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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fahrzeugscheinwerfer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Fahrzeugscheinwerfer ist aus dem Gebrauchsmuster
DE 90 00 395 U1 bekannt.
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Im SAE-Gesetzesraum werden für Fahrzeugscheinwerfer bestimmte ortsabhängige Beleuchtungsstärken gefordert. Diese werden für Abblendlicht und Fernlicht gesondert anhand zahlreicher Messpunkte vorgegeben. Neben vorgegebenen Beleuchtungsstärken des auf die Straße auftreffenden Abblendlichts, also unterhalb der sogenannten Hell-Dunkel-Grenze, sind auch spezielle Anforderungen oberhalb der Hell-Dunkel-Grenze zu erfüllen. Dieser Bereich der Lichtverteilung wird als Overhead- oder Signlight-Bereich bezeichnet, wobei sich der letztere Begriff von der Sichtbarkeit von Verkehrszeichen ableitet. Die gesetzlichen Messpunkte für das sogenannte Overhead-Licht erstrecken sich bis zu vier Grad oberhalb einer Linie, die den Horizont markiert, und werden durch Mindestwerte und Maximalwerte der dort zulässigen Beleuchtungsintensitäten charakterisiert.
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Bei Reflexionssystemen können die Messpunkte mit Mindestwerten sehr einfach durch eine geeignete Formgebung des Reflektors bedient werden. Projektionssysteme mit Abblendlichtfunktion beleuchten den Bereich oberhalb der Hell-Dunkel-Grenze aufgrund ihres optischen Prinzips nur sehr schwach. Daher müssen bei diesen Projektionssystemen Maßnahmen zur Erfüllung der Mindestwerte der Intensitäten in diesem Bereich ergriffen werden. Dies kann einerseits durch reflektierende Zusatzbauteile im Projektionssystem, wie beispielsweise reflektierende Blenden erreicht werden. So ist es bekannt, waagerecht im Strahlengang angeordnete, unter hohen Einfallswinkeln stark reflektierende Zusatzbleche zu verwenden. Diese stellen ein zusätzliches Bauteil dar und verursachen damit unerwünscht höhere Kosten sowie eine gesteigerte Systemkomplexität.
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Andere Lösungen sehen eine lokale Geometrieänderung innerhalb der Projektionslinse vor, die eine geeignete prismatische Wirkung auf einen Teil des durch die Linse hindurch tretenden Lichtstroms ausübt.
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Der aus dem Gebrauchsmuster
DE 90 00 395 U1 bekannte Fahrzeugscheinwerfer weist eine Abbildungsoptik mit einer Linse und einer Lichtscheibe auf, die wohl als transparente Abdeckung des Fahrzeugscheinwerfers dient. Die Lichtaustritts-Grenzfläche der Linse ist zur Unterdrückung eines Farbsaumes horizontal in ein oberes asphärisches Segment und ein unteres asphärisches Segment geteilt. Am Übergang beider Segmente weist die Linse einen Teil einer horizontal angeordneten konvexen Zylinderlinse auf. Diese Zylinderlinse lenkt den Teil des Linsen-Lichtstroms, der die Zylinderlinse durchdringt, in einen festgelegten Winkelbereich nach oben ab, so dass dieser abgelenkte Lichtstrom den Overhead-Bereich beleuchtet.
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Bei einer anderen Ausgestaltung ist ein Sektor einer horizontal angeordneten konkaven Zylinderlinse an die Lichteintritts-Grenzfläche der Lichtscheibe angeformt. Diese Zylinderlinse lenkt das sie durchlaufende Teillichtbündel ebenfalls nach oben ab. Als weitere Ausgestaltung wird angegeben, dass auch mehrere Zylinderlinsen vertikal übereinander an der Lichtscheibe vorgesehen werden können. Insgesamt sollen die nach oben abgelenkten Teillichtbündel beim bekannten Fahrzeugscheinwerfer die Erfüllung gesetzlich geforderter Lichtwerte bei Nebelscheinwerfern oberhalb der Hell-Dunkel-Grenze ermöglichen.
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Weitere Beispiele lokaler Deformationen der Linsenoberfläche der Projektionslinse, die durch ihre zusätzliche prismatische Wirkung Licht in Messpunkte innerhalb eines Overhead-Bereiches ablenken, sind aus den Druckschriften
DE 10 2004 024 107 A1 und
US 6 971 778 B2 bekannt. Die
DE 10 2004 024 107 A1 offenbart zu diesem Zweck eine Linse mit einem waagerecht in der Mitte verlaufenden Zylinderabschnitt. Die
US 6 971 778 B2 zeigt in diesem Zusammenhang eine lokale Vertiefung im unteren Bereich der Linse. Weiterhin sind geometrische Oberflächenmodifikationen bekannt, die allerdings nicht primär auf die Erzeugung definierter Overhead-Intensitätswerte abzielen. Dazu zählen etwa Linsen mit horizontal und schräg verlaufenden Wellenstrukturen. Eine solche Linse ist aus der
DE 40 31 352 A1 bekannt.
