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Die Erfindung betrifft einen Scheinwerfer für Fahrzeuge mit einer Lichtquelle und mit mindestens einem Optikelement zur Erzeugung einer vorgegebenen Lichtverteilung, wobei das Optikelement in Hauptabstrahlrichtung vor der Lichtquelle angeordnet ist.
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Aus der
DE 10 2004 043 706 A1 ist ein Scheinwerfer für Fahrzeuge mit einer Lichtquelle bekannt, wobei die Lichtquelle aus einem LED-Leuchtelement gebildet wird. Dem LED-Leuchtelement sind als Optikelemente ein Primäroptikelement und ein weiteres in Hauptabstrahlrichtung vor dem Primäroptikelement angeordnetes Sekundäroptikelement zugeordnet, so dass eine vorgegebene Lichtverteilung, wie beispielsweise eine Abblendlichtverteilung erzeugt werden kann. Das Primäroptikelement ist unmittelbar angrenzend zu dem LED-Leuchtelement angeordnet. Nachteilig an dem bekannten Scheinwerfer ist, dass bei der Ausführung des Primäroptikelementes als Kunststoffteil aufgrund des Wärmeeintrags durch die Lichtquelle es zu unerwünschten Änderungen der Brechungsindexverteilung in dem Primäroptikelement kommen kann, was im schlimmsten Fall zu einer Schädigung des Primäroptikelementes führen kann.
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Aus dem Dokument
DE 10 2004 049 318 A1 ist eine Leuchteinheit für Fahrzeuge bekannt, bei der als Lichtquelle eine Glühlampe vorgesehen ist, wobei zwischen der Glühlampe und einer Lichtscheibe der Leuchteinheit ein Zusatzlichtleitelement angeordnet ist. Das Zusatzlichtleitelement ist dabei so ausgebildet, dass das von der Glühlampe auftreffende Lichtbündel beim Durchlaufen des Zusatzlichtleitelements so umgelenkt wird, dass das Gesamterscheinungsbild der Leuchteinheit dem einer Leuchteinheit mit einer Leuchtdiode als Lichtquelle ähnelt.
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Aus dem Dokument
DE 10 2005 049 685 A1 ist ein Scheinwerfermodul für ein Fahrzeug bekannt, bei dem mehrere LED-basierte Leuchteinheiten zur Bereitstellung unterschiedlicher Lichtfunktionen vorgesehen sind. Jeder Leuchteinheit ist dabei eine primäre Optik zugeordnet, die das von der Lichtquelle der Leuchteinheit emittierte Licht so formt, dass eine Abstrahlcharakteristik gemäß der für die Leuchteinheit gewünschte Lichtfunktion eingestellt wird. Nach dem Durchlaufen der primären Optik wird das entsprechend der gewünschten Abstrahlcharakteristik geformte Lichtbündel mit einer sekundären Optik auf die Straße projiziert. Auch bei diesem bekannten Scheinwerfermodul ist es nachteilig, dass es bei der Ausführung des Primäroptikelementes als Kunststoffteil aufgrund des Wärmeeintrags durch die Lichtquelle zu unerwünschten Änderungen der Brechungsindexverteilung in dem Primäroptikelement kommen kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Scheinwerfer für Fahrzeuge derart weiterzubilden, dass auf einfache Weise eine Lichtstromverteilung ermöglicht wird, ohne dass es zu einer Beeinträchtigung der optischen und/oder elastischen Eigenschaften des Optikelementes kommen kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Lichtquelle und dem Optikelement ein thermisches Entkopplungselement angeordnet ist, das eine in Richtung einer optischen Achse der Lichtquelle verlaufende wärmeeintragsabhängige Mindestlänge und eine solche quer zur optischen Achse verlaufende eckige Kontur aufweist, dass eine Winkelverteilung eines an einer der Lichtquelle zugewandten Seite angeordneten Lichteinkoppelfläche des Entkopplungselementes eingekoppelten Lichtbündels gleichartig zu einer Winkelverteilung des an einer der Lichtquelle abgewandten Seite angeordneten Lichtauskoppelfläche ausgekoppelten Lichtbündels ausgebildet ist.
