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Die
Erfindung betrifft eine Abstrahleinheit für einen Scheinwerfer
nach dem Obergriff des Anspruchs 1 sowie einen Scheinwerfer, insbesondere einen
Fahrzeugscheinwerfer, und ein Scheinwerfersystem.
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Als
Frontscheinwerfer für Fahrzeuge sind weitläufig
Systeme bekannt, die im Wesentlichen aus einer Abstrahleinheit,
z. B. einer Xenon-Lampe, und einer der Abstrahleinheit nachgeordneten
Projektionsoptik bestehen. Um die räumliche Lichtverteilung im
Verkehrsraum einzustellen, kann die Projektionsoptik über
eine geeignete Mechanik verkippt werden. So wird die Projektionsoptik
zur Einstellung der vertikalen Lichtverteilung, durch die die Leuchtweite
bestimmt ist, in einem vorbestimmten Winkelbereich, der üblicherweise
etwa ±5° beträgt, nach oben oder unten
gekippt.
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Bei
den heute üblichen Fahrzeugscheinwerfern mit Projektionsoptik
erfolgt die Umschaltung zwischen Abblendlicht und Fernlicht über
eine Blende, die sich in der Zwischenabbildungsebene der Projektionsoptik
befindet. Die Lichtverteilung in der Zwischenabbildungsebene wird
von der Projektionsoptik in den Verkehrsraum abgebildet. Die in
der Zwi schenabbildungsebene angeordnete Blende erzeugt eine scharfe
Hell-Dunkel-Grenze, kurz HDG, in der Lichtverteilung, wie sie für
das Abblendlicht benötigt wird. Durch die Hell-Dunkel-Grenze
ist die Leuchtweite in dem Verkehrsraum festgelegt.
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Die
Blende ist üblicherweise als Blechplatte oder Walze ausgebildet,
die mittels einer Getriebemechanik in der Zwischenabbildungsebene
bewegt wird. Durch Bewegen der Blende lässt sich sowohl die
vertikale Lichtverteilung und damit die Leuchtweite als auch die
horizontale Lichtverteilung und damit die Leuchtbreite einstellen.
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Nachteilig
an dieser bekannten Lösung ist, dass zum Verstellen der
Blende in der Zwischenabbildungsebene der Projektionsoptik eine
aufwändige Mechanik benötigt wird. Das Verstellen
der beweglichen Teile der Mechanik erfordert einen beträchtlichen
Energieaufwand. Außerdem muss zusätzlicher Bauraum
innerhalb des Fahrzeugscheinwerfers für die Mechanik bereitgestellt
werden.
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In
jüngerer Vergangenheit wurden Fahrzeugscheinwerfer entwickelt,
deren Abstrahleinheiten mit Leuchtdioden, kurz LEDs, arbeiten. So
ist beispielsweise in der
DE 10 2005 041 234 A1 eine Abstrahleinheit
für einen Fahrzeugscheinwerfer nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 beschrieben, die mehrere Leuchtdioden enthält.
Bei einem solchen Abstrahleinheit wird die Abstrahlfläche
der jeweiligen Leuchtdiode direkt, d. h. ohne Zwischenabbildung, durch
die Projektionsoptik in den Verkehrsraum abgebildet.
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Bei
einem mit Leuchtdioden arbeitenden Fahrzeugscheinwerfer tritt ein
Problem auf, das im Folgenden unter Bezugnahme auf die 1A und 1B beschrieben
wird.
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1A zeigt
ein Diagramm mit der Lichtverteilung, die eine beispielhafte Anordnung
aus vier horizontal nebeneinander liegenden Leuchtdioden, im Folgenden
auch als LED-Chips bezeichnet, erzeugt. Dabei wird angenommen, dass
die LED-Chips jeweils eine quadratische Abstrahlfläche
mit einer Seitenlänge von 1 mm aufweisen. Ferner wird in
diesem konkreten Beispiel angenommen, dass die der LED-Chip-Anordnung
nachgeordnete Projektionsoptik die Abstrahlflächen der
vier LED-Chips in einer Entfernung von 50 m auf eine Breite von
4 m abbildet. Das Diagramm nach 1A zeigt
die räumliche Lichtverteilung, die unter diesen Annahmen
an einer Testwand erzeugt wird, die sich in einem Abstand von 25
m von der LED-Chip-Anordnung befindet.
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In
dem Diagramm nach 1A sind die durch die Projektionsoptik
an der Testwand erzeugten Bilder der Abstrahlflächen der
vier horizontal nebeneinander liegenden LED-Chips mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet.
Dabei ist darauf hinzuweisen, dass die Abszisse und die Ordinate
des Diagramms nach 1A unterschiedlich skaliert
sind, so dass die vier an sich quadratischen Abstrahlflächenbilder 2 in 1A nicht
quadratisch, sondern langgestreckt rechteckig dargestellt sind.
Da es im Folgenden auf die vertikale Lichtverteilung, insbesondere
die Leuchtweite ankommt, sind die vertikalen Abmessungen der vier
Abstrahlflächenbilder gegenüber deren horizontalen
Abmessungen vergrößert dargestellt.
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In
dem Diagramm nach 1A ist die Lichtverteilung,
die im Abstand von 25 m an der Wand erzeugt wird, in vertikaler
Richtung in verschiede ne Höhenbereiche I bis V unterteilt.
Der Höhenbereich I reicht auf der in einem Abstand von
25 m angeordneten Testwand bis zu einer Höhe von 0,38 m.
Diese an der Testwand bestimmte Höhe entspricht einer Leuchtweite
von 60 m. Die Leuchtweite gibt die Entfernung an, bis zu der die
als horizontal verlaufend angenommene Fahrbahn ausgeleuchtet wird.
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Mit
zunehmender Höhe schließen an den Höhenbereich
I vier weitere Höhenbereiche II bis V an. Dabei bezeichnet
der Höhenbereich II einen ersten Fernlichtbereich, der
auf der Testwand von der Höhe 0,38 m bis zur Höhe
0,51 m reicht. Letztere entspricht einer Leuchtweite von 120 m.