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Die Druckschrift
US 2004/0001343 A1 zeigt einen Projektionsscheinwerfer mit raupenartig oder fadenartig auf der Lichtaustrittsfläche einer Abbildungslinse verlaufenden Ablenkungsstrukturen. Der Verlauf dieser fadenartigen Strukturen ist nicht frei wählbar, sondern ergibt sich als Lösung einer Differenzialgleichung. Aus der
FR 2 770 617 A1 ist ein Projektionsscheinwerfer bekannt, bei dem zylinderabschnittsförmige Streuoptiken in einer Zahl größer als 20 regelmäßig in einem Teilbereich der Abbildungsoptik angeordnet sind. Die einzelnen Abschnitte stoßen aneinander an und weisen keinen Abstand voneinander auf. Aus der Druckschrift
DE 10 2007 014 676 A1 ist eine Projektionslinse bekannt, die mit einer Anzahl horizontal verlaufender Ablenkstrukturen versehen ist, wobei diese Ablenkstrukturen sich jeweils über die gesamte Breite der Linse erstrecken. Aus der
AT 008 253 U1 ist eine Linse für einen Fahrzeugscheinwerfer bekannt, dessen Lichtaustrittsfläche in einem schmalen, horizontal verlaufenden Abschnitt eine wellenförmig modulierte Oberfläche aufweist. Aus der
JP H 11329008 A ist eine Streuscheibe für Beleuchtungseinrichtungen bekannt, wobei die Streuscheibe mit Streuelementen zur Erzeugung eines Overhead-Lichtes versehen ist.
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Ein großer Nachteil der bekannten Lösungen, die mit einer lokalen Deformation der Linsenoberfläche arbeiten, besteht darin, dass sie alle bereits auf eine geringfügige Änderung der Lichtverteilung empfindlich reagieren. Dadurch kann es geschehen, dass bei in der Serie auftretenden Fertigungstoleranzen merklich veränderte Beleuchtungsstärken im Bereich der Signlight-Messwerte auftreten. Dadurch ist die Verwendbarkeit einer Overhead-Lösung auf einem anderen Projektionssystem (d. h. bei geänderter Lichtverteilung) nicht gewährleistet. Dies bedeutet wiederum, dass für jedes Projektionsmodul in der Regel neue Lösungen zur Erzeugung der vorgeschriebenen Overhead-Beleuchtungsintensitätswerte gefunden werden müssen.
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Nachteilig ist auch, dass die benötigte prismatische Wirkung immer einen deutlich sichtbaren Eingriff in die Linsenoberfläche darstellt, der deren Erscheinungsbild prägt. Dies wird bei bisher bekannten Lösungen teilweise als unästhetisch empfunden oder die lokalen Deformationen werden als Fehler in der Projektionslinse wahrgenommen. So werden verschiedene Overhead-Lösungen als glastypische Muschelbrüche (Absplitterungen), Glasfehler wie Einschlüsse und Blasen oder scheinbare Sprünge in der Linse (z. B. bei horizontal angeordneten Zylinderlinsensektoren) wahrgenommen.
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Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe eines Fahrzeugscheinwerfers der eingangs genannten Art, bei dem die gewünschte Ablenkung von Licht in den über der Hell-Dunkel-Grenze liegenden Overhead-Bereich weniger empfindlich auf geringfügige Änderungen in der Lichtverteilung reagiert und der darüber hinaus vom Endkunden nicht fälschlicherweise als fehlerhaft wahrgenommen wird.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Wie beim Stand der Technik wird die Overhead-Beleuchtung durch die lichtablenkende und damit prismatische Wirkung lokaler Deformationen erzielt. Im Unterschied zum Stand der Technik, bei dem lediglich eine große oder wenige große jeweils zusammenhängende, die ganze Linsenfläche querende Zylinderlinsen verwendet werden, sieht die Erfindung eine Aufteilung der ablenkenden Strukturen auf mehr als 100 Overhead-Elemente, die gleichmäßig über die gesamte Grenzfläche verteilt sind, und deren diskrete, also jeweils räumlich voneinander getrennte, Anordnung auf einer Grenzfläche vor, durch die der Lichtstrom tritt. Es können auch mehr als 1000 Overhead-Elemente sein. Die Zahl der Overhead-Elemente liegt damit um ein bis drei Zehnerpotenzen höher als beim Stand der Technik. Jedes einzelne Overhead-Element kann dadurch entsprechend kleiner ausfallen. Durch die Verkleinerung und die diskret verteilte Anordnung wird der subjektive Eindruck eines Linsenfehlers vermieden. Darüber hinaus wirken sich herstellungsbedingte Streuungen (Toleranzen) in den Abmessungen der einzelnen Overhead-Elemente nicht so störend aus wie beim Stand der Technik. Durch die große Zahl der Overhead-Elemente erhält das Overheadlicht eine geringfügigere Empfindlichkeit gegenüber diesen Toleranzen.