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Die Erfindung sieht ein thermisches Entkopplungselement vor, das zwischen der Lichtquelle einerseits und einem der Lichtquelle zugewandten Optikelement andererseits positioniert ist. Vorteilhaft ermöglicht das thermische Entkopplungselement eine thermische Entkopplung zwischen der Lichtquelle und dem Optikelement, so dass das Optikelement vor einem schädlichen Wärmeeintrag, der von der Leistungselektronik der Lichtquelle ausgeht, geschützt ist. Das Entkopplungselement weist zum einen eine solche Mindestlänge in Richtung der optischen Achse auf, dass eine Beeinträchtigung der optischen und/oder elastischen Eigenschaften des Optikelementes vermieden wird, und zum anderen ist das thermische Entkopplungselement so kurz gewählt, dass Transmissionsverluste des Lichtstromes gering gehalten werden. Vorteilhaft ermöglicht die Geometrie des erfindungsgemäßen thermischen Entkopplungselementes eine verbesserte Homogenisierung und Farbmischung des auf das Optikelement auftreffenden Lichtbündels. Das erfindungsgemäße Entkopplungselement ermöglicht insbesondere, dass das in das Entkopplungselement eintretende Lichtbündel die gleiche Winkelverteilung aufweist wie das aus dem Entkopplungselement austretende Lichtbündel, wobei lediglich das Vorzeichen der Austrittswinkelschar entgegengesetzt zu der Eintrittswinkelschar sein kann. Durch die „Erhaltung” der Winkelverteilung wird somit kein optisch störender Einfluss auf die Weiterverarbeitung des Lichtbündels in dem nachgeordneten Optikelement ausgeübt.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das thermische Entkopplungselement eine sich in einer quer zur optischen Achse der Lichtquelle erstreckenden Ebene verlaufende Kontur auf, die über eine geeignete Anzahl von Ecken verfügt, so dass eine vollständige Parkettierung der Ebene ermöglicht wird und somit eine Aufrechterhaltung der Winkelverteilung des Lichtbündels ermöglicht wird. Vorzugsweise weist das Entkopplungselement im Querschnitt eine geringe Anzahl von Ecken auf.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind eine Lichteinkoppelfläche und eine Lichtauskoppelfläche des thermischen Entkopplungselementes verbindende Seitenwände eben ausgebildet. Vorteilhaft kann hierdurch eine winkelgetreue Durchmischung von Lichtstrahlen innerhalb des thermischen Entkopplungselementes ermöglicht werden.
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Vorzugsweise ist die Mindestlänge des thermischen Entkopplungselementes abhängig von dem Wärmeeintrag der Lichtquelle bzw. Wärmeleitfähigkeit des Entkopplungselementes bzw. Wärmeempfindlichkeit der nachgeschalteten Optik.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Mindestlänge des Entkopplungselementes derart gewählt, dass die Temperatur des Entkopplungselementes auf einer lichtquellenfernen Seite unterhalb eines vorgegebenen Schwellwertes liegt. Der Schwellwert ist abhängig von dem Wärmeleitwert des Entkopplungselementes und dem Wert des thermo-optischen Koeffizienten des Optikelementes. Der thermo-optische Koeffizient gibt die Änderung des Brechungsindexes mit der Temperatur wieder. Durch diese Wahl wird sichergestellt, dass das Entkopplungselement eine wirksame Vermeidung von Wärmekonvektionen ausgehend von den Wärme erzeugenden Mitteln der Lichtquelle sowie eine Verringerung der Wärmeleitung ermöglicht. Dadurch wird eine homogene Brechung der Lichtstrahlen im Optikelement gewährleistet.
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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 Darstellung eines erfindungsgemäßen Scheinwerfers,
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2 eine perspektivische Darstellung eines thermischen Entkopplungselementes nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
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3 eine perspektivische Darstellung eines thermischen Entkopplungselementes nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
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4 eine perspektivische Darstellung eines thermischen Entkopplungselementes nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
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5 eine schematische Darstellung des Temperaturverlaufes im Bereich des thermischen Entkopplungselementes,
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6 ein Diagramm der Brechzahl über die Temperatur zur Bestimmung eines Schwellwertes und
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7 eine schematische Darstellung zur Bestimmung der Mindestlänge des Entkopplungselementes unter Verwendung von Elementarstrecken.
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Ein Scheinwerfer für Fahrzeuge zur Erzeugung einer Abblendlichtverteilung besteht im Wesentlichen aus einer Lichtquelle 1, aus einem in Hauptabstrahlrichtung 2 der Lichtquelle 1 vorgelagerten thermischen Entkopplungselement 3 und aus mindestens einem dem Entkopplungselement 3 vorgelagerten Optikelement 4.
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Die Lichtquelle 1 ist vorzugsweise als LED-Leuchtelement ausgebildet, das vorzugsweise über mindestens einen LED-Chip verfügt. Auf einer Rückseite des LED-Chips sind Kühlrippen 5 angeordnet zur Kühlung der auf einem Träger 6 der Lichtquelle 1 angeordneten Leistungshalbleiter.
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Zur Vermeidung der durch die Leistungshalbleiter erzeugten Wärmekonvektion sowie zur Verringerung der Wärmeleitung ist zwischen der Lichtquelle 1 und dem Optikelement 4 das thermische Entkopplungselement 3 angeordnet, das vorzugsweise in unmittelbar Nähe oder unmittelbar anschließend zu der Lichtquelle 1 einerseits und dem Optikelement 4 andererseits angeordnet ist. Nach einer ersten Ausführungsform des thermischen Entkopplungselementes 3 gemäß den 1 und 2 ist dieses quaderförmig ausgebildet und weist auf einer der Lichtquelle 1 zugewandten Seite eine Lichteinkoppelfläche 7 und auf einer der Lichtquelle 1 abgewandten bzw. dem Optikelement 4 zugewandten Seite eine Lichtauskoppelfläche 8 auf. Die Lichteinkoppelfläche 7 und die Lichtauskoppelfläche 8 sind jeweils rechteckförmig ausgebildet und weisen vier Ecken 9 auf. Zwischen der Lichteinkoppelfläche 7 und der Lichtauskoppelfläche 8 erstrecken sich ebene Seitenwände 10. Das Entkopplungselement 3 ist vorzugsweise aus einem massiven Glasmaterial hergestellt. Alternativ kann das Optikelement 3 auch als ein innen verspiegelter Hohlkörper ausgebildet sein, wobei die Seitenwände 10 auf einer Innenseite Spiegelflächen aufweisen.
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Das Optikelement 4 ist derart ausgebildet, dass eine vorgegebene Lichtverteilung, beispielsweise eine Abblendlichtverteilung, in dem Straßenraum erzeugt wird. Das Optikelement 4 besteht aus einem polymeren Material, das vermittels des thermischen Entkopplungselementes 3 thermisch von der Lichtquelle 1 entkoppelt ist. Eine vorgegebene Brechungsindexverteilung innerhalb des Optikelementes 4 kann mittels Anordnung des Entkopplungselementes 3 aufrechterhalten werden. Das Entkopplungselement 3 ist derart ausgebildet, dass im Vergleich zu einem Nichtvorhandensein desselben der Lichtstrom bzw. die Winkelverteilung des von der Lichtquelle 1 in Richtung des Optikelementes 4 emittierten Lichtbündels nur geringförmig verringert bzw. gar nicht verändert wird.
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Nach einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform des Scheinwerfers kann statt eines einzigen Optikelementes 4 ein Primäroptikelement zur Erzeugung einer vorgegebenen Lichtverteilung im Bereich einer der Lichtquelle 1 abgewandten Seite und ein in einem Abstand zu dem Primäroptikelement angeordnetes Sekundäroptikelement zur Abbildung der Lichtverteilung in den Straßenraum vorgesehen sein. Vorzugsweise ist das Sekundäroptikelement als eine Kollimationslinse ausgebildet, deren Brennpunkt mit der Austrittsebene des Primäroptikelementes zusammenfällt. Die Kollimationslinse parallelisiert das Licht und bildet die Lichtverteilung ins Unendliche ab.
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Nach einer alternativen Ausführungsform eines Entkopplungselementes 13 gemäß 3 kann dasselbe eine Lichteinkoppelfläche 14 und eine Lichtauskoppelfläche 15 aufweisen, die – wie beim Entkopplungselement 3 – parallel zueinander verlaufen, allerdings statt vier Ecken sechs Ecken 9 aufweisen. Das Entkopplungselement 13 weist ebene Seitenwände 16 auf, die die Lichteinkoppelfläche 14 mit der Lichtauskoppelfläche 15 verbinden. Das Entkopplungselement 13 weist – wie das Entkopplungselement 3 – mindestens eine Symmetrieebene auf, durch die eine optische Achse 11 der Lichtquelle 1 bzw. des Optikelementes 4 verläuft.
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Nach einer alternativen Ausführungsform eines Entkopplungselementes 23 gemäß 4 sind eine Lichteinkoppelfläche 24 und eine Lichtauskoppelfläche 25 desselben – wie beim vorhergehenden Ausführungsbeispiel – mit sechs Ecken 9 versehen. Im Unterschied zu dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel sind die Randseiten der Lichteinkoppelfläche 24 und der Lichtauskoppelfläche 25 bzw. nicht gleich lang bzw. Seitenwände 26 des Entkopplungselementes 23 nicht gleich groß ausgebildet. Gegenüberliegende Randseiten 27 der Lichteinkoppelfläche 24 bzw. Lichtauskoppelfläche 25 weisen eine größere Länge auf als benachbarte Randseiten 28 desselben.
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Den erfindungsgemäßen Entkopplungselementen 3, 13, 23 ist gemein, dass sie im Querschnitt, das heißt in einer Ebene quer zur optischen Achse 11, eine geradzahlige Anzahl von Ecken 9 aufweisen. Die Lichteinkoppelfläche 7, 14, 24 ist parallel zu der Lichtauskoppelfläche 8, 15, 25 angeordnet. Die Anzahl der Geraden kann vier, sechs, acht betragen.
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Um eine von den Leistungshalbleitern der Lichtquelle 1 ausgehende Wärmeleitung zu dem Optikelement 4 weitgehend zu unterbinden, ist die Wärmeleitungseigenschaft des Entkopplungselementes 3, 13, 23 relativ gering gehalten. Vorzugsweise weist das Material des thermischen Entkopplungselementes 3, 13, 23 eine relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit auf. Um Lichtstromverluste gering zu halten, sollte eine in Richtung der optischen Achse 11 verlaufende Erstreckung bzw. Länge d des Entkopplungselementes 3, 13, 23 möglichst klein sein. Um unerwünschte Brechungsindexgradienten innerhalb des Optikelementes 4 zu vermeiden, muss das Entkopplungselement 3, 13, 23 eine Mindestlänge dMin aufweisen. Hierzu muss eine Temperatur T2 an der Lichtauskoppelfläche 8, 15, 25 des Entkopplungselementes 3, 13, 23 unterhalb eines vorgegebenen Schwellwertes S liegen. Der Schwellwert S ist abhängig von der Brechzahl n des Materials des Entkopplungselementes 3, 13, 23, wie aus 6 ersichtlich ist. Dort ergibt sich aufgrund der Brechzahl-Kurve ein Brechzahlsollwert nSoll in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Temperatursollwert TSoll, der sich auf einer der Lichtquelle abgewandten Seite des Optikelementes 4 einstellt.
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Durch Randbedingungen ist somit der Schwellwert S für die Temperatur vorgegeben. Mittels der Wärmleitungsgleichung kann dann die Mindestdicke dMin, für das Entkopplungselement 3, 13, 23 berechnet werden.
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Aus 5 ist ersichtlich, dass die Temperatur T1 an der Lichteinkoppelfläche 7, 14, 24 des Entkopplungselementes 3, 13, 23 größer ist als die Temperatur T2 an der Lichtauskoppelfläche 8, 15, 25 des Entkopplungselementes 3, 13, 23. Aufgrund der hier anwendbaren Wärmeleitungsgleichung verläuft die Kurve im Diagramm nach 5 zwischen der Temperatur T1 und T2 linear. Durch Wahl des Materials des Entkopplungselementes 3, 13, 23 kann die Steigung dieser Kurve verändert werde. Je steiler die Kurve verläuft bzw. je Größer die Steigung ist, desto kürzer kann die Länge d des Entkopplungselementes 3, 13, 23 gewählt werden.
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Das in das Entkopplungselement 3, 13, 23 eingekoppelte Lichtbündel wird an den Seitenwänden 10, 16, 26 mehrfach totalreflektiert, bis es durch die Lichtauskoppelfläche 8, 15, 25 in Richtung des Optikelementes 4 aus dem Entkopplungselement 3, 13, 23 austritt. Durch die Geometrie des Entkopplungselementes 3, 13, 23 ist sichergestellt, dass die Winkelverteilung des Lichtbündels am Eingang des Entkopplungselementes 3, 13, 23 mit der Winkelverteilung am Ausgang (Lichtauskoppelfläche 8, 15, 25) desselben übereinstimmt bzw. lediglich einen Vorzeichenwechsel aufweisen.
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Die Länge d des Entkopplungselementes 3, 13, 23 kann mittels folgender Gleichung aufgeteilt werden: d = t(y, β) + N·s + trest, wobei
- N
- = Anzahl der Reflexionen innerhalb des Entkopplungselementes 3, 13, 23 minus 1,
- s
- = Elementarstrecke
- t,(y, β)
- = d – y/tanβ
- h
- = Höhe der Lichteinkoppelfläche 7, 14, 24
- β
- = Brechungswinkel
- trest
- = Reststrecke.
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Es ist ersichtlich, dass die Gesamtlänge d des Entkopplungselementes 3, 13, 23 maßgeblich durch die Anzahl der Elementarstrecken s gebildet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lichtquelle
- 2
- Hauptabstrahlrichtung
- 3
- Entkopplungselement
- 4
- Optikelement
- 5
- Kühlrippe
- 6
- Träger
- 7
- Lichteinkoppelfläche
- 8
- Lichtauskoppelfläche
- 9
- Ecken
- 10
- ebene Seitenwände
- 11
- optische Achse
- 13
- Entkopplungselement
- 14
- Lichteinkoppelfläche
- 15
- Lichtauskoppelfläche
- 16
- ebene Seitenwände
- 23
- Entkopplungselement
- 24
- Lichteinkoppelfläche
- 25
- Lichtauskoppelfläche
- 26
- Seitenwände
- 27
- Randseite
- 28
- Randseite
- g
- Länge
- d
- Länge des Entkopplungselementes
- dMin
- Mindestlänge
- T2
- Temperatur
- S
- Schwellwert
- n
- Brechzahl
- NSoll
- Brechzahlsollwert
- TSoll
- Temperatursollwert
- N
- Anzahl Elementarstrecken
- s
- Elementarstrecken