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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Projektionslinse für einen Fahrzeugscheinwerfer mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Projektionsmodul für einen Fahrzeugscheinwerfer sowie einen Fahrzeugscheinwerfer vom Projektionstyp mit einer solchen Projektionslinse.
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Eine Projektionslinse, ein Projektionsmodul sowie ein Fahrzeugscheinwerfer der genannten Art ist bspw. aus der
DE 40 31 352 A1 bekannt.
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Projektionsmodule und Fahrzeugscheinwerfer vom Projektionstyp sind in unterschiedlichen Ausgestaltungen aus dem Stand der Technik bekannt. Aus der
DE 199 33 414 A1 ist beispielsweise ein Projektionsmodul bzw. ein Fahrzeugscheinwerfer vom Projektionstyp bekannt, bei dem zwischen der Lichtquelle und der Projektionslinse eine Blendenanordnung umfassend mindestens ein Blendenelement zum Abschalten eines Teils des von dem Reflektor reflektierten und/oder von der Lichtquelle ausgesandten Lichts angeordnet ist. Die Blendenanordnung ist um eine horizontale, quer und in einem Abstand zur optischen Achse des Reflektors verlaufende Achse schwenkbar, so dass sie zur Erzeugung einer Abblendlichtverteilung in den Strahlengang hinein und zur Erzeugung einer Fernlichtverteilung aus dem Strahlengang heraus geschwenkt werden kann. Bei in ihrer Stellung für Abblendlicht befindlichen Blendenanordnung wird eine Oberkante der Blendenanordnung durch die Projektionslinse als Helldunkelgrenze der Abblendlichtverteilung auf die Fahrbahn vor das Fahrzeug projiziert.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Blendenanordnung mehrere, um eine horizontale, im Wesentlichen parallel und in einem Abstand zu der optischen verlaufenden Achse klappbare Blendenelemente aufweisen, wobei die Oberkante der Blendenanordnung durch eine Überlagerung der im Strahlengang befindlichen Oberkanten der einzelnen Blendenelemente gebildet wird. Durch Bewegen der Blendenelemente relativ zueinander kann die Position und der Verlauf der Oberkante der Blendenanordnung und damit auch die Position und der Verlauf der Helldunkelgrenze der Abblendlichtverteilung nahezu beliebig variiert werden. Auf diese Weise kann eine adaptive Lichtverteilung erzeugt werden, bei der die Lichtverteilung der Umgebungssituation und/oder dem Fahrzeugzustand angepasst wird. Eine derartige Blendenanordnung ist beispielsweise aus der
DE 10 2005 012 303 A1 bekannt.
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Problematisch bei den bekannten Projektionsscheinwerfern ist jedoch, dass die Linsen eine Dispersion (Abhängigkeit des Brechungsindexes von der Wellenlänge des transmittierten Lichts) der Lichtstrahlen, das heißt eine Farbzerlegung des Lichtbündels bewirken. Das bedeutet, dass die blauen Lichtanteile von der Linse stärker abgelenkt werden als die grünen Lichtanteile und diese wiederum stärker abgelenkt werden als die roten Anteile. Die Dispersion verursacht an der Helldunkelgrenze des ausgesandten Lichtbündels einen Farbsaum. Dieser durch Farbortsfehler, das heißt chromatische Aberration, hervorgerufene Farbsaum wirkt störend. Darüber hinaus entspricht ein solches Lichtbündel nicht den gesetzlichen Vorschriften. Aus diesem Grund werden im Stand der Technik verschiedene Möglichkeiten zur Korrektur des Farbsaums vorgeschlagen.
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Aus der
DE 35 07 013 A1 ist es bekannt, in Lichtaustrittsrichtung nach der Projektionslinse ein optisch wirksames Korrektionselement in Form von mehreren Zylinderlinsen in den Strahlengang einzubringen. Die Linse und das Korrektionselement können einstückig hergestellt sein. Ein achsferner oder randnaher Lichtstrahl wird beim Durchgang durch die Linse gebrochen und zwischen seinem roten Strahlenanteil und seinem blauen Strahlenanteil aufgefächert (dispergiert). Ohne das Korrektionselement würde der achsferne Strahl beim Durchgang durch die obere Hälfte der Linse – mindestens sein roter Strahlenanteil – oberhalb der Helldunkelgrenze des Lichtbündels im sogenannten Dunkelbereich auf einen vor dem Scheinwerfer in einem Abstand zu diesem angeordneten Messschirm auftreffen. Durch das Korrektionselement wird jedoch der achsferne Strahl mindestens auf oder unterhalb die Helldunkelgrenze und somit in den Hellbereich des Lichtbündels gelenkt. Das Korrektionselement lenkt einen randnahen Strahl nach dem Durchgang durch die obere Hälfte der Linse derart nach unten, dass sein roter Strahlenanteil auch mindestens auf oder unterhalb der Helldunkelgrenze in den Hellbereich des Lichtbündels fällt.
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Ein achsferner Strahl wird beim Durchgang durch die untere Hälfte der Linse ebenfalls gebrochen und in seinen roten und blauen Strahlenanteil aufgefächert. Das Korrektionselement lenkt den Strahl mindestens so weit nach unten, dass auch dessen blauer Strahlenanteil unter die Helldunkelgrenze in den Hellbereich des Lichtbündels fällt. Das Korrektionselement lenkt mithin alle einen Farbsaum bildenden und den Farbortsfehler unterliegenden Strahlen in den Hellbereich des Lichtbündels, wo sie sich vermischen.
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Problematisch bei den aus dem Stand der Technik bekannten Projektionslinsen mit Farbsaumkorrektur ist allerdings, dass zwar durch Verändern der Geometrie der Linse bzw. der Linsenoberfläche der Farbsaum verringert wird, gleichzeitig aber auch die transmittierten Lichtstrahlen in horizontaler Richtung ungünstig gebrochen werden. Da aus Designgründen in der Regel ein stetig differenzierbarer Übergang zwischen unterem und oberem Linsenteil erwünscht ist, werden durch die Farbsaumkorrektur bestimmte Bereiche der Linsenoberfläche besonders ungünstig gegenüber einer optimalen, nicht korrigierten Fläche verändert. Dies führt zu einer deutlichen Verschlechterung der Abbildungseigenschaften.
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Insbesondere kann die Farbsaumkorrektur zu einer ungewollten horizontalen Ablenkung der Lichtstrahlen führen, was insbesondere negative Auswirkungen auf den ansteigenden Abschnitt (15°-, 45°- oder stufenförmiger Anstieg) einer asymmetrischen Helldunkelgrenze hat. Das kann dazu führen, dass die gesetzlichen Anforderungen an das ausgesandte Lichtbündel hinsichtlich maximaler und minimaler Beleuchtungsstärkemaxima nicht erfüllt werden können. So ist bspw. in einem Schnittpunkt HV zwischen einer Horizontalen HH und einer Vertikalen VV der auf dem Messschirm abgebildeten Lichtverteilung eine maximale Beleuchtungsstärke von 1 lux vorgegeben. Unmittelbar daneben auf der eigenen Fahrbahnseite werden dagegen sehr hohe Beleuchtungsstärkewerte gefordert. Aufgrund der ungünstigen horizontalen Ablenkung der Lichtstrahlen infolge der Farbsaumkorrektur kann es sich als problematisch, wenn nicht sogar unmöglich herausstellen, die max. Beleuchtungsstärkewerte im Punkt HV zu erreichen.
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Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Projektionslinse mit Farbsaumkorrektur dahingehend auszugestalten und weiterzubilden, dass einerseits eine wirksame Farbsaumkorrektur erzielt werden kann, andererseits aber auch eine Unschärfe der durch die Linse erzielten Abbildung in horizontaler Richtung möglichst gering ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Projektionslinse mit sämtlichen Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen.
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Das erfindungsgemäß zusätzlich in den Strahlengang eingebrachte optisch wirksame Korrektionselement bewirkt eine Ablenkung der Lichtstrahlen in horizontaler Richtung, so dass Unschärfe der durch die Linse erzielten Abbildung in horizontaler Richtung verringert, idealerweise zumindest in Teilbereichen des Lichtbündels sogar ganz kompensiert werden kann. Dadurch können die gesetzlichen Anforderungen an die maximalen Beleuchtungsstärken, insbesondere im Bereich eines Punkts HV der Lichtverteilung, trotz Farbsaumkorrektur besonders gut eingehalten werden.
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Es wird vorgeschlagen, dass das erste optisch wirksame Korrektionselement als eine Korrektur der Lichtaustrittsfläche der Linse in Abhängigkeit von einem Abstand in vertikaler Richtung von einer durch die optische Achse der Linse verlaufenden horizontalen Mittelebene ausgebildet ist. Demnach wird die Lichtaustrittsfläche der Linse ausgehend von einer asphärischen Grundform entlang der vertikalen Achse variiert.
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Außerdem wird vorgeschlagen, dass das in Lichtaustrittsrichtung nach der Linse angeordnete und eine Ablenkung der Lichtstrahlen zumindest in vertikaler Richtung bewirkende erste optisch wirksame Korrektionselement als integraler Bestandteil der Linse auf der Lichtaustrittsfläche der Linse ausgebildet ist. Statt eines zusätzlichen, separaten optisch wirksamen Elements für die Farbsaumkorrektur, das in den Strahlengang eingebracht wird, wird die Linsenoberfläche, vorzugsweise die Lichtaustrittsfläche der Linse, in geeigneter Weise variiert, um die Farbsaum korrigierenden Eigenschaften zu erzielen.
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Es wird ferner vorgeschlagen, dass das weitere optisch wirksame Korrektionselement als eine Korrektur der Lichtaustrittsfläche der Linse in Abhängigkeit von einem Abstand in horizontaler Richtung von einer durch die optische Achse der Linse verlaufenden vertikalen Mittelebene ausgebildet ist. Demnach wird die Lichtaustrittsfläche der Linse ausgehend von einer asphärischen Grundform sowohl entlang der vertikalen Achse als auch entlang der horizontalen Achse variiert.
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Zu diesem Zweck wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, dass das weitere optisch wirksame Korrektionselement in Abhängigkeit von der Ausgestaltung und Wirkung des ersten optisch wirksamen Korrektionselements derart ausgebildet ist, dass es die Wirkung des ersten optisch wirksamen Korrektionselements in mindestens einem Teilbereich des durch die Linse und die beiden Korrektionselemente hindurchgetretenen Lichtbündels verringert. Vorzugsweise ist das weitere optisch wirksame Korrektionselement in Abhängigkeit von der Ausgestaltung und Wirkung des ersten optisch wirksamen Korrektionselements derart ausgebildet, dass sich die Wirkung der beiden optisch wirksamen Korrektionselemente in mindestens einem Teilbereich des durch die Linse und die beiden Korrektionselemente hindurchgetretenen Lichtbündels aufhebt.
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Insbesondere wird vorgeschlagen, dass die Korrektur g(y) der Lichtaustrittsfläche der Linse nach folgender Gleichung erfolgt:
wobei b
i Koeffizienten der Korrekturgleichung sind und i eine Laufvariable ist. Die Laufvariable i nimmt dabei vorzugsweise Werte zwischen 1 und ∞ an. Näherungsweise kann die Reihenentwicklung selbstverständlich auch schon abgebrochen werden, bevor i den Wert ∞ erreicht hat, beispielsweise wenn i den Wert 100, 15 oder sogar nur 7 oder 5 erreicht hat. Die Lichtaustrittsfläche der Linse wird ausgehend von der asphärischen Grundform entlang der vertikalen Achse stetig differenzierbar optimiert, wobei die Korrekturgleichung g(y) abschnittsweise (für y > 0 und y < 0) definiert ist. Dadurch ergibt sich jeweils für die obere Hälfte der Linse und die untere Hälfte eine eigene Korrektur der Linsenoberfläche.
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Vorzugsweise sind die geraden Koeffizienten b2i der Korrekturgleichung g(y) gleich Null oder deutlich kleiner als die ungeraden Koeffizienten b2i+1. Die Linsenoberfläche wird also durch Überlagerung mit einer Parabel ungerader Ordnung korrigiert.
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In entsprechender Weise wird gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, dass das in Lichtaustrittsrichtung nach der Linse angeordnete und eine Ablenkung der Lichtstrahlen zumindest in horizontaler Richtung bewirkende weitere optisch wirksame Korrektionselement als integraler Bestandteil der Linse auf der Lichtaustrittsfläche der Linse ausgebildet ist. Statt eines zusätzlichen, separaten optisch wirksamen Elements zur Kompensation der durch die Farbsaumkorrektur bewirkten unerwünschten horizontalen Ablenkung der Lichtstrahlen, das in den Strahlengang eingebracht wird, wird die Linsenoberfläche, vorzugsweise die Lichtaustrittsfläche der Linse, in geeigneter Weise variiert, um die Unschärfe der Abbildung der Linse in horizontaler Richtung zu verringern.
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Insbesondere wird vorgeschlagen, dass die Korrektur h(x) der Lichtaustrittsfläche der Linse nach folgender Gleichung erfolgt:
wobei c
i Koeffizienten der Korrekturgleichung sind und i eine Laufvariable ist. Die Laufvariable i nimmt dabei vorzugsweise Werte zwischen 1 und ∞ an. Näherungsweise kann die Reihenentwicklung selbstverständlich auch schon abgebrochen werden, bevor i den Wert ∞ erreicht hat, beispielsweise wenn i den Wert 100, 15 oder sogar nur 7 oder 5 erreicht hat. Demnach wird die Lichtaustrittsfläche der Linse ausgehend von der asphärischen Grundform sowohl entlang der vertikalen Achse als auch entlang der horizontalen Achse stetig differenzierbar optimiert. Das hat Vorteile insbesondere hinsichtlich der äußeren Erscheinung der Linse, da keine Knicke oder Sprünge in der Linse zu erkennen sind. Das ist entscheidend für eine Akzeptanz der Linse durch die Fahrzeughersteller, die Scheinwerfer mit einer solchen Linse in ihren Fahrzeugen einsetzen möchten.
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Über die Koeffizienten ci der Korrekturgleichung h(x) kann die Rücknahme der Auswirkungen der Farbsaumkorrektur auf die Abbildung in horizontaler Richtung verringert werden. Vorteilhafterweise gilt für die Korrekturgleichung h(x) zumindest in einer Linsenhälfte oberhalb einer durch die optische Achse der Linse verlaufenden horizontalen Mittelebene ci = –bi. In diesem Fall werden die Auswirkungen der Farbsaumkorrektur auf die Abbildungen in horizontaler Richtung für die Winkelhalbierenden des xy-Koordinatensystems im oberen Bereich der Linse sogar vollständig kompensiert. Selbstverständlich ist es denkbar, dass für die Korrekturgleichung h(x) auf der gesamten Lichtaustrittsfläche der Linse ci = –bi gilt.
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Schließlich wird vorgeschlagen, dass die Korrektur h(x) der Lichtaustrittsfläche der Linse nach einer Gleichung umfassend eine trigonometrische Funktion erfolgt. Als trigonometrische Funktion kann insbesondere sin(x), cos(x), tan(x) oder eine davon abgeleitete Funktion Anwendung finden.
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Die erfindungsgemäße Projektionslinse hat die angegebenen Vorteile aber auch dann, wenn keine Farbsaumkorrektur vorgesehen ist. Selbst ohne eine Farbsaumkorrektur ist es durch den Einsatz des Weiteren optisch wirksamen Korrektionselements im Strahlengang, gegebenenfalls in Form einer Variation der Lichtaustrittsfläche der Linse, möglich, Lichtstrahlen in horizontaler Richtung gezielt beeinflussen. Dies kann beispielsweise zur Erzeugung einer Nebellichtverteilung genutzt werden. Die relativ große horizontale Streuung einer Nebellichtverteilung kann zumindest teilweise durch eine im Sinne der vorliegenden Erfindung ausgebildete Projektionslinse realisiert werden.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Projektionslinse kommen insbesondere beim Einsatz der Linse in einem Projektionsmodul für einen Fahrzeugscheinwerfer zur Geltung. Aus diesem Grund wird als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Projektionsmodul für einen Fahrzeugscheinwerfer der eingangs genannten Art vorgeschlagen, das eine erfindungsgemäße Projektionslinse aufweist. Falls das Projektionsmodul ausschließlich zur Erzeugung einer Fernlichtverteilung vorgesehen ist, muss es keine Blendenanordnung zwischen Lichtquelle bzw. Reflektor und Projektionslinse aufweisen. Falls das Projektionsmodul jedoch alternativ oder zusätzlich zu der Fernlichtverteilung eine Lichtverteilung mit einer Helldunkelgrenze, beispielsweise eine Abblendlichtverteilung oder eine Nebellichtverteilung, erzeugen soll, weist das Projektionsmodul eine zwischen dem Reflektor und der Projektionslinse angeordnete Blendenanordnung zum Abschatten eines Teils des von dem Reflektor reflektierten und/oder von der Lichtquelle ausgesandten Lichts auf. Die Blendenanordnung umfasst mindestens ein Blendenelement. Zur Erzeugung einer adaptiven Lichtverteilung umfasst die Blendenanordnung mindestens zwei Blendenelemente, die um eine horizontale, im Wesentlichen parallel und in einem Abstand zur optischen Achse verlaufende Achse relativ zueinander klappbar sind.
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Das erfindungsgemäße Projektionsmodul ist Teil eines Fahrzeugscheinwerfers vom Projektionstyp. Aus diesem Grund wird als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Fahrzeugscheinwerfer der eingangs genannten Art vorgeschlagen, der ein Projektionsmodul mit einer erfindungsgemäßen Projektionslinse aufweist. Auch beim Einsatz in einem Fahrzeugscheinwerfer kann das Projektionsmodul mit oder ohne Blendenanordnung ausgebildet sein. Der Scheinwerfer weist vorzugsweise ein Gehäuse mit einer in Lichtaustrittsrichtung angeordneten Lichtaustrittsöffnung auf. Die Öffnung ist mittels einer Abdeckscheibe aus transparentem Material verschlossen. Die Abdeckscheibe kann als klare Scheibe ohne optisch wirksame Elemente oder aber als Streuscheibe mit optisch wirksamen Elementen (zum Beispiel Prismen, Zylinderlinsen, etc.) ausgebildet sein. Das Projektionsmodul kann alleine oder zusammen mit weiteren Lichtmodulen ebenfalls vom Projektions- oder vom Reflexionstyp in dem Scheinwerfergehäuse angeordnet sein.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren im Detail erläutert. Es zeigen:
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1 ein erfindungsgemäßes Projektionsmodul eines Fahrzeugscheinwerfers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
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2a und 2b ein Ausführungsbeispiel einer Blendenanordnung des Projektionsmoduls aus 1 in verschiedenen Ansichten;
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3 die Zuordnung der Koordinaten Achsen eines kartesischen Koordinatensystems zu einer Projektionslinse des Projektionsmoduls aus 1;
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4 eine Ansicht von vorne auf eine Projektionslinse des Projektionsmoduls aus 1 in Richtung der Pfeile IV-IV entgegen der Lichtaustrittsrichtung;
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5 eine beispielhafte Dispersion und die Wirkung der Position der Blendenanordnung bei dem Projektionsmodul aus 1;
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6 einen Strahlengang bei einer Projektionslinse des Projektionsmoduls aus 1 mit und ohne Farbsaumkorrektur;
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7 die Auswirkungen einer Farbsaumkorrektur mittels Variation der Geometrie der Lichtaustrittsfläche der Projektionslinse auf den Verlauf einer Helldunkelgrenze der resultierenden Lichtverteilung;
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8 eine Winkelverteilung von Brennpunktstrahlen für eine optimale Projektionslinse; und
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9 eine Winkelverteilung von Brennpunktstrahlen für eine Projektionslinse mit Farbsaumkorrektur mittels Variation der Geometrie der Lichtaustrittsfläche.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes Projektionsmodul für einen Fahrzeugscheinwerfer in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Das Modul 10 umfasst eine Lichtquelle 12 zum Aussenden von Licht. Die Lichtquelle 12 ist vorzugsweise als eine Gasentladungslampe, insbesondere vom Typ D1 oder D3 ausgebildet. Selbstverständlich kann die Lichtquelle 12 auch als eine herkömmliche Lampe mit Glühfaden ausgebildet sein oder eine oder mehrere Halbleiterleuchtdioden (LEDs) umfassen. Das Modul 10 umfasst des Weiteren einen Reflektor 14 zum Bündeln des von der Lichtquelle 12 ausgesandten Lichts. Im Bereich des Reflektorscheitels ist eine Öffnung 16 ausgebildet, durch die ein Glaskolben 18 der Lichtquelle 12 in das Innere des Reflektors 14 hineinragt. Im Inneren des Glaskolbens 18 der Gasentladungslampe 12 ist ein Lichtbogen ausgebildet, der das Licht aussendet. Das Projektionsmodul 10 umfasst schließlich auch eine Projektionslinse 20 zur Projektion des von der Lichtquelle 12 ausgesandten und/oder von dem Reflektor 14 reflektierten Lichts auf eine Fahrbahn vor das Fahrzeug zur Erzeugung einer gewünschten Lichtverteilung auf. Die Projektionslinse 20 besteht aus einem lichtdurchlässigen Material, vorzugsweise aus transparentem Kunststoff oder Glas. Die Linse 20 ist über einen Linsenhalter 22 am vorderen Rand des Reflektors 14 befestigt. Die Befestigung des Linsenhalters 22 am vorderen Rand des Reflektors 14 erfolgt vorzugsweise mittels geeigneter Befestigungselemente, beispielsweise mittels mehrerer Schrauben oder Nieten. In Lichtaustrittsrichtung 24 gesehen ist der Linsenhalter 22 derart ausgebildet, dass die Projektionslinse 20 darin in einer definierten Position gehalten ist. Die Linse 20 ist vorzugsweise klemmend in dem Linsenhalter befestigt. Eine optische Achse des Projektionsmoduls 10 ist mit dem Bezugszeichen 26 bezeichnet. Die optische Achse 26 ist vorzugsweise deckungsgleich mit den optischen Achsen der Lichtquelle 12, des Reflektors 14 und/oder der Projektionslinse 20.
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Damit das Projektionsmodul 10 auch eine Lichtverteilung mit einer Helldunkelgrenze, beispielsweise eine Abblendlichtverteilung oder eine Nebellichtverteilung, erzeugen kann, ist zwischen der Lichtquelle 12 und der Projektionslinse 20 eine Blendenanordnung 30 angeordnet, die eine Oberkante 32 aufweist, welche durch die Projektionslinse 20 zur Erzeugung der Helldunkelgrenze der Lichtverteilung auf der Fahrbahn vor dem Fahrzeug abgebildet wird. Die Blendenanordnung 30 ist um eine horizontale Schwenkachse 34, die quer zur optischen Achse 26 und in einem Abstand zu dieser verläuft, verschwenkbar. Durch Verschwenken der Blendenanordnung 30 um die Schwenkachse 34 um einen Winkel α kann das Projektionsmodul 10 zwischen Abblendlicht und Fernlicht umgeschaltet werden. In 1 ist die Blendenanordnung 30 in ihrer Stellung für Abblendlicht mit einer durchgezogenen Linie eingezeichnet. Die Blendenanordnung 30 ist dabei in dem Strahlengang des von der Lichtquelle 12 ausgesandten und/oder von dem Reflektor 14 reflektierten Lichts angeordnet. Ein Teil des Lichts wird von der Blendenanordnung 30 abgeschattet. Die Oberkante 32 wird von der Projektionslinse 20 als Helldunkelgrenze auf die Fahrbahn projiziert.
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In ihrer Stellung für Fernlicht ist die Blendenanordnung mit dem Bezugszeichen 30' bezeichnet und gestrichelt dargestellt. Dabei ist die Blendenanordnung 30' aus dem Strahlengang des von der Lichtquelle 12 ausgesandten und/oder von dem Reflektor 14 reflektierten Lichts heraus bewegt. Zum Verschwenken der Blendenanordnung 30 um die Schwenkachse 34 ist unterhalb des Reflektors 14 eine Betätigungseinheit vorgesehen, die als Antrieb einen Elektromotor, vorzugsweise einen Schrittmotor oder einen Elektromagnet 36 aufweist. Die Bewegung eines Magnetankers oder einer Motorachse wird mittels einer Getriebeeinheit 38 in eine Betätigungsbewegung zur Betätigung der Blendenanordnung 30 umgesetzt.
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Die Blendenanordnung 30 umfasst vorzugsweise mehrere Blendenelemente, die – wie in den 2a und 2b gezeigt – um eine horizontale, parallel zur optischen Achse 26 und in einem Abstand zu dieser verlaufende Achse 40 klappbar sind. Die in den 2a und 2b beispielhaft dargestellte Blendenanordnung 30 umfasst lediglich zwei Blendenelemente 42, 44. Selbstverständlich ist es denkbar, dass die Blendenanordnung 30 auch mehr als zwei Blendenelemente aufweist. Die Blendenelemente 42, 44 werden mittels eines Kurvengetriebes um die Achse 40 bewegt. Oberkanten 46, 48 der Elemente 42, 44 überlagern sich zu der optisch wirksamen Oberkante 32 der Blendenanordnung 30. Entscheidend ist dabei, dass die Blendenelemente 42, 44 unterschiedlich geformte Oberkanten 46, 48 aufweisen. Zudem sind in den Blendenelementen 42, 44 Steuerkurven 50, 52 mit unterschiedlichem Verlauf ausgebildet. In die Steuerkurven 50, 52 greift ein Antriebszapfen 54 ein, der um eine im Wesentlichen parallel zur Achse 40 und in einem Abstand zu dieser verlaufende Achse 56 drehbar ist. Zur Veranschaulichung der Drehbewegung des Antriebszapfens 54 um die Achse 56 ist in 2a ein Doppelpfeil 58 eingezeichnet.
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Die Position und der Verlauf der zur Erzeugung der Helldunkelgrenze der Lichtverteilung durch die Projektionslinse 20 abgebildeten Oberkante 32 der Blendenanordnung 30 wird – wie gesagt – durch die Oberkanten 46, 48 der einzelnen Blendenelemente 42, 44 bestimmt. Bei der in 2a dargestellten Stellung der Blendenelemente 42, 44 wird die Oberkante 32 der Blendenanordnung 30 allein durch die Oberkante 46 des ersten Blendenelements 42 bestimmt. Durch Drehen des Antriebszapfens 54 um die Achse 56 und Bewegen des Antriebszapfens 54 in eine der Richtungen des Doppelpfeils 58 in den Steuerkurven 50, 52 kann das erste Blendenelement 42 nach unten und/oder das zweite Blendenelement 44 nach oben bewegt werden, so dass zumindest ein Teil der Oberkante 32 durch die Oberkante 48 des zweiten Blendenelements 44 bestimmt wird. Mit der in den 2a und 2b gezeigten Blendenanordnung 30 kann eine adaptive Lichtverteilung mit veränderlicher Position und veränderlichem Verlauf der Helldunkelgrenze erzielt werden. Die in den 2a und 2b gezeigte Blendenanordnung 30 kann mit der in 1 dargestellten, um die Schwenkachse 34 verschwenkbaren Blendenanordnung 30 kombiniert werden. Die Blendenanordnung 30 mit den relativ zueinander bewegbaren Blendenelementen 42, 44 macht aber auch bei einer in der Position für Abblendlicht feststehenden Blendenanordnung 30 (durchgezogene Linie in 1) Sinn.
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Bei dem Projektionsmodul 10 wird das von der Lichtquelle 12 ausgesandte und durch den Reflektor 14 reflektierte Licht durch die Projektionslinse 20 gelenkt. Im Abblendlichtfall bildet die im Strahlengang angeordnete Blendenanordnung 30 in der projizierten Lichtverteilung die Helldunkelgrenze ab. Zumindest für die Bereiche nahe der Blendenanordnung 30 verhält sich das Projektionsmodul 10 im Scheinwerfer annähernd abbildend, das heißt die Blendenanordnung 30 und die Helldunkelgrenze sind einander ähnlich. Transparente Materialien, wie beispielsweise die Projektionslinse 20, zeigen eine Dispersion, das heißt eine Abhängigkeit des Brechungsindex von der Wellenlänge des transmittierten Lichts. Dies führt dazu, dass bei der Abbildung der Oberkante 32 der Blendenanordnung 30 ein Farbsaum entsteht.
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Dieses Phänomen wird anhand der 5 näher erläutert. Dort sind die roten Lichtanteile gestrichelt, die grünen Lichtanteile mit durchgezogener Linie und die blauen Lichtanteile gestrichpunktet dargestellt. In der linken Abbildung von 5 verläuft die Oberkante 32 der Blendenanordnung 30 genau durch einen Brennpunkt F der Projektionslinse 20. In der mittleren Abbildung von 5 ist die Blendenanordnung 30 zwischen Brennpunkt F und der Linse 20 angeordnet, und in der rechten Abbildung befindet sich die Blendenanordnung 30 jenseits des Brennpunkts F. Aufgrund der Abhängigkeit des Brechungsindex der Linse 20 von der Wellenlänge des Lichts entsteht bei der Abbildung der Oberkante 32 der Blendenanordnung 30 ein Farbsaum, da der blaue Lichtanteil in der Regel stärker gebrochen wird als der grüne und insbesondere als der rote Lichtanteil (vgl. die linke Abbildung in 5).
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Der Farbsaum in der Lichtverteilung wird als störend empfunden, und deshalb wird versucht, den Farbsaum zu verringern. Eine Blendenposition wie in der mittleren Abbildung von 5 gezeigt ergibt einen roten Farbeffekt und eine Blendenposition wie in der rechten Abbildung von 5 gezeigt verursacht blaue Kanten. Bei der in der mittleren Abbildung der 5 gezeigten Blendenposition wird verhindert, dass Lichtstrahlen durch den unteren Teil der Linse 20 gehen. Der Randstrahl, der nach der Projektion durch die Linse 20 die Helldunkelgrenze bildet, kommt aus dem oberen Teil der Linse und ist deshalb rot. Wenn man im umgekehrten Fall (rechte Abbildung in 5) durch die Blendenposition Lichtstrahlen durch den oberen Teil der Linse 20 verhindert, kommt der Randstrahl, der nach der Projektion durch die Linse 20 die Helldunkelgrenze bildet, aus dem unteren Teil der Linse 20 und ist deshalb blau.
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Um mit einfachen Mitteln eine Verringerung des Farbsaums in der Lichtverteilung zu erreichen, ist es beispielsweise aus der
DE 35 07 013 A1 bekannt, in Lichtaustrittsrichtung nach der Projektionslinse ein optisch wirksames Korrektionselement in den Strahlengang einzubringen. Die Linse und das Korrektionselement können einstückig hergestellt sein. Ohne das Korrektionselement würde ein achsferner Strahl beim Durchgang durch die obere Hälfte der Linse – mindestens sein roter Strahlenanteil – oberhalb der Helldunkelgrenze des Lichtbündels im sogenannten Dunkelbereich auf einen vor dem Scheinwerfer in einem Abstand zu diesem angeordneten Messschirm auftreffen. Durch das Korrektionselement wird jedoch der achsferne Strahl mindestens auf oder unterhalb die Helldunkelgrenze und somit in den Hellbereich des Lichtbündels nach unten gelenkt. Einen randnahen Strahl lenkt das Korrektionselement nach dem Durchgang durch die obere Hälfte der Linse derart nach unten, dass sein roter Strahlenanteil auch mindestens auf oder unterhalb der Helldunkelgrenze in den Hellbereich des Lichtbündels fällt. Nach Durchgang durch die untere Hälfte der Linse lenkt das Korrektionselement einen achsfernen Strahl mindestens so weit nach unten, dass auch dessen blauer Strahlenanteil unter die Helldunkelgrenze in den Hellbereich des Lichtbündels fällt. Das Korrektionselement lenkt mithin alle einen Farbsaum bildenden und den Farbortsfehler unterliegenden Strahlen in den Hellbereich des Lichtbündels, wo sie sich vermischen.
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Problematisch bei den aus dem Stand der Technik bekannten Projektionslinsen mit Farbsaumkorrektur ist allerdings, dass zwar durch Verändern der Geometrie der Linse bzw. der Linsenoberfläche der Farbsaum verringert wird, gleichzeitig aber auch die transmittierten Lichtstrahlen in horizontaler Richtung ungünstig gebrochen werden.
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7 zeigt zwei jeweils in einem Abstand vor dem Projektionsmodul 10 bzw. vor dem Scheinwerfer angeordnete Messschirme, auf denen eine durch das Modul 10 bzw. den Scheinwerfer erzeugte Lichtverteilung abgebildet ist. In der linken Abbildung der 7 ist eine Abblendlichtverteilung mit einer Helldunkelgrenze dargestellt, wie sie von einem Projektionsmodul 10 ohne Farbsaumkorrektur erzielt werden kann. Auf dem Messschirm ist eine mit HH bezeichnete Horizontale und eine mit VV bezeichnete Vertikale eingezeichnet. Der Schnittpunkt zwischen der Horizontalen HH und der Vertikalen VV ist mit HV bezeichnet. Die Helldunkelgrenze umfasst einen im Wesentlichen horizontal verlaufenden Abschnitt 62 und einen etwa ab der Vertikalen VV in einem 15°-Winkel ansteigenden Abschnitt 64. Der horizontale Abschnitt 62 verläuft etwas unterhalb der Horizontalen HH. Bei einer auf die Fahrbahn vor das Fahrzeug projizierten Abblendlichtverteilung würde der Abschnitt 62 auf der Gegenverkehrsseite und der ansteigende Abschnitt 64 auf der eigenen Verkehrsseite liegen. Durch das niedrigere Niveau des Abschnitts 62 gegenüber dem Abschnitt 64 wird eine Blendung entgegenkommender Verkehrsteilnehmer verhindert. Durch den ansteigenden Abschnitt 64 soll die vor dem Fahrzeug liegende eigene Fahrbahnseite, insbesondere der rechte Fahrbahnrand und dort angeordnete Verkehrszeichen, Personen, etc., besser ausleuchtet werden. Eine Blendung entgegenkommender Verkehrsteilnehmer ist dabei nicht zu befürchten. Der dargestellte Verlauf der Helldunkelgrenze 62, 64 gilt für Rechtsverkehr in Europa. Bei Linksverkehr befindet sich dementsprechend der horizontale Abschnitt 62 rechts der Vertikalen VV und der ansteigende Abschnitt 64 links der Vertikalen VV. Außerdem können in anderen Ländern aufgrund anderer gesetzlicher Vorschriften anders ausgestaltete Helldunkelgrenzen realisiert sein. Denkbar ist beispielsweise eine Helldunkelgrenze mit einem ersten horizontalen Abschnitt 62 links der Vertikalen VV und einem zweiten, ebenfalls horizontalen Abschnitt (nicht dargestellt) rechts der Vertikalen VV. Der Übergang zwischen dem ersten horizontalen Abschnitt 62 und dem zweiten horizontalen Abschnitt rechts der Vertikalen VV kann entweder stufenförmig (für Nordamerika) oder rampenförmig (für Japan) ausgebildet sein.
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Eine optimale Projektionslinse 20 ohne Farbsaumkorrektur erzeugt aus einem Strahlenbündel, das durch den Brennpunkt F der Linse 20 verläuft, ein im Wesentlichen paralleles Strahlenbündel (vergleiche linke Abbildung der 7), wohingegen eine Linse 20 mit einer Farbsaumkorrektur zu einer Aufweitung des Strahlenbündels nicht nur in der gewünschten vertikalen Richtung, sondern auch in horizontaler Richtung führt. Dies ist in der rechten Abbildung der 7 dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass der ansteigende Abschnitt 64 der Helldunkelgrenze in Richtung eines Pfeils 66, das heißt in horizontaler Richtung, abgelenkt wird. Die Unschärfe des ansteigenden Abschnitts 64 kann wie bspw. der Abschnitt 64' bis in den Punkt HV der Lichtverteilung reichen. Die unscharfe Abbildung der Oberkante 32 der Blendenanordnung 30 hat zur Folge, dass die gesetzlichen Vorgaben an die im Punkt HV maximal zulässigen Beleuchtungsstärkewerte nicht oder nur ganz knapp eingehalten werden können, was zu einer erhöhten Blendgefahr entgegenkommender Verkehrsteilnehmer führt.
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Diese Veränderung der Geometrie der Lichtaustrittsfläche der Linse 20 in Abhängigkeit vom Abstand y zur Horizontalschnittebene durch die optische Achse 26 zum Zwecke der Farbsaumkorrektur verursacht also eine Verschlechterung der Abbildungseigenschaften. Dies bedeutet, dass das Abbild der Blendenanordnung 30 beziehungsweise der Oberkante 32 der Blendenanordnung 30 auch in horizontaler Richtung unscharf wird (vergleiche rechte Abbildung der 7). In 9 ist die Winkelverteilung von Brennpunktstrahlen für eine Projektionslinse 20 mit Farbsaumkorrektur dargestellt. Jeder der Punkte steht für einen (simulierten) Lichtstrahl. Die Lichtstrahlen einer Linse 20 mit optimalen Abbildungseigenschaften, insbesondere ohne Farbsaumkorrektur, verlaufen idealerweise alle durch einen einzigen Punkt. In 9 ist deutlich zu erkennen, dass die Farbsaumkorrektur sowohl zu einer Aufweitung des Lichtbündels in vertikaler Richtung (erwünscht für die Farbsaumkorrektur) als auch zu einer Aufweitung in horizontaler Richtung (unerwünscht wegen horizontaler Streuung) führt. In 8 ist die Winkelverteilung von Brennpunktstrahlen für eine erfindungsgemäße Projektionslinse 20 mit Farbsaumkorrektur und mit zusätzlich in den Strahlengang eingebrachtem weiterem optisch wirksamem Korrekturelement zur Ablenkung der Lichtstrahlen zumindest in horizontaler Richtung. Das weitere Korrekturelement ist derart ausgestaltet, dass die erwünschte Aufweitung des Lichtbündels in vertikaler Richtung weitgehend beibehalten wird, aber die Aufweitung in horizontaler Richtung deutlich reduziert wird. Die erfindungsgemäße Linse 20 hat also deutlich verbesserte Abbildungseigenschaften.
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Zur Veranschaulichung der in der vorliegenden Anmeldung verwendeten Koordinaten sind in 3 die verwendeten kartesischen Koordinatenachsen in Bezug auf die Projektionslinse 20 eingezeichnet. Die z-Achse verläuft also praktisch deckungsgleich zur optischen Achse 26.
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Um bei dem beschriebenen Problem der horizontalen Ablenkung der Lichtstrahlen aufgrund der Farbsaumkorrektur der Linse Abhilfe zu schaffen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine in 4 in einer Ansicht von vorne entgegen der Lichtaustrittsrichtung 24 dargestellte Projektionslinse 20 vorgeschlagen. Diese weist sowohl eine wirksame Farbsaumkorrektur als auch besonders gute Abbildungseigenschaften mit einer in horizontaler Richtung verringerten Streuung der Lichtstrahlen auf.
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Für die Farbsaumkorrektur wird die Lichtaustrittsfläche der Linse
20 ausgehend von einer asphärischen Grundform entlang der vertikalen Achse y anhand folgender stetig differenzierbaren Gleichung g(y) optimiert:
wobei b
i Koeffizienten der Korrekturgleichung sind und i eine Laufvariable ist. Über die Koeffizienten b
i ist die Stärke der Farbkorrektur einstellbar. Um die gewünschte Wirkung zu erzielen, sind die Koeffizienten b
i für die obere und die untere Linsenhälfte unterschiedlich (abschnittsweise Definition der Funktion g(y)). Die abschnittsweise Definition der Funktion g(y) für y < 0 und y > 0 ist üblich, auch wenn prinzipiell für eine spezielle Anordnung auch eine abschnittsweise Definition für y < y
0 und y > y
0 mit y
0 ≠ 0 möglich ist.
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Vorzugsweise sind die geraden Koeffizienten b2i der Korrekturgleichung g(y) gleich Null oder deutlich kleiner als die ungeraden Koeffizienten b2i+1. Die Linsenoberfläche wird also durch Überlagerung der asphärischen Grundform mit einer Parabel ungerader Ordnung korrigiert.
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Zusätzlich wird die Lichtaustrittsfläche der Linse
20 zur Verbesserung der Abbildungseigenschaften insbesondere in horizontaler Richtung nach folgender Gleichung korrigiert:
wobei c
i Koeffizienten der Korrekturgleichung sind und i eine Laufvariable ist. Über die Koeffizienten c
i ist die bereichsweise Rücknahme der Farbsaumkorrektur bzw. deren Auswirkung optimierbar.
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Demnach wird die Lichtaustrittsfläche der Linse 20 ausgehend von der asphärischen Grundform sowohl entlang der vertikalen Achse y als auch entlang der horizontalen Achse x stetig differenzierbar optimiert. Das hat Vorteile insbesondere hinsichtlich der äußeren Erscheinung der Linse, da keine Knicke oder Sprünge in der Linse 20 zu erkennen sind.
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Über die Koeffizienten ci der Korrekturgleichung h(x) kann die Rücknahme der Auswirkungen der Farbsaumkorrektur g(y) auf die Abbildung in horizontaler Richtung verringert werden. Vorteilhafterweise gilt für die Korrekturgleichung h(x) zumindest in einer Linsenhälfte oberhalb einer durch die optische Achse der Linse verlaufenden horizontalen Mittelebene ci = –bi. In diesem Fall werden die Auswirkungen der Farbsaumkorrektur g(y) auf die Abbildungen in horizontaler Richtung für die Winkelhalbierenden 70, 72 des xy-Koordinatensystems im oberen Bereich der Linse 20 sogar vollständig kompensiert.
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Für die Lichtaustrittsfläche der Projektionslinse
20 kann eine Asphäre gemäß der nachfolgenden Gleichung mit
angenommen werden. Eine asphärische Lichtaustrittsfläche ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
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Um eine Farbsaumkorrektur zu erreichen, kann man zu der Gleichung f(x, y) für die asphärische Lichtaustrittsfläche für den oberen Linsenbereich (y > 0) und den unteren Linsenbereich (y < 0) unterschiedliche Funktion addieren. Dabei sind die beiden Korrekturfunktionen gy>0(y) und gy<0(y) allein von y abhängig, wodurch die Mitte der Projektionslinse 20 stetig und differenzierbar bleibt. Durch die Korrektur h(x) in Abhängigkeit von dem Abstand x von der vertikalen Schnittebene werden die Auswirkungen der Farbsaumkorrektur hinsichtlich einer unscharfen Abbildung der Helldunkelgrenze in horizontaler Richtung kompensiert.
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Die durch die Korrektur g(y) der Lichtaustrittfläche der Linse 20 realisierte Farbsaumkorrektur wird anhand der 6 näher erläutert. Wiederum sind die roten Lichtanteile gestrichelt, die grünen Lichtanteile mit durchgezogener Linie und die blauen Lichtanteile gestrichpunktet dargestellt. Der Strahlengang bei einer Projektionslinse 20 ohne Farbsaumkorrektur ist für die roten, grünen und blauen Lichtanteile gleichermaßen durch eine gepunktete Linie dargestellt. Entsprechendes gilt auch für die Korrektur der Geometrie der Lichtaustrittsfläche der Linse 20. Eine Tangente und eine Flächennormale auf der unkorrigierten Lichtaustrittsfläche in einem Punkt 60 der Linse 20 ist gestrichelt dargestellt, und die entsprechende Tangente und Flächennormale an der korrigierten Lichtaustrittsfläche der Linse 20 ist mit einer durchgezogenen Linie dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass mit Farbsaumkorrektur in der oberen Linsenhälfte der rote Brennpunktstrahl parallel zur optischen Achse 26 und in der unteren Linsenhälfte der blaue Brennpunktstrahl parallel zur optischen Achse 26 verläuft. Die roten und blauen Lichtanteile mischen sich in der Projektion und bilden im Gesamtbild eine farblich neutrale Helldunkelgrenze.
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Die beschriebene Farbsaumkorrektur führt dazu, dass der Brennpunkt F der Linse 20 über den gesamten Bereich der Linse 20 variiert. Dies ist gleichbedeutend mit einer unscharfen Abbildung der Oberkante 32 der Blendenanordnung 30, die wegen der Durchmischung der Helldunkelgrenze aus dem unteren und oberen Teil der Linse 20 zum Zwecke der Farbsaumkorrektur auch beabsichtigt ist.
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Gemäß der in 4 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Projektionslinse 20 besitzt diese zusätzlich zu der oben beschriebenen Farbsaumkorrektur g(y) die Korrektur h(x), welche nur von der x-Koordinate abhängig ist und durch die die Farbsaumkorrektur in Abhängigkeit zum Abstand x zur vertikalen Schnittebene verringert wird und damit die Abbildungseigenschaften in horizontaler Richtung verbessert werden. Dies führt dazu, dass besonders die horizontale Winkelabweichung der Brennpunktstrahlen verringert wird und damit die Unschärfe der Helldunkelgrenze (vgl. 8).
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Zusammenfassend wird also eine Projektionslinse 20, insbesondere für ein Projektionsmodul 10 eines Fahrzeugscheinwerfers, vorgeschlagen, deren Lichtaustrittsfläche sowohl hinsichtlich einer möglichst wirksamen Farbsaumkorrektur als auch hinsichtlich einer Verbesserung der Abbildungseigenschaften insbesondere in horizontaler Richtung optimiert ist. Mit der vorgeschlagenen Projektionslinse 20 wird verhindert, dass sich aufgrund der Farbsaumkorrektur auch eine horizontale Ablenkung der Lichtstrahlen und damit eine insbesondere im ansteigenden Abschnitt 64 unscharfe Helldunkelgrenze ergibt. Dies kann einerseits eine für den Fahrer des Fahrzeugs angenehme Farbsaumkorrektur bewirken. Andererseits wird aber auch verhindert, dass im Punkt HV zu hohe Beleuchtungsstärkewerte erreicht und entgegenkommende Verkehrsteilnehmer dadurch geblendet werden.