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Diese erwünschten Effekte werden zusätzlich durch die Anordnung der Overhead-Elemente in gleichmäßiger Verteilung auf der Grenzfläche verstärkt. Mit anderen Worten. Auch die gleichmäßige Verteilung der Overhead-Elemente verleiht dem Overheadlicht eine geringfügigere Empfindlichkeit gegenüber diesen Toleranzen.
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Bevorzugt ist, dass die Overhead-Elemente über die ganze Lichtaustrittsfläche verteilt sind. Bevorzugt ist auch, dass die Overhead-Elemente normal zur Grenzfläche in der Form ausgerichtet sind, dass die resultierenden Ablenkungswinkel im Licht relativ zur optischen Achse für jedes Overhead-Element gleich sind.
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Die bei gleichmäßiger Verteilung formgleicher Overhead-Elemente erreichte besonders hohe Unempfindlichkeit gegenüber Änderungen der Lichtverteilung ergibt nicht nur eine gesteigerte Unempfindlichkeit gegenüber Serienstreuungen, sondern ergibt zusätzlich eine weiterreichende Einsetzbarkeit der strukturierten Grenzfläche in Projektionssystemen anderer Fahrzeugscheinwerfer, so dass ein bewährtes Grenzflächen-Design ohne aufwändige Änderungen bei anderen Fahrzeugscheinwerfern verwendet werden kann.
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Insgesamt ergeben diese Merkmale jeweils einzeln und in Kombination miteinander die Möglichkeit, eine Overhead-Beleuchtung in definierter Weise zu erzeugen. Die erzeugten Signlight-Werte sind durch Zahl, Fläche und Geometrie der Overhead-Elemente definiert einstellbar und einer simulativen Dimensionierung gut zugänglich.
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Dabei ist bevorzugt, dass die Summe der Flächen der Overhead-Elemente einer Grenzfläche einen Wert zwischen fünf Prozent und zehn Prozent des Wertes der Grenzfläche besitzt. Durch diese Dimensionierung lassen sich die gesetzlichen Vorgaben erfüllen.
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Ein weiterer Vorteil der gleichmäßigen Verteilung liegt darin, dass diese mit anderen gleichmäßigen Strukturierungen der Grenzfläche kompatibel ist. Eine solche periodische Strukturierung dient z. B. dazu, eine bei Projektionssystemen oft als störend scharf empfundene Hell-Dunkel-Grenze unschärfer erscheinen zu lassen, das heißt mit einem kontinuierlicheren Übergang der Beleuchtungsintensität zwischen dem hellen und dem dunklen Bereich erscheinen zu lassen. Die in dieser Anmeldung vorgestellten Overhead-Elemente lassen sich periodisch in eine solche periodische Mikrostruktur [p1] einbetten, wobei bevorzugt jeweils abgerundete Übergänge zwischen Elementen der Mikrostruktur und den Overhead-Elementen vorgesehen sind. Die abgerundeten Übergänge sind bevorzugt so beschaffen, dass sie, mathematisch ausgedrückt, mindestens einmal stetig differenzierbar sind. Dies gilt analog für Ausgestaltungen ohne Mikrostruktur, bei denen die Overhead-Elemente verrundet in die übrige Grenzfläche übergehen.
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Durch die resultierende Kantenfreiheit der Oberfläche werden störende optische Effekte vermieden. Darüber hinaus vereinfacht sich die Herstellung von Werkzeugen mit denen die Grenzflächen erzeugt werden und die Standzeit der Werkzeuge verlängert sich.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Gegenständen weiterer abhängiger Ansprüche, der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
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1 einen Fahrzeugscheinwerfer als technisches Umfeld der Erfindung;
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2 eine Darstellung einer Ausgestaltung eines Lichtmoduls des Fahrzeugscheinwerfers nach 1 in einem Längsschnitt;
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3 verschiedene Ansichten einer optischen Linse des Lichtmoduls aus der 2 mit einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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4 eine perspektivische Ansicht eines einzelnen Overhead-Elements der Linse aus der 3;
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5 einen Querschnitt eines solchen Overhead-Elements in Verbindung mit einem Lichtstrom; und
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6 Lichtverteilungen, die sich bei einem Fahrzeugscheinwerfer mit und ohne die Verwendung von Overhead-Elementen ergeben.
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Im Einzelnen zeigt die 1 einen Fahrzeugscheinwerfer 1 mit einem als Quader dargestellten Gehäuse 2, einer transparenten Abdeckscheibe 2.1, mindestens einem Steuergerät 17 sowie einem Kurvenlichtmodul 3, das um eine horizontale Achse 4 im Gehäuse 2 verschwenkbar ist.
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Das Kurvenlichtmodul 3 weist einen Tragrahmen 5, ein Lichtmodul 6, ein erstes Steuergerät 7, einen ersten Motor 8, und einen Getriebekasten 9 auf, die zusammen eine Baugruppe bilden. Dabei ist das Lichtmodul 6 um eine vertikale Achse drehbar im Tragrahmen 5 gelagert. Motor 8 und Getriebekasten 9 sind einerseits mit dem feststehenden Tragrahmen 5, andererseits mit dem Lichtmodul 6 verbunden und können so ein Verstellmoment zwischen Tragrahmen 5 und Lichtmodul 6 ausüben.
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Das Lichtmodul 6 weist wenigstens eine Lichtquelle und ein Optikelement wie eine Linse auf, das den von einem Reflektor oder einer Primäroptik gesammelten Lichtstrom der Lichtquelle bündelt und längs einer Leuchtrichtung 10 in das Vorfeld des Fahrzeugscheinwerfers 1 richtet.
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Bei der Lichtquelle handelt es sich bevorzugt um eine Gasentladungslampe, z. B. um eine Xenon-Lampe, eine Halbleiterlichtquelle, z. B. um eine Anordnung von Lichtemittierenden Dioden (LED), oder um eine Halogenlampe.
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Die mindestens eine Lichtquelle liegt näherungsweise im ersten Brennpunkt eines Ellipsoidreflektors. Bevorzugt sind sogenannte Polyellipsoidreflektoren. Ungefähr im zweiten Brennpunkt des Reflektors befindet sich die Blende, die durch die Linse abgebildet wird. Die Linse bildet die Blendenoberkante auf die Fahrbahn ab. Die optische Achse des Lichtmoduls entspricht der optischen Achse der Linse. Die Brennpunkte des Ellipsoidreflektors liegen auf der optischen Achse des Lichtmoduls. Der objektseitige Brennpunkt der Linse liegt im Bereich der Blende. Durch eine Veränderung der Blendenoberkante kann die Lichtverteilung beeinflusst werden.
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Insbesondere in Verbindung mit Halbleiterlichtquellen werden neben genannten elliptischen Reflektoren auch transmittierende Systeme eingesetzt, in denen das Licht durch Brechung aber teilweise auch durch interne Totalreflexion in den zweiten Brennpunkt fokussiert wird (Vorsatzoptik).
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Der Reflektor bzw. die Vorsatzoptik werden im Folgenden als Primäroptik, die Linse als Sekundäroptik bezeichnet.
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Damit lassen sich Abblendlichtsysteme mit hoher Reichweite (Beleuchtungsstärke) und geringer Gegenverkehr-Blendung darstellen. Die Sekundäroptik wird bevorzugt als einzelne asphärische Linse mit Brennweiten zwischen 40 mm und 75 mm ausgeführt. Die Linsen können aus lichttechnischen Gründen mindestens teilweise eine regelmäßig oder unregelmäßig strukturierte Oberfläche besitzen. Diese Strukturen weisen eine Höhe von etwa 3 μm–30 μm zur Linsengrundfläche auf und dienen zur Beeinflussung von Helligkeitsgradienten der Helldunkelgrenze und/oder von Farbeffekten bei der Abbildung der Blendenoberkante. Unregelmäßige Strukturen sind vergleichbar mit der Oberfläche einer Orangenschale. Es sind aber auch Zufallsstrukturen möglich, wie sie beispielsweise durch Sand- oder Kugelstrahlen erzeugt werden können. Diese Strukturen stellen eine wirksame aber wenig flexible Methode zur Beeinflussung der genannten Eigenschaften dar.
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Eine gezielte Einstellung der Helldunkelgrenze kann mit einem zumindest teilweise die asphärische Fläche der Linse bedeckenden periodischen Raster von gleichen oder ähnlichen optischen Einzelelementen erreicht werden. Durch eine geeignete Oberfläche der Strukturelemente kann insbesondere die Hell-Dunkel-Grenze gezielt beeinflusst werden. Diese Elemente werden in der noch nicht offengelegten
DE 10 2008 023 551 des Anmelders beschrieben.
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Die genannten Strukturen können jetzt mit den Overhead-Elementen kombiniert werden. Durch eine entsprechende Gestaltung der Strukturelemente können die Overhead-Elemente einen Teil der regelmäßigen Strukturelemente ersetzen.
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Zur korrekten rotatorischen Ausrichtung der Linse werden Markierungen am Linsenrand sowie formschlüssige Kodierungen mit den Linsenhaltern eingesetzt.
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Zur Erzeugung verschiedener Lichtverteilungen, wie z. B. Abblendlicht, Fernlicht, Stadtlicht, Regenlicht, etc. können verschiedene Blendenmechanismen eingesetzt werden. Eine Umschaltung zwischen Abblendlicht und Fernlicht kann beispielsweise mit einer Klappblende erreicht werden, bei der die Fernlichtlichtverteilung dadurch erreicht wird, dass die Blende um eine horizontale Achse, welche senkrecht zur Fahrtrichtung verläuft, geklappt wird. In einer bevorzugten Ausführung wird eine Blendenwalze verwendet, die um eine näherungsweise horizontale Achse drehbar gelagert ist und auf ihrem Umfang verschiedene Konturen aufweist, die, durch die Sekundäroptik auf die Straße projiziert, verschiedene Hell-Dunkel-Geometrien darstellen kann. Eine alternative Ausgestaltung sieht eine Blendenanordnung mit einem oder mehreren Blendenelementen vor, die in vertikaler oder in näherungsweise vertikaler Richtung verstellbar gelagert sind. Diese Blenden können über einen zweiten Motor 11 und einen Getriebekasten in Verbindung mit Kulissen oder Kurvenscheibengetrieben vertikal verstellt werden. Bei dem Getriebekasten kann es sich um den Getriebekasten 9 oder um einen separaten Getriebekasten handeln.
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Die verschieden positionierbaren Blenden erzeugen unterschiedliche Hell-Dunkel-Geometrien, die von der Sekundäroptik auf die Straße projiziert werden, wodurch unterschiedliche Abblendlichtfunktionen dargestellt werden können. In einer bevorzugten Ausführung werden Teile der Kulissen- oder Kurvenscheibengetriebe direkt an die Blenden angeformt: bspw. Kulissenkurven, Nocken oder Rollen.
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Wenn als Lichtquelle eine Gasentladungslampe oder eine Halbleiterlichtquelle verwendet wird, kann ein Steuergerät, bspw. das Steuergerät 7, zur Steuerung der Energieversorgung dieser Lichtquellen vorgesehen werden. Optional kann das Steuergerät 7 auch Elektronikelemente für die elektrische Ansteuerung der Motoren 8 und/oder 11 bzw. 16 enthalten.
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Das Lichtmodul 6 ist in dem Tragrahmen 5 um eine vertikale Achse 12 schwenkbar gelagert. In der dargestellten Ausgestaltung wird eine Schwenkbewegung durch den ersten Motor 8 über ein im Getriebekasten 9 angeordnetes Horizontalschwenkgetriebe und eine Hebelmechanik 13 angetrieben, die eine Abtriebswelle 14.1 des Horizontalschwenkgetriebes mit dem Tragrahmen 5 koppelt. Allgemein gilt, dass das Lichtmodul 6 und der Tragrahmen 5 über den ersten Motor 8 sowie über den Getriebekasten 9 motorisch gekoppelt sind.
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Der Tragrahmen 5 ist seinerseits drehfest mit der horizontal verlaufenden Achse 4 verbunden, die in der dargestellten schematisierten Ausgestaltung über ein außen am Gehäuse 2 angebrachtes Vertikalschwenkgetriebe 15 und einen dritten Motor 16 betätigt wird. Die drei Motoren 8, 11 und 16 sind bevorzugt elektrische Motoren, insbesondere Schrittmotoren und werden von einem der Steuergeräte 7 oder 17 betätigt.
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Das Lichtmodul 6 ist damit kardanisch aufgehängt. Dabei ist bevorzugt, dass der Schnittpunkt der Schwenkachsen im Mittelpunkt der Hüllkurven der Außenkontur der Linse liegt.
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Über eine Ansteuerung des ersten Motors 8 erfolgt eine Verschwenkung des Lichtmoduls 6 und damit der Leuchtrichtung 10 in horizontaler Richtung. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Motor 8 von dem Steuergerät 17 in Abhängigkeit von einem Lenkwinkel von lenkbaren Rädern des Kraftfahrzeugs so gesteuert, dass die Leuchtrichtung 10 dem Lenkwinkel der lenkbaren Räder folgt. Die Ansteuerung des dritten Motors 16 verändert eine Vertikalkomponente der Leuchtrichtung 10 und dient zum Beispiel zur Regelung der Leuchtweite.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung des Lichtmoduls 6 in einem Längsschnitt. Das Lichtmodul 6 weist eine Lichtquelle 18 zum Aussenden von Lichtstrahlen und einen Reflektor 20 zum Reflektieren zumindest eines Teils der ausgesandten Lichtstrahlen auf. Der Reflektor 20 hat vorzugsweise die Form eines Rotationsellipsoids oder eine davon abweichende ellipsoidähnliche Freiform. Die Lichtquelle 18 ist in einem ersten Brennpunkt F1 des Reflektors 20 angeordnet. Eine Blendenanordnung 22 schirmt zumindest einen Teil des vom Reflektor 20 ausgehenden Lichtstroms ab. Die Blende 22 ist vorzugsweise in einer Ebene angeordnet, die senkrecht zu einer optischen Achse 24 und durch den zweiten Brennpunkt F2 des Reflektors 20 verläuft.
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Eine Linse 26 ist mittels eines an einem Kragen 28 angreifenden Linsenhalters (nicht dargestellt) an einem vorderen Rand des Reflektors 20 befestigt. Die Linse 26 besteht aus einem beliebigen lichtdurchlässigen Material, bspw. aus einem temperaturbeständigen Kunststoff oder Glas und weist an der der Lichtquelle 18 zugewandten Seite eine im wesentlichen ebene Lichteintritts-Grenzfläche 30 und an ihrer gegenüberliegenden Seite eine konvexe Lichtaustritts-Grenzfläche 32 auf. Selbstverständlich kann die Grenzfläche 30 auch konkav oder konvex ausgebildet sein.
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Das Lichtmodul 6 dient zur Erzeugung einer Lichtverteilung mit Hell-Dunkel-Grenze, vorzugsweise einer Abblendlichtverteilung oder einer Nebellichtverteilung. Die Hell-Dunkel-Grenze ergibt sich als Projektion der Oberkante der Blendenanordnung 22 in der vom Lichtmodul 6 auf der Fahrbahn erzeugten Lichtverteilung. Die Richtung x ist im Wesentlichen parallel zur Richtung 10 des Lichtstroms und, bei eingebautem Scheinwerfer 1, parallel zur Längsachse des Fahrzeugs. Die z-Richtung ist parallel zur Hochachse des Fahrzeugs und weist nach oben. Die y-Richtung steht entsprechend senkrecht auf der Zeichnungsebene und weist in diese hinein.
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In 3a ist die optische Linse 26 in perspektivischer Ansicht und in 3b in Draufsicht dargestellt. Die an den x-, y- und z-Achsen angegebenen Zahlenwerte in Millimeter [mm] sind selbstverständlich nur als Beispiele genannt und in keiner Weise beschränkend zu verstehen.
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3b zeigt eine gegen die Lichtaustrittsrichtung 10 erfolgende Draufsicht auf die Lichtaustritts-Grenzfläche 32 einer Linse 26, die mehr als hundert diskret über die Grenzfläche 32 verteilte Overhead-Elemente 34 aufweist. Bei der dargestellten Ausgestaltung sind ca. zweihundertzwanzig solche Overhead-Elemente 34 gleichmäßig über die Grenzfläche 32 verteilt. Dabei wird unter einer gleichmäßigen Verteilung eine Verteilung verstanden, bei der die Projektionen der Overhead-Elemente in die y-z-Ebene eine periodische zweidimensionale Gitterstruktur bilden. Die Overhead-Elemente erscheinen bei dieser Projektion gleich groß.
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3b zeigt eine Ausgestaltung, bei der die Overhead-Elemente 34 über die ganze Lichtaustritts-Grenzfläche 32 der Linse 26 verteilt sind. Es ist auch möglich, eine gleichmäßige Verteilung nur in einem Teilbereich, z. B. in einem zum Umfang der Linse 26 konzentrischen Kreis mit kleinerem Radius vorzunehmen. Im Prinzip können die Overhead-Elemente 34 jedoch in verschiedenen Anordnungen, z. B. in konzentrischen Kreisen, Spiralen, Rauten, Dreiecken oder anderen Mustern wie Logos etc. angeordnet werden. Ferner können die einzelnen Overhead-Elemente 34 zur Ablenkung des Lichts in einfachen kartesischen oder versetzt übereinander liegenden kartesischen Rastern unterschiedlicher Ortsfrequenz angeordnet werden.
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Durch die Anordnung kann das visuelle Erscheinungsbild den subjektiven ästhetischen Vorstellungen angepasst werden. Die Quantität des entstehenden Overhead-Lichts wird durch eine Variation der Packungsdichte, der Größe und der Form der einzelnen Overhead-Elemente 34 eingestellt. Wesentlich für die Anordnung ist in jedem Fall, dass die einzelnen Overhead-Elemente 34 relativ zueinander so ausgerichtet sind, dass sie das Licht jeweils in gleiche Richtungen ablenken. Zu diesem Zweck ist es auch bevorzugt, dass die einzelnen Overhead-Elemente 34 die gleiche Form und gegebenenfalls zusätzlich gleiche Abmessungen aufweisen, also untereinander gleich sind. Die zusammenaddierte Fläche der Overhead-Elemente 34 beträgt bevorzugt fünf Prozent bis zehn Prozent der Linsen-Grenzfläche 32.
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4 zeigt eine Ausgestaltung eines Overhead-Elements 34 in perspektivischer Darstellung. Das dargestellte Overhead-Element 34 erhebt sich aus der übrigen Grenzfläche 32 heraus. Die Höhe der Erhebung über der übrigen Grenzfläche 32 beträgt bevorzugt 3% bis 15% der vertikalen Ausdehnung (Länge) eines Overhead-Elements. Unter der vertikalen Ausdehnung oder Länge des Overhead-Elements wird hier der Abstand der Punkte 38 und 40 in der 5 verstanden. Bei den bevorzugten Abmessungen von 0,5 bis 4 mm erhält man Erhebungen von 15 Mikrometer bis 0,6 mm. Die zu wählende Höhe hängt auch von der Brechzahl der Linse ab. Je größer die Brechzahl ist, desto kleiner wird die Höhe sein. Wie aus der 4 ersichtlich ist, geht das herausgehobene Overhead-Element 34 jeweils abgerundet in die übrige Grenzfläche 32 über, so dass keine Kanten zwischen der Grenzfläche 32 und dem aus dieser in Lichtaustrittsrichtung 10 hervorstehenden Overhead-Element 34 entstehen.
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Für die Abrundung können verschiedene, durch mathematische Funktionen definierte Verrundungsflächen zum Einsatz kommen, beispielsweise durch Spline-Funktionen definierte Flächen. Auch anders definierte Verrundungsflächen sind möglich. Wesentlich ist jeweils, dass keine Kante entsteht.
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Bei einer Draufsicht auf das in 4 dargestellte Overhead-Element 34 wird eine trapezförmige Grundform der Erhebung sichtbar. Mit zunehmender Ausdehnung in z-Richtung wird die Breite des Overhead-Elementes 34 in y-Richtung geringer.
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Das Overhead-Element 34 ist als Verkippung eines Teilbereichs der Grenzfläche 32 gegenüber der übrigen Grenzfläche 32 realisiert. Durch diese Verkippung wird der gewünschte prismatische, das heißt Licht-ablenkende Effekt erreicht, mit dem die Overhead-Beleuchtung erzeugt wird. Die verkippten Abschnitte sind in einer Ausgestaltung quadratisch; sie können aber auch eine andere Gestalt, z. B. die genannte Trapezform, besitzen. Bevorzugt ist auch, dass die Verkippung der Oberfläche innerhalb eines Overhead-Elements 34 nicht konstant ist, sondern in z-Richtung variiert. Der Grad der Verkippung beeinflusst den Winkel, um den das Licht abgelenkt wird. Durch die Variation dieses Winkels erfolgt eine Ausleuchtung des gesamten Overhead-Messbereichs, in dem an vorgeschriebenen Messpunkten vorgegebene Intensitäten erreicht und/oder unterschritten werden müssen. Es entsteht also ein flächigkontinuierlich beleuchtetes Lichtband oberhalb der Hell-Dunkel-Grenze. Da das Ausmaß der Verkippung den Ablenkwinkel bestimmt und da die Breite des Overhead-Elementes 34 bei einem bestimmten Verkippungswinkel die Menge des um den zugehörigen Ablenkwinkel abgelenkten Lichts beeinflusst, lässt sich durch eine Variation der Breite in Abhängigkeit vom Verkippungswinkel die Menge des in bestimmte Richtungen abgelenkten Lichts steuern. Daher kann es vorteilhaft sein, auch andere Formen als Quadrate für die Draufsicht der Overhead-Elemente zu verwenden.
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Der verkippte Bereich der Oberflächenabschnitte wird in einer bevorzugten Ausgestaltung durch Zylinderabschnitte bzw. torische Flächenelemente realisiert. Alternativ können aber auch Spline-Funktionen oder vergleichbare mathematische Funktionen oder eine Kombination solcher Funktionen zum Einsatz kommen.
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Insgesamt zeigt die 4 damit insbesondere eine Ausgestaltung eines Overheadelements, das im Wesentlichen aus einer aus der Grenzfläche 32 der Linse heraus gekippten Hauptablenkfläche 33 und jeweils mindestens drei in eine andere Richtung verkippten Flächen 35 besteht. Dabei ist eine in die positive y-Richtung weisende verkippte Fläche mit dem Bezugszeichen 35 bezeichnet. Eine andere verkippte Fläche weist in der dargestellten Ausgestaltung etwa in die negative y-Richtung, während noch eine weitere verkippte Fläche etwa in die positive z-Richtung weist. Alle drei in eine andere Richtung verkippten Flächen 35 gehen stetig in die Hauptablenkfläche 33 und die Grenzfläche 32 über. Dabei ist bevorzugt, dass die Flächen jeweils stetig differenzierbar ineinander übergehen. Als Grenzfläche wird in einer Ausgestaltung eine keine Erhebungen oder Vertiefungen aufweisende Grundfläche der Linse betrachtet. Alternativ kann als Grenzfläche aber auch eine andere Erhebungen und/oder Vertiefungen aufweisende Grenzfläche betrachtet werden, wie sie zum Beispiel zur Reduzierung des Kontrastes einer Helldunkelgrenze verwendet wird.
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5 zeigt einen Querschnitt durch das Overhead-Element 34 der 4 entlang der Linie VV in 4. Der Querschnitt des Overhead-Elements 34 teilt sich in einen ersten Abschnitt 42, der zwischen den Punkten 38 und 40 liegt, und einen zweiten Abschnitt 46 auf, der zwischen den Punkten 40 und 44 liegt. Unter der vertikalen Ausdehnung oder Länge des Overhead-Elements wird hier der Abstand der Punkte 38 und 40 in der 5 verstanden. Die Krümmung des ersten Abschnitts 42 entspricht in einer bevorzugten Ausgestaltung der Krümmung eines Zylindermantels. Die zum Abschnitt 42 zugehörige Oberfläche des Overhead-Elements 34 entspricht einem Teil einer Mantelfläche eines imaginären Zylinders, dessen Achse bei im Fahrzeug eingebautem Scheinwerfer 1 parallel zur Grundfläche des Fahrzeugs innerhalb der Linse 26 liegt. Alternativ kann die Kontur 42 auch als Spline-Funktion oder als vergleichbare mathematische Funktion oder als Kombination solcher Funktionen erzeugt werden. Wesentlich ist jeweils der stetig differenzierbare Verlauf bei in z-Richtung variabler Krümmung.
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Der erste Abschnitt 42 erzeugt die gewünschte Abblendwirkung. Der Abschnitt 46 dient lediglich zur Realisierung eines stetig differenzierbaren und damit kantenlosen Übergangs zwischen dem ersten Abschnitt 42 des Overhead-Elements 34 und der übrigen Grenzfläche 32 der Linse 26.
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Die gewünschte ablenkende Wirkung wird durch den Vergleich des Lichtbündels 48, das durch die Grenzfläche der Linse 26 im Bereich des Overhead-Elements 34 hindurchtritt, mit den Lichtbündeln 50, 52, die durch zum Overhead-Element 34 benachbarte Bereiche der Grenzfläche 32 durchtreten, deutlich. Im Vergleich zu der nicht oder nur vergleichsweise schwachen Ablenkung der Lichtbündel 50 und 52 beim Durchtritt durch die Grenzfläche 32 erfährt ein Teil 48' des Lichtbündels 48 eine vergleichsweise stärkere Ablenkung in z-Richtung. Durch die vergleichsweise stärkere Ablenkung wird das Lichtbündel 48' über die Hell-Dunkel-Grenze hinaus abgelenkt, während der Teil 48'' des Lichtbündels 48 in die Abblendlichtlichtverteilung abgelenkt wird. Die Lichtbündel 50, 52 beleuchten den Bereich unterhalb der Hell-Dunkel-Grenze.
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Entsprechend der Aufteilung der Flächen der Overhead-Elemente 34 und der übrigen Lichtaustritts-Grenzfläche der Linse 26 werden fünf Prozent bis zehn Prozent des durch die Linse 26 hindurchtretenden Lichts in den Overhead-Bereich gestreut, während die verbleibenden neunzig bis fünfundneunzig Prozent zur Beleuchtung des Bereichs unterhalb der Hell-Dunkel-Grenze dienen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung beträgt eine maximale Ablenkung eines durch ein Overhead-Element 34 abgelenkten Lichtstrahls 48 gegenüber einem benachbarten Lichtstrahl 50, 52, der nicht durch das Overhead-Element 34 abgelenkt wird, mindestens fünf Grad.
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Bis hierher wurde die Erfindung am Beispiel einer Lichtaustritts-Grenzfläche einer Projektionslinse 26 erläutert. Alternativ oder ergänzend kann die örtlich selektiv ablenkende Wirkung aber auch durch eine entsprechende Ausgestaltung der Lichteintritts-Grenzfläche der Linse 26 erzeugt werden. Bei Fahrzeugscheinwerfern, deren Lichtmodul 6 nicht schwenkbar ist, kann die ablenkende Wirkung gegebenenfalls auch durch eine Verteilung von Overhead-Elementen auf der Lichteintritts-Grenzfläche der Abdeckscheibe realisiert werden. Bevorzugt wird jedoch eine Lösung, bei der die Overhead-Elemente diskret über die Lichteintritts-Grenzfläche oder Lichtaustritts-Grenzfläche der Projektionslinse 26 verteilt sind.
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6 zeigt einen Vergleich von Lichtverteilungen, die sich bei Projektions-Fahrzeugscheinwerfern mit und ohne Overhead-Elementen ergeben. Solche Lichtverteilungen ergeben sich z. B. auf einer vor dem Fahrzeug angeordneten, senkrecht zur Fahrzeuglängsachse ausgerichteten Fläche. Die waagerechte Linie HH markiert die Lage eines Horizontes, während die vertikale Linie VV das Sichtfeld des Fahrers etwa in der Fahrzeugmitte teilt. Punkte, die auf derselben Kurve liegen, zeichnen sich durch eine untereinander gleiche Beleuchtungsintensität aus. Mit Blick auf eine Mehrzahl von Kurven nimmt die Intensität von innen nach außen ab.
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6a zeigt eine typische Abblendlichtverteilung eines ersten Projektions-Fahrzeugscheinwerfers ohne Overhead-Elemente. Die Beleuchtungsintensitäten konzentrieren sich im Wesentlichen auf den Bereich unterhalb des Horizonts HH.
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6b zeigt dagegen eine typische Lichtverteilung, wie sie mit einem zweiten Scheinwerfer erzielt wird, der sich nur durch eine mit Overhead-Elementen der hier vorgestellten Art versehene Linse 26 von dem ersten Projektionsscheinwerfer unterscheidet. Die nach oben über den Horizont hinausgewölbten Linien gleicher Beleuchtungsintensität repräsentieren in der 6b die gewünschte Overhead-Beleuchtung. Diese an sich bekannte Overhead-Beleuchtung lässt sich mit der Erfindung mit den weiter oben vorgestellten Vorteilen der Unempfindlichkeit gegenüber Änderungen der zugrunde liegenden Lichtverteilung und des verbesserten Erscheinