_V in 2 zu ersehen ist, ist der vertikale Leuchtdichtegradient (Steigung der Kurve I_V) im Bereich der Hell-Dunkel-Grenze HDG relativ groß. In Richtung eines unteren Randes der Lichtverteilung L verringert sich der vertikale Leuchtdichtegradient, wie im Übrigen durch die in einem größeren Abstand zueinander angeordneten Isoluxlinien I_LUX verdeutlicht wird.
Auch in horizontaler Richtung ergibt sich an den Rändern ein relativ kleiner horizontaler Leuchtdichtegradient (Steigung der Kurve I_H), wie es die Intensitätsverteilung I_H in horizontaler Richtung verdeutlicht. Die unterschiedlichen Gradientenverläufe am Rand der Lichtverteilung werden zum einen durch die Randlinien 12 der Leuchtstoffschicht 7 und zum anderen durch die Lichtführung mittels der Innenflächen 8 der ersten Optikeinheit 2 vorgegeben. Beispielsweise können die Innenflächen 8 als Freiform-Reflektorflächen ausgebildet sein, die für eine erhöhte Leuchtdichte im Bereich der unteren Randlinie 12' der Leuchtstoffschicht 7 sorgen.
Die Randlinien 12, 12' bilden die Kontur der lichtkonvertierenden Leuchtstoffschicht 7. Die Innenflächen 8 der ersten Optikeinheit 2 sind als Mantelflächen derart ausgebildet, dass eine Konzentration der Bestrahlungsstärke in einem den Randlinien 12, 12' nahen Bereich sich einstellt zur Erzeugung einer Abblendlichtverteilung, das heißt die Bestrahlungsstärke ein Maximum im Bereich der Randlinien 12' aufweist. Bei Anwendung einer Fernlichtfunktion liegt das Maximum der Bestrahlungsstärkeverteilung in einem zentralen Bereich der lichtkonvertierenden Leuchtstoffschicht 7.
Der Träger 3, die Leuchtelemente 4, die erste Optikeinheit 2 sowie die Maskenplatte 6 mit der Leuchtstoffschicht 7 bilden einen gemeinsamen Leuchtkörper 13, dem die zweite Optikeinheit vorgelagert ist.
Nach einer alternativen Ausführungsform eines Scheinwerfers 20 gemäß 3 ist die erste Optikeinheit als ein Lichtleiter 21 ausgebildet, der einer Mehrzahl von Leuchtelementen 22 vorgelagert ist. An einem den Leuchtelementen 22 abgewandten Ende ist der Lichtleiter 21 mit einer Leuchtstoffschicht 23 versehen, die das an einer Einkoppelfläche 24 in den Lichtleiter 21 eingekoppelte Licht der Leuchtelemente 22 in weißes Licht konvertiert. Die Leuchtelemente 22 sind auf einer nicht dargestellten Substratschicht platziert. Der so gebildete Scheinwerfer 20 ermöglicht eine von den Leuchtelementen 22 ortsferne Auskopplung des Lichtes. Die Kontur der Lichtauskoppelfläche des Lichtleiters 21 korrespondiert zu einer Randlinie 25 der lichtkonvertierenden Leuchtstoffschicht 23.
Nach einer dritten Ausführungsform eines Scheinwerfers 27 ist im Unterschied zu dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel ein Lichtleiter 28 als erste Optikeinheit vorgesehen, der eingangsseitig über mehrere Einkoppelarme 29 verfügt, die jeweils einem einzigen Leuchtelement 30 zugeordnet sind. Auf diese Weise kann gezielt an mehreren Orten Strahlung im ersten Wellenlängenbereich in den Lichtleiter 28 eingekoppelt werden. Die eingekoppelte Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs wird in einem auskoppelnahen Bereich des Lichtleiters 28 zusammengeführt und mittels einer lichtkonvertierenden Leuchtstoffschicht 31 an der Auskoppelfläche in weißes Licht konvertiert. Das ausgekoppelte weiße Licht wird dann in Richtung der nicht dargestellten zweiten Optikeinheit abgestrahlt, wobei vorzugsweise die Auskoppelfläche 31 des Lichtleiters 28 in der Brennebene der zweiten Optikeinheit angeordnet ist.
Die oben beschriebenen Leuchtstoffschichten 7, 23, 31 sind vorzugsweise eben ausgebildet und weisen eine konstante Dicke oder eine variable Dicke auf und ermöglichen eine homogene Abstrahlung von vorzugsweise weißem Licht (Licht vorgegebener Farbe).
Vorzugsweise sind die als Leuchtdioden-Chips ausgebildeten Leuchtelemente 4 direkt an einer Einkoppelfläche der ersten Optikeinheit 2, 21, 29 angespritzt oder mit derselben vergossen. Die lichtkonvertierende Leuchtstoffschicht 7, 23, 31 ist vorzugsweise direkt auf einer in Lichtaustrittsrichtung 10 weisenden Stirnseite der ersten Optikeinheit 2, 21, 29 aufgebracht.

Claims

Scheinwerfer für Fahrzeuge mit mindestens einem auf einem Träger angeordneten Leuchtelement, das elektromagnetische Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs enthaltend ultraviolette und/oder blaue und/oder grüne Spektralbereiche aussendet, und mit einem dem Leuchtelement vorgelagerten lichtkonvertierenden Leuchtstoffmaterial, das die aus dem ersten Wellenlängenbereich stammende Strahlung in eine Strahlung eines zum ersten Wellenlängenbereich unterschiedlichen zweiten Wellenlängenbereichs umwandelt, wobei die Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs Licht einer vorgegebenen Farbe umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtkonvertierende Leuchtstoffmaterial als eine eine vorgegebene Kontur aufweisende lichtkonvertierende Leuchtstoffschicht (7, 23, 31) ausgebildet ist und dass zwischen den Leuchtelementen (4, 22, 30) und der Leuchtstoffschicht (7, 23, 31) eine Optikeinheit (2, 21, 28) angeordnet, die derart ausgebildet ist, dass eine definierte Bestrahlungsstärkeverteilung auf der lichtkonvertierenden Leuchtstoffschicht (7, 23, 31) erzeugt wird.
Scheinwerfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Optikeinheit (2) eine solche Mantelfläche aufweist, dass auf der lichtkonvertierenden Leuchtstoffschicht (7, 23, 31) eine solche Bestrahlungsstärkeverteilung erzeugt wird, wobei die Bestrahlungsstärke in einem vorgegebenen Bereich ein Maximum aufweist.
Scheinwerfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der lichtkonvertierenden Leuchtstoffschicht (7, 23, 31) eine zweite Optikeinheit zur Abbildung einer vorgegebenen Lichtverteilung (L) vorgelagert ist und dass die lichtkonvertierende Leuchtstoffschicht (7, 23, 31) in einer Brennebene der zweiten Optikeinheit angeordnet ist.
Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtkonvertierende Leuchtstoffschicht (7, 23, 31) eine konstante oder variable Dicke aufweist und dass mindestens eine Randlinie (12') der lichtkonvertierenden Leuchtstoffschicht (7, 23, 31) eine Hell-Dunkel-Grenze (HDG) der gewünschten Lichtverteilung (L) vorgibt.
Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Optikeinheit (2) aus einem massiven Material besteht oder hohlförmig ausgebildet ist.
Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtkonvertierende Leuchtstoffschicht (7) in einer Maskenplatte (6) eingefasst ist.
Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Optikeinheit als ein Lichtleiter (21, 28) ausgebildet ist, an deren Auskoppelfläche sich die lichtkonvertierende Leuchtstoffschicht (23, 31) erstreckt.
Scheinwerfer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter (21, 28) an einem der Auskoppelfläche abgewandten Ende eine Einkoppelfläche (24) aufweist, der mindestens ein Leuchtelement (22, 30) zugeordnet ist.
Scheinwerfer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter (28) mehrere Lichteinkoppelarme (29) aufweist mit zugehörigen Einkoppelflächen, denen jeweils ein Leuchtelement (30) sind.
Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Optikeinheit (2) bechertörmig ausgebildet ist mit reflektierenden Innenflächen (8) und dass das Leuchtelement (4) in einem Bodenbereich des Trägers (3) angeordnet ist.
Scheinwerfer nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (3), die Leuchtelemente (4), die erste Optikeinheit (2) und die Leuchtstoffschicht (7, 23, 31) einen gemeinsamen Leuchtenkörper (13) bilden.
Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtelemente (4, 22, 30) jeweils als Leuchtdioden ausgebildet sind.
Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtkonvertierende Leuchtstoffschicht (7, 23, 31) eben ausgebildet ist.