Der Höhenbereich III stellt einen zweiten Fernlichtbereich
dar. Dieser reicht auf der Testwand von der Höhe 0,51 m
bis zur Höhe 0,58 m. Letztere entspricht einer Leuchtweite
von 180 m. Der Höhenbereich IV stellt einen dritten Fernlichtbereich
dar. Dieser reicht auf der Testwand von der Höhe 0,58 m
bis zur Höhe 0,60 m. Letztere entspricht einer Leuchtweite
von 300 m. An die an der Testwand bestimmte Höhe von 0,60
m schließt der Höhenbereich V an. In dem Höhenbereich
V liegt die Horizonthöhe auf der Testwand bei etwa 0,65
m. Diese Höhe entspricht der Einbauhöhe der LED-Chip-Anordnung
im Fahrzeug.
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Da
die LED-Chips in diesem Beispiel ausschließlich zur Erzeugung
des Fernlichtes, nicht jedoch zur Erzeugung des Abblendlichtes bestimmt sind,
liegen die durch die Projektionsoptik erzeugten Abstrahlflächenbilder 2 oberhalb
des für das Abblendlicht vorgesehenen Höhenbereichs
I.
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Wie 1A zeigt,
erstrecken sich die Abstrahlflächenbilder 2 vom
Abblendlichtbereich mit einer Leuchtweite von 60 m über
sämtliche Fernlichtbereiche mit einer Leuchtweite bis 300
m bis über den Horizont. Um beispielsweise ausschließlich
einen Leuchtweitenbereich von 180 m bis 300 m zu erzeugen, wie dies
in 1B durch den schraffierten Bereich A dargestellt
ist, werden von den in 1A dargestellten Abstrahlflächenbildern 2 jeweils
nur die schraffierten Abschnitte genutzt, die dem Höhenbereich
IV, d. h. dem dritten Fernlichtbereich zugeordnet sind. In dem konkreten
Beispiel entsprechen diese schraffierten Abschnitte bei einer angenommenen Seitenlänge
der jeweiligen LED-Chip-Abstrahlfläche von 1 mm einer Höhe
von etwa 0,1 mm. Um selektiv den dritten Fernlichtbereich zu realisieren,
müssten demnach LED-Chips mit Abstrahlflächen
dieser geringen Höhe eingesetzt werden. Solche LED-Chips sind
derzeit nicht verfügbar.
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Um
eine geringere Abbildungshöhe zu erhalten, könnte
auch bei fest vorgegebener Chiphöhe eine Projektionsoptik
mit einer längeren Brennweite eingesetzt werden. Jedoch
erfordert eine solche Projektionsoptik einen größeren
Bauraum. Auch ist die Effizienz der Lichtnutzung herabgesetzt, da
eine Projektionsoptik mit langer Brennweite weniger des von den
LED-Chips abgestrahlten Lichtes sammelt als eine Projektionsoptik
mit kurzer Brennweite. Schließlich ist zu bedenken, dass
durch eine längere Brennweite nicht nur die Abbildungshöhe,
sondern auch die Abbildungsbreite reduziert wird, wodurch das ausgeleuchtete
Sichtfeld unvorteilhaft klein wird.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Abstrahleinheit für einen Scheinwerfer,
insbesondere einen Fahrzeugscheinwerfer, anzugeben, die bei einer
geringen Baugröße des Scheinwerfers eine feine
Einstellung der räumlichen Strahlungsverteilung im auszuleuchtendem
Raum ermöglicht.
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Die
Erfindung löst diese Aufgabe durch den kennzeichnenden
Teil des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Die
Erfindung sieht vor, dass den Abstrahlflächen der in der
Abstrahleinheit vorgesehenen Halbleiterstrahlungsquellen eine oder
mehrere Abschattungsvorrichtungen überlagert sind, die
zur veränderbaren optischen Abschattung der Abstrahlflächen
ansteuerbar sind. Durch die Ansteuerung der Abschattungsvorrichtung(en)
kann die Strahlungsverteilung in dem Raum, insbesondere einem Verkehrsraum stufenlos
und mit hoher Auflösung variabel eingestellt werden. Diese
hochauflösende und stufenlose Einstellung der Strahlungsverteilung
ist insbesondere auch mit einer Optik vergleichsweise geringer Brennweite
möglich, was einen kompakten Aufbau eines Scheinwerfers
ermöglicht.
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Als
Halbleiterstrahlungsquellen werden vorzugsweise Leuchtdioden eingesetzt,
die Licht im sichtbaren Strahlungsspektrum abgeben. Die Erfindung
ist jedoch hierauf nicht beschränkt. So können auch
je nach Anwendungsfall auch Halbleiterstrahlungsquellen verwendet
werden, die Strahlung im unsichtbaren Strahlungsspektrum, z. B.
Infrarotstrahlung, aussenden. In der folgenden Beschreibung wird jedoch
beispielhaft angenommen, dass die Strahlung in Form von sichtbarem
Licht abgegeben wird.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Abstrahlflächen
jeweils einer von mehreren Flächengruppen zugeordnet. Die
Abschattungsvorrichtungen sind jeweils einer der Flächengruppen überlagert
und unabhängig voneinander ansteuerbar. Die genannten Flächengruppen
beinhalten also eine oder mehrere der verschiedenen Abstrahlflächen.
Die Abstrahlflächen, die der jeweiligen Flächengruppe
zugeordnet sind, sind von einer individuell ansteuerbaren Abschattungsvorrichtung überlagert.
Die Flächengruppen können so zur Erzeugung der
gewünschten Lichtverteilung unabhängig voneinander abgeschattet
werden.
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Soll
eine besonders hochaufgelöste Lichtverteilung erzielt werden,
so kann jede Flächengruppe aus nur einer einzigen Abstrahlfläche
gebildet sein. In diesem Fall kann jede einzelne Abstrahlfläche
individuell abgeschattet werden.
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Indem
jeder einzelnen Abstrahlfläche eine Abschattungsvorrichtung überlagert
ist, die sich idealerweise in unmittelbarer Nähe der Abstrahlfläche
befindet, kann die hohe Leuchtdichte an der Abstrahlfläche
genutzt werden. Somit ist eine effizientere Nutzung des von der
Abstrahleinheit abgegebenen Lichtes möglich als dies bei
herkömmlichen Scheinwerfern der Fall ist, bei denen eine
Blende in der Zwischenabbildungsebene angeordnet ist.
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Die
in der Abstrahleinheit vorgesehenen Halbleiterstrahlungsquellen
können ausschließlich zur Bereitstellung von Fernlicht
bestimmt sein. Durch die Ansteuerbarkeit der Abschattungsvorrichtungen derart,
dass die Abschattung der Abstrahlflächen einstellbar ist,
kann ein permanent wirksames Fernlicht bereitgestellt werden, das
lediglich dann abgeblendet wird, wenn dies aufgrund äußerer
Umstände, z. B. bei Erfassung entgegenkom mender Fahrzeuge,
erforderlich ist. Die Abstrahleinheit kann jedoch auch so aufgebaut
sein, dass sie neben den mit den Abschattungsvorrichtungen versehenen
Halbleiterstrahlungsquellen, die zur Bereitstellung des Fernlichtes
bestimmt sind, weitere Halbleiterstrahlungsquellen ohne Abschattungsvorrichtung
enthält, die das Abblendlicht bereitstellen. Ferner ist
es auch denkbar, die Halbleiterstrahlungsquellen, die zur Erzeugung
des Abblendlichts bestimmt sind, erfindungsgemäß mit
Abschattungsvorrichtungen zu versehen, um beispielsweise die Leuchtweite
einzustellen.
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Die
Ansteuerbarkeit der Abschattungsvorrichtungen erleichtert auch die
Montage und Justierung der Abstrahleinheit innerhalb des Scheinwerfers.
So kann die von der Abstrahleinheit abgegebene Strahlungsverteilung
auch noch nach der Montage justiert werden, indem die Abschattungsvorrichtungen über
den Abstrahlflächen entsprechend eingestellt werden. Dies
kann beispielsweise mit Hilfe einer hierfür bestimmten
Software erfolgen, wodurch der Montageaufwand erheblich reduziert
wird.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung bilden die Abstrahlflächen
eine Zeilen- oder Matrixanordnung. Ferner ist vorgesehen, dass die
horizontale Strahlungsverteilung durch Abschatten der Abstrahlflächen
in horizontaler Richtung und/oder die vertikale Lichtverteilung
durch Abschatten der Abstrahlflächen in vertikaler Richtung
einstellbar ist. Somit kann die Leuchtweite und/oder die Leuchtbreite
in einfacher Weise eingestellt werden.
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Vorzugsweise
umfasst die jeweilige Abschattungsvorrichtung eine mechanische Blende
mit mindestens einem entlang der zugehörigen Abstrahlfläche
bewegbaren Blendenelement und mindestens einen zum Bewegen des Blendenelementes
ansteuerbaren Aktor. Dabei kann der Aktor piezoelektrisch, elektrostatisch
oder elektrodynamisch bzw. magnetisch arbeiten.
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Da
die Abschattungsvorrichtung der zugehörigen Abstrahlfläche
direkt zugeordnet ist, kann die mechanische Blende in unmittelbarer
Nähe der Abstrahlfläche angeordnet werden. Zur
Abschattung der Abstrahlfläche muss deshalb das Blendenelement
der mechanischen Blende nur um Wegstrecken bewegt werden, die den
Abmessungen der Abstrahlfläche selbst entsprechen und demnach
vergleichsweise gering sind. Die bewegten Massen sind entsprechend
klein, wodurch auch der Energieaufwand zur Einstellung der Lichtverteilung
gering gehalten wird. Diese vorteilhaften Umstände ermöglichen
die Ausbildung der erfindungsgemäßen Abstrahleinheit als
mechatronisches Mikrosystem.
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In
einer einfachen Ausgestaltung umfasst die mechanische Blende ein
einziges Blendenelement, das der bzw. den zugehörigen Abstrahlflächen
von einer Seite her überlagert wird. Diese Ausgestaltung kann
vorteilhaft zur Einstellung der Leuchtweite verwendet werden.
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Es
ist auch möglich, dass die mechanische Blende mindestens
zwei Blendenelemente umfasst, die der bzw. den zugehörigen
Abstrahlflächen von deren gegenüberliegenden Seiten
her überlagerbar sind und die einander in einem vorbestimmten
Ansteuerungszustand teilweise überlappen. Dadurch kann
die Lichtverteilung von zwei Seiten her, z. B. von oben und unten
her, variiert werden. Sind die Halbleiterstrahlungsquellen der Abstrahleinheit
ausschließlich zur Einstellung des Fernlichtes vorgesehen,
so ist der vorstehend genannte Ansteuerungszustand vorzugsweise
ein Zustand, in dem die Aktoren nicht auf die Blendenelemente wirken.
In einem solchen Zustand wird das von den Leuchtdioden abgestrahlte
Licht voll ständig abgeblendet. Dadurch kann beispielsweise
eine Blendung im stromlosen Zustand oder bei Auftreten einer Fehlfunktion
vermieden und die Störungssicherheit erhöht werden.
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Der
Aktor kann als piezoelektrisches Biegeelement ausgebildet sein,
an dem das Blendenelement angebracht ist, wobei das Blendenelement durch
Biegen des piezoelektrischen Biegeelementes entlang der Abstrahlfläche
bewegbar ist.
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Alternativ
kann der Aktor auch ein parallel zur Abstrahlfläche, d.
h. senkrecht zur Flächennormale, wirkender Linearaktor
sein, an dem das Blendenelement angebracht ist, wobei das Blendenelement
durch den Linearaktor entlang der Abstrahlfläche bewegbar
ist.
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In
einer weiteren alternativen Ausgestaltung ist der Aktor ein Elektromagnet
mit einem Kern, der parallel zur Abstrahlfläche verschiebbar
ist. Das Blendenelement ist durch den Kern entlang der Abstrahlfläche
bewegbar.
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Die
vorstehend genannten Ausbildungen des Aktors stellen technisch aufwandsarme
und effizient arbeitende Realisierungen des Aktors in einer als
mechatronisches Mikrosystem ausgebildeten Abschattungsvorrichtung
dar.
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Vorteilhaft
ist die Abstrahleinheit aus einem Bauelement gebildet, das einen
gemeinsamen Träger für die Halbleiterstrahlungsquellen
aufweist. Ein solches Bauelement bildet ein Modul dar, das einfach in
einen Scheinwerfer einzubauen ist.
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Der
Aktor kann an einem Träger des Bauelementes angebracht
sein. In diesem Fall ist die Abstrahleinheit besonders kompakt ausgebildet.
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Alternativ
kann der Aktor auch so ausgebildet sein, dass er an der Optik anbringbar
ist. Wird der Aktor an der Optik angebracht, so wird der Raum, der zur
Bereitstellung der Brennweite der Optik erforderlich ist, zugleich
als Bauraum für den Aktor genutzt. Dadurch kann die Baulänge
des Scheinwerfers verringert werden.
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In
einer alternativen Ausgestaltung umfasst die jeweilige Abschattungsvorrichtung
einen entlang der zugehörigen Abstrahlfläche angeordneten
transparenten Körper, der eine lichtundurchlässige
Flüssigkeit enthält, und mindestens einen Aktor,
durch den die lichtundurchlässige Flüssigkeit
zur Abschattung der Abstrahlfläche innerhalb des transparenten Körpers
entlang der Abstrahlfläche bewegbar ist. Bei dieser Ausgestaltung
sind die beweglichen Blendenelemente durch eine lichtundurchlässige
Flüssigkeit ersetzt. Dadurch wird die Zahl an mechanisch
zu bewegenden Komponenten weiter verringert. Auch in diesem Fall
befindet sich die lichtundurchlässige Flüssigkeit
vorzugsweise in unmittelbarer Nähe der Abstrahlfläche.
Durch eine geeignete Ausbildung des transparenten Körpers
kann die lichtundurchlässige Flüssigkeit sehr
variabel über die Abstrahlfläche geführt
werden. Somit ist es möglich, die Abschattung der Abstrahlfläche
und damit die räumliche Lichtverteilung in weiten Grenzen
zu variieren.
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Vorteilhaft
enthält der transparente Körper ein lichtdurchlässiges
Fluid, d. h. ein Gas oder eine Flüssigkeit, das einen über
der Abstrahlfläche angeordneten lichtdurchlässigen
Einschluss innerhalb der lichtundurchlässigen Flüssigkeit
bildet. Der lichtdurchlässige Einschluss stellt gleichsam
die variable Blendenöffnung der Abschattungsvorrichtung
dar.
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Ist
das lichtdurchlässige Fluid eine Flüssigkeit,
die mit der lichtundurchlässigen Flüssigkeit nicht mischbar
ist, so kann der lichtdurchlässige Einschluss besonders
form- und lagestabil eingestellt werden.
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In
einer besonderen Ausführungsform ist der transparente Körper
an einem Körperende über eine erste Zuleitung
mit einem die lichtundurchlässige Flüssigkeit
enthaltenden ersten Behälter und an dem gegenüberliegenden
Körperende über eine zweite Zuleitung mit einem
die lichtundurchlässige Flüssigkeit enthaltenden
zweiten Behälter verbunden. In diesem Fall umfasst der
mindestens eine Aktor zum Bewegen der lichtundurchlässigen
Flüssigkeit einen dem ersten Behälter zugeordneten
ersten Aktor und einen dem zweiten Behälter zugeordneten
zweiten Aktor.
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Vorteilhaft
ist der transparente Körper in einem Bereich zwischen den
beiden Körperenden über eine dritte Zuleitung
mit einem die lichtdurchlässige Flüssigkeit enthaltenden
dritten Behälter verbunden, wobei der dritte Behälter
eine Membran enthält, die die lichtdurchlässige
Flüssigkeit in den transparenten Körper drückt.
Durch die Membran kann auf einen eigens für die lichtdurchlässige
Flüssigkeit vorgesehenen Aktor verzichtet werden.
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In
einer alternativen Ausgestaltung umfasst die jeweilige Abschattungsvorrichtung
ein der zugehörigen Abstrahlfläche überlagertes
Flüssigkristallfeld, dessen lichtundurchlässige
Fläche zur veränderbaren optischen Abschattung
der Abstrahlfläche einstellbar ist. In diesem Fall kommt
die Abschattungsvorrichtung ganz ohne bewegliche Teile aus. Auch
das Flüssigkristallfeld ist vorteilhaft in unmittelbarer
Nähe der zugehörigen Abstrahlfläche angeordnet.
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Die
Erfindung sieht ferner einen Scheinwerfer, insbesondere für
ein Fahrzeug, mit einer Abstrahleinheit der oben beschriebenen Art
sowie einer Optik vor, die die von den Abstrahlflächen
empfangene Strahlung mit einer den durch die Optik abgebildeten Abstrahlflächen
entsprechenden räumlichen Strahlungsverteilung in einen
auszuleuchtenden Raum projiziert.
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Ferner
sieht die Erfindung ein Scheinwerfersystem mit einem Scheinwerfer
der vorstehend genannten Art vor, das ferner versehen ist mit einem Sensor
zur Erfassung eines die gewünschte räumliche Strahlungsverteilung
beeinflussenden Zustands und zur Erzeugung eines entsprechenden
Zustandssignals, einer Signalverarbeitungseinheit zum Erzeugen eines
Stellsignals auf Grundlage des erfassten Zustandssignals und einer
Ansteuereinheit zum Ansteuern der Abschattungsvorrichtungen in Abhängigkeit
des Stellsignals. Der vorstehend genannte, die Strahlungsverteilung
beeinflussende Zustand, der von dem Sensor erfasst wird, ist beispielsweise
durch die im Verkehrsraum bewegten Verkehrsobjekte, z. B. entgegenkommende
Fahrzeuge, festgelegt. In diesem Fall ist der Sensor beispielsweise
als Kamera ausgebildet. Der Sensor kann jedoch ebenso fahrzeugspezifische
Betriebszustände, wie z. B. den Beladungszustand des Fahrzeugs,
erfassen. Die Abstrahlflächen der Abstrahleinheit können
dann entsprechend dem erfassten Zustand abgeschattet werden, so
dass die gewünschte räumliche Lichtverteilung
im Verkehrsraum erzeugt wird.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
Darin zeigen:
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1A ein
Beispiel für eine Lichtverteilung einer herkömmlichen
Abstrahleinheit, die mehrere horizontal nebeneinander liegende Leuchtdioden enthält;
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1B einen
Leuchtweitenbereich innerhalb der in 1A gezeigten
Lichtverteilung;
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2 ein
Blockdiagramm eines Scheinwerfersystems nach der Erfindung;
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3 eine
perspektivische Ansicht einer Abstrahleinheit und einer Projektionsoptik
eines Fahrzeugscheinwerfers nach der Erfindung;
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4 eine
Seitenansicht der Abstrahleinheit und der Projektionsoptik nach 3;
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5 eine
Draufsicht auf die Abstrahleinheit nach 3;
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6 eine
schematische Darstellung, die veranschaulicht, wie sich die Leuchtweite
in Abhängigkeit der Abschattung der Abstrahlfläche
der jeweiligen Leuchtdiode ändert;
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7 eine
Seitenansicht einer Ausführungsform der Abstrahleinheit
aufweist, bei der für jede Leuchtdiode zwei einstellbare
Blendenteile vorgesehen sind;
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8 bis 10 schematische
Darstellungen zur Veranschaulichung verschiedener Anwendungsmöglichkeiten
des erfindungsgemäßen Fahrzeugscheinwerfers;
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11 bis 16 konkrete
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen
Abstrahleinheit.
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2 zeigt
ein Scheinwerfersystem 10 nach der Erfindung, das beispielhaft
einen für ein Kraftfahrzeug bestimmten Frontscheinwerfer 12,
im Folgenden einfach als Scheinwerfer bezeichnet, und eine Steuerung 14 umfasst.
Der Scheinwerfer 12 enthält eine Abstrahleinheit 16 und
eine der Abstrahleinheit 16 zugeordnete Projektionsoptik 18.
Die Steuerung 14 enthält einen Sensor 20,
eine Signalverarbeitungseinheit 22 und eine Ansteuereinheit 24.
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Der
Sensor 20 dient der Erfassung eines die gewünschte
räumliche Lichtverteilung in dem Verkehrsraum beeinflussenden
Zustands. So erfasst der Sensor 20 beispielsweise Verkehrsobjekte
wie entgegenkommende Fahrzeuge, Straßenschilder etc. In diesem
Fall ist der Sensor 20 beispielsweise als Kamera ausgebildet. Über
den Sensor 20 können jedoch auch andere Zustände,
wie z. B. der Beladungszustand des Kraftfahrzeugs, erfasst werden.
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Das
von dem Sensor 20 erzeugte Zustandssignal wird der Signalverarbeitungseinheit 22 zugeführt.
Die Signalverarbeitungseinheit 22 erzeugt anhand des erfassten
Zustandssignals ein Stellsignal, das sie der Ansteuereinheit 24 zuführt.
Die Ansteuereinheit 24 steuert die Abstrahleinheit 16 in
Abhängigkeit dieses Stellsignals so an, dass die Abstrahleinheit 16 im
Zusammenwirken mit der Projektionsoptik 18 die gewünschte
räumliche Lichtverteilung in dem Verkehrsraum erzeugt.
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Die 3 und 4 zeigen
eine beispielhafte Ausführungsform der Abstrahleinheit 16 und
der ihr zugeordneten Projektionsoptik 18 in einer perspek tivischen
Ansicht bzw. in einer Seitenansicht. In 5 ist die
Abstrahleinheit 16 nach den 3 und 4 nochmals
in einer Draufsicht gezeigt.
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In
der in den 3 und 4 gezeigten Ausführungsform
besteht die Projektionsoptik 18 aus einer plankonvexen
Einzellinse. Die Projektionsoptik 18 ist jedoch nicht auf
eine solche Ausführungsform beschränkt. Insbesondere
kann sie auch aus mehreren Linsen gebildet sein. Ferner ist die
Projektionsoptik 18 auch als Fresnellinse oder Linse mit
horizontalen oder vertikalen Zylinderstrukturen ausführbar. Auch
kann die Projektionsoptik als reflektierendes System ausgebildet
werden.
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In
einem Abstand, der im Wesentlichen der Brennweite der Projektionsoptik 18 entspricht,
befindet sich die Abstrahleinheit 16. Die Abstrahleinheit 16 ist
in der vorliegenden Ausführungsform aus einem Bauelement 26 gebildet,
das einen Träger 28, einen auf dem Träger 28 angeordneten
Isolator 30 sowie ein auf dem Isolator 30 angeordnetes
LED-Modul 32 umfasst.
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Wie
am Besten in der Draufsicht nach 5 zu erkennen
ist, bildet das LED-Modul 32 eine Zeilenanordnung aus vier
Leuchtdioden oder LED-Chips 34 bis 40. In der
gezeigten Ausführungsform liegen die LED-Chips 34 bis 40 bei
eingebautem Scheinwerfer 12 in horizontaler Richtung nebeneinander.
Selbstverständlich ist die in den 3 bis 5 dargestellte
Anordnung der LED-Chips 34 bis 40 nur beispielhaft
zu verstehen. So können die LED-Chips abhängig
von der gewünschten Lichtverteilung auch in anderer Form,
beispielsweise in Form einer Matrix, angeordnet sein.
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Die
LED-Chips 34 bis 40 weisen jeweils eine in der
vorliegenden Ausführungsform quadratische Abstrahlfläche 42 bis 48 auf.
Das von den Ab strahlflächen 42 bis 48 abgestrahlte
Licht wird durch die Projektionsoptik 18 in den Verkehrsraum
projiziert. Den Abstrahlflächen 42 bis 48 ist
jeweils ein rechteckiges Blendenelement 50 bis 56 (als
Teil einer jeweiligen Abschattungsvorrichtung) zugeordnet. Die Blendenelemente 50 bis 56 können
jeweils von einer Seite der zugehörigen Abstrahlfläche 42 bis 48 her unabhängig
voneinander über die Abstrahlflächen 42 bis 48 bewegt
werden. Bei der in 5 gezeigten Anordnung werden
also die Blendenelemente 50 bis 56 bei eingebautem
Scheinwerfer 12 von oben her vertikal über die
Abstrahlflächen 42 bis 48 bewegt. Durch
das Bewegen der Blendenelemente 50 bis 56 über
die Abstrahlflächen 42 bis 48 werden
letztere kontinuierlich abgeschattet. Das Licht, das von dem durch
das jeweilige Blendenelement 50 bis 56 abgedeckten
Abschnitt der Abstrahlfläche 42 bis 48 stammt,
wird also durch das Blendenelement 50 bis 56 gesperrt
und erreicht nicht die Projektionsoptik 18. Die Projektionsoptik 18 bildet
die Abstrahlflächen 42 bis 48 mitsamt
ihren abgeschatteten Flächenabschnitten und ihren nicht
abgeschatteten, d. h. ausleuchtungswirksamen Flächenabschnitten
ab, wodurch die gewünschte Lichtverteilung entsteht.
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In 6 ist
der vorstehend beschriebene Sachverhalt nochmals für einen
einzelnen LED-Chip veranschaulicht, nämlich für
den in 5 gezeigten LED-Chip 38. In 6 ist
von links nach rechts dargestellt, wie die Abstrahlfläche 46 des
LED-Chips 38 durch das Blendenelement 54 zunehmend
abgedeckt wird. Im linken oberen Teil der 6 ist die
Abstrahlfläche 46 noch vollständig unbedeckt
von dem Blendenelement 54. Dies bedeutet, dass die gesamte
Abstrahlfläche 46 von der Projektionsoptik 18 in den
Verkehrsraum abgebildet wird. Im linken unteren Teil der 6 ist
dies durch die schwarze Fläche dargestellt.
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Dann
wird das Blendenelement 54 von oben über die Abstrahlfläche 46 geschoben,
wodurch nur noch der nicht abgeschattete Teil der Abstrahlfläche 46 durch
die Projektionsoptik 18 ausleuchtungswirksam in den Verkehrsraum
abgebildet wird. In dem zugehörigen unteren Teil der 6 ist
die Verringerung der Abbildungshöhe schraffiert dargestellt.
Insbesondere ist zu erkennen, dass durch die Abschattung der Abstrahlfläche 46 die
Leuchtweite verringert wird, die sich in dem unteren Teil der 6 an
der Grenze zwischen der schwarz ausgefüllten Fläche
und der schraffierten Fläche befindet.
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Die
weiteren Teile der 6 zeigen, wie durch fortschreitendes
Abschatten der Abstrahlfläche 46 durch das Blendenelement 54 die
Leuchtweite weiter verringert wird, bis sie bei vollständiger
Abdeckung der Abstrahlfläche 46 gleich Null ist.
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Wie 6 zeigt,
ermöglicht die Erfindung eine stufenlose oder gleitende
Einstellung der Leuchtweite. Eine entsprechende Einstellung ist selbstverständlich
auch im Hinblick auf die horizontale Lichtverteilung, d. h. die
Leuchtbreite möglich.
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Ferner
ist darauf hinzuweisen, dass sich das Blendenelement 54 und
auch die dem Blendenelement 54 entsprechenden Elemente
der später beschriebenen Ausführungsformen in
unmittelbarer Nähe der Abstrahlfläche 46 befinden.
Dadurch kann die hohe Leuchtdichte direkt an der Abstrahlfläche 46 genutzt
werden.
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In 7 ist
eine abgewandelte Ausführungsform mit zwei Blendenelementen 58 und 60 gezeigt, die
von gegenüberliegenden Seiten der zugehörigen Abstrahlfläche 46 her über
die Abstrahlfläche 46 bewegt werden können.
Bei einer horizontalen Anordnung der LED-Chips 34 bis 40 entsprechend
der 5 ist es durch diese zweiteilige Blendenkonstruktion
möglich, die vertikale Lichtverteilung nicht nur von oben,
sondern auch von unten her zu verändern. Auch diese Ausführungsform
ist nur beispielhaft zu verstehen. So ist durch eine geeignete Anordnung der
Blendenelemente auch eine Beeinflussung der Lichtverteilung sowohl
in vertikaler als auch in horizontaler Richtung möglich.
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In
den 8 bis 10 sind typische Anwendungsfälle
gezeigt, in denen das erfindungsgemäße Scheinwerfersystem
vorteilhaft eingesetzt werden kann.
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8 nimmt
Bezug auf die in 5 gezeigte Ausführungsform,
bei der die vier horizontal nebeneinander liegenden LED-Chips 34 bis 40 vorgesehen sind.
In 8 sind in den Sektoren der Lichtverteilung, die
den einzelnen LED-Chips 34 bis 40 zugeordnet sind,
die Bezugszeichen der LED-Chips 34 bis 40 angegeben.
Die Darstellung nach 8 veranschaulicht, dass durch
die Erfindung eine permanent wirksame Fernlichtfunktion realisierbar
ist. So können die LED-Chips 34 bis 40,
die in der vorliegenden Ausführungsform ausschließlich
zur Aussendung von Fernlicht bestimmt sind, solange unabgeschattet bleiben,
bis der in 2 gezeigte Sensor 20 ein
entgegenkommendes Fahrzeug 60 erfasst. Sobald das Fahrzeug 60 erfasst
ist, werden die den LED-Chips 38 und 40 zugeordneten
Blendenelemente 54 und 56 über die Abstrahlflächen 46 und 48 bewegt
und damit das Fernlicht in den den LED-Chips 38 und 40 zugeordneten
Sektoren der Lichtverteilung abgeblendet.
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In 9 ist
dieser Sachverhalt nochmals in einer schematischen Seitenansicht
dargestellt. 9 ist insbesondere zu entnehmen,
dass mit dem er findungsgemäßen Scheinwerfersystem 10 die Hell-Dunkel-Grenze
HDG so variiert werden kann, dass sie sich stets kurz vor dem entgegenkommenden
Fahrzeug 60 befindet. Dadurch wird eine besonders effiziente
Ausleuchtung des Verkehrsraums möglich.
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In
dem Anwendungsfall nach 10 ist
veranschaulich, dass bei einer geeigneten Konfiguration der verwendeten
Blendenelemente auch zwei Hell-Dunkel-Grenzen HDG1 und HDG2 einstellbar sind.
Die in 10 obere der beiden Lichtverteilungen
kann beispielsweise zur Ausleuchtung von höher gelegenen
Verkehrsobjekten, wie z. B. Straßenschildern genutzt werden,
während die untere Lichtverteilung die Fahrbahn beleuchtet.
Dabei ist darauf hinzuweisen, dass die in 10 gezeigte
Lichtverteilung bei entsprechender Konfiguration und Ansteuerung der
Blendenelemente schon durch einen einzigen LED-Chip oder aber durch
zwei horizontal nebeneinander liegende LED-Chips realisiert werden
kann, deren Abstrahlflächen in vertikaler Richtung unterschiedlich
abgedeckt werden.
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In
den 11 bis 16 sind
verschiedene Ausführungsbeispiele für die konkrete
Ausgestaltung der Abstrahleinheit 16 jeweils im Querschnitt
gezeigt. Diese Ausgestaltungen haben gemeinsam, dass die Abstrahleinheit 16 aus
dem Bauelement 26 gebildet ist, das den Träger 28,
den Isolator 30 und das LED-Modul 32 umfasst.
Sie unterscheiden sich in der Ausgestaltung der den einzelnen LED-Chips
zugeordneten Abschattungsvorrichtungen.
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In
dem Ausführungsbeispiel nach 11 ist eine
einem einzelnen LED-Chip zugeordnete Abschattungsvorrichtung 62 aus
einem ersten und einem zweiten Aktor 64 bzw. 66 sowie
einem ersten und einem zweiten Blendenelement 68 bzw. 70 gebildet.
Der erste Aktor 64 umfasst einen ersten Elektromagneten 72 mit
einem ersten beweglichen Kern 74. Der zwei te Aktor 66 umfasst
einen zweiten Elektromagneten 76 mit einem zweiten beweglichen
Kern 78. Der erste bewegliche Kern 74 ist mit
dem ersten Blendenelement 68 und der zweite bewegliche
Kern 78 mit dem zweiten Blendenelement 70 verbunden.
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Die
Blendenelemente 68 und 70 sind im Querschnitt
rechtwinklig. Sie weisen demnach jeweils einen vertikalen Abschnitt
und einen horizontalen Abschnitt auf. Die vertikalen Abschnitte
der Blendenelemente 68 und 70 sind an dem Träger 28 befestigt.
Die horizontalen Abschnitte der Blendenelemente 68 und 70 verlaufen
parallel zur Oberfläche des LED-Moduls 32 und
damit parallel zur zugehörigen Abstrahlfläche.
Die freien Enden dieser horizontalen Abschnitte der Blendenelemente 68 und 70 sind
einander überlagert, wenn die Aktoren 64 und 66 keine Kraft
auf die Blendenelemente 68 und 70 ausüben.
In diesem Zustand ist also die Abstrahlfläche des der Abschattungsvorrichtung 62 zugeordneten LED-Chips
durch die Blendenelemente 68 und 70 vollständig
abgedeckt.
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Die
Aktoren 64 und 66 können über
die Ansteuereinheit 24 (vgl. 2) so angesteuert
werden, dass ihre Kerne 74 und 78 in 11 nach
außen verschoben werden, wodurch die Blendenelemente 68 und 70,
die beispielsweise aus Federstahl bestehen, gleichsam auseinandergespreizt
werden. Die teilweise Überlagerung der horizontalen Abschnitte
der Blendenelemente 68 und 70 wird so aufgehoben. Durch
die so entstehende Blendenöffnung kann das von der Abstrahlfläche
des zugehörigen LED-Chips abgestrahlte Licht zur Projektionsoptik 18 hin
austreten. Die Verstellwege der beweglichen Kerne 72 und 74 legen
somit die Größe der variablen Blendenöffnung
fest.
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In 12 ist
eine Ausführungsform der Abschattungsvorrichtung 62 gezeigt,
deren Aktoren aus einem ersten piezoelektrischen Biegeelement 80 und einem
zweiten piezoelektrischen Biegeelement 82 gebildet sind.
Die piezoelektrischen Biegeelemente 80 und 82 sind
an dem Träger 28 befestigt. An dem von dem Träger 28 abgewandten
Ende des ersten piezoelektrischen Biegeelementes 80 ist
ein erstes Blendenelement 84 angebracht. Entsprechend ist
an dem von dem Träger 28 abgewandten Ende des zweiten
piezoelektrischen Biegeelementes 82 ein zweites Blendenelement 86 angebracht.
Die Blendenelemente 84 und 86 sind einander zugewandt
und stehen jeweils senkrecht von den piezoelektrischen Biegeelementen 80, 82 ab.
In diesem Ausführungsbeispiel bestehen die Blendenelemente 84 und 86 beispielsweise
aus einer Keramik.
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Die
piezoelektrischen Biegeelemente 80, 82 können
durch Anlegen einer Spannung, die dem von der Ansteuereinheit 24 erzeugten
Stellsignal entspricht, senkrecht zu ihren Längserstreckungen,
in 12 nach außen gebogen werden. Die im
spannungslosen Zustand einander teilweise überlappenden
Blendenelemente 84 und 86 werden so auseinandergespreizt,
wodurch wiederum eine variable Blendenöffnung entsteht,
durch die das von der zugehörigen Abstrahlfläche
abgestrahlte Licht in Richtung der Projektionsoptik 18 austreten
kann.
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Die
piezoelektrischen Biegeelemente können wie der Träger 28 und
der Isolator 30 aus einer Keramik gebildet sein. In diesem
Fall kann die aus den piezoelektrischen Biegeelementen 80 und 82 sowie
dem Träger 28 und dem Isolator 30 zusammengesetzte
Einheit im Sinterverfahren hergestellt werden. Dies vereinfacht
den Aufbau der Abstrahleinheit 16.
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Das
in 13 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet
sich von dem Ausführungsbeispiel nach 12 dadurch,
dass die piezoelektrischen Biegeelemente 80 und 82 nicht
an dem Träger 26, sondern an einem Linsenhalter 88 der
Projektionsoptik 18 befestigt sind. Dadurch wird ein besonders
kompakter Aufbau möglich, da der zur Bereitstellung der
Brennweite der Projektionsoptik 18 ohnehin erforderliche
Raum zugleich als Bauraum für die piezoelektrischen Biegeelemente 80 und 82 genutzt
werden kann.
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In 14 ist
ein Ausführungsbeispiel der Abstrahleinheit 16 gezeigt,
das einen ersten Linearaktor 90 und einen zweiten Linearaktor 92 aufweist.
Die beiden Linearaktoren 90 und 92 sind an dem
Träger 26 befestigt. An dem ersten Linearaktor 90 ist
ein erstes Blendenelement 94 und an dem zweiten Linearaktor 92 ein
zweites Blendenelement 96 angebracht. Die Blendenelemente 94 und 96 sind
einander teilweise überlappend parallel zur Oberfläche
des LED-Moduls 32 angeordnet. Die Linearaktoren 90 und 92 ermöglichen
eine translatorische Bewegung der Blendenelemente 94 und 96 entlang
der unter den Blendenelementen 94 und 96 liegenden
Abstrahlfläche. Durch diese translatorische Bewegung der
Blendenelemente 94 und 96 wird wiederum die Blendenöffnung
der Abschattungsvorrichtung 62 variabel eingestellt. Die
Blendenelemente 94 und 96 bestehen beispielsweise
aus einer Keramik.
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In
den 15 und 16 sind
Ausführungsbeispiele gezeigt, in denen die vorstehend beschriebenen
mechanischen Blenden durch eine lichtundurchlässige Flüssigkeit
ersetzt sind.
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So
weist das Ausführungsbeispiel nach 15 einen
transparenten Körper 98 auf, der eine lichtundurchlässige
Flüssigkeit 100 enthält. Der Körper 98 ist über
eine erste Zuleitung 102 mit einem ersten Behälter 104 und über
eine zweite Zuleitung 106 mit einem zweiten Behälter 108 verbunden.
In den Behältern 104 und 108 befindet
sich die lichtundurchlässige Flüssigkeit 100.
Den Behältern 104 und 108 sind Aktoren
zugeordnet, die in 15 lediglich durch Pfeile angedeutet
sind.
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Der
transparente Körper 98 enthält zusätzlich
zu der lichtundurchlässigen Flüssigkeit 100 ein lichtdurchlässiges
Fluid, z. B. Luft. In 15 ist dieser Lufteinschluss
innerhalb der luftundurchlässigen Flüssigkeit 100 mit 110 bezeichnet.
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Durch
die Aktoren kann die luftundurchlässige Flüssigkeit 100 aus
den Behältern 104 und 108 über
die Zuleitungen 102 und 106 in den Bereich oberhalb
der zugehörigen Abstrahlfläche gedrückt werden,
wodurch der Lufteinschluss 110 sowohl in seiner Lage als
auch in seiner Größe verändert wird. Der
Lufteinschluss 110 bildet demnach gleichsam die variable
Blendenöffnung der Abschattungsvorrichtung 62.
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In 16 ist
ein Ausführungsbeispiel in einer Draufsicht gezeigt, bei
dem als lichtdurchlässiges Fluid nicht Luft, sondern eine
Flüssigkeit verwendet wird, die die Eigenschaft hat, nicht
mit der lichtundurchlässigen Flüssigkeit 100 mischbar
zu sein. Wie in 16 gezeigt, ist der transparente
Körper über eine dritte Zuleitung 114 mit
einem dritten Behälter 116 verbunden. Der dritte
Behälter 116 enthält eine Membran 118.
Die Membran 118 unterteilt den Raum innerhalb des dritten
Behälters 116 in einen in 16 oberhalb
der Membran 118 liegenden Teilraum und einen in 16 unterhalb
der Membran 118 liegenden Teilraum. In dem Teilraum oberhalb
der Membran 118 befindet sich die lichtdurchlässige
Flüssigkeit 112. In dem Teilraum unterhalb der
Membran 118 befindet sich ein Gas 120, z. B. Luft.
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Die
Membran 118 hat die Funktion, die an den beiden Behältern 104 und 108 angreifenden
Aktoren in der Weise entgegenzuwirken, dass sie die lichtdurchlässige
Flüssigkeit 112 über die dritte Zuleitung 114 in
den transparenten Körper 98 drückt. Durch
die Membran 118 stellt sich so ein Druckgleichgewicht ein,
das die Menge der in dem transparenten Körper 98 über
der zugehörigen Abstrahlfläche vorhandenen lichtdurchlässigen
Flüssigkeit 112 und damit die Blendenöffnung
der Abschattungsvorrichtung 62 festlegt.
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Anstelle
der Membran 118 kann auch ein an dem dritten Behälter 116 angreifender
dritter Aktor vorgesehen werden, durch den das gewünschte Druckgleichgewicht
und damit die Blendenöffnung eingestellt wird.
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In
den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist
für jede Abstrahlfläche eine eigene Abschattungsvorrichtung
vorgesehen. Die Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt.
So kann eine einzelne Abschattungsvorrichtung auch für
eine aus mehreren Abstrahlflächen gebildete Flächengruppe
vorgesehen sein. Schließlich ist es auch denkbar, für
sämtliche Abstrahlflächen eine einzige Abschattungsvorrichtung
bereitzustellen.
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Ferner
ist in den beschriebenen Ausführungsbeispielen der Scheinwerfer
für ein Fahrzeug bestimmt. Der erfindungsgemäße
Scheinwerfer kann jedoch auch zu anderen Zwecken genutzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005041234
A1 [0006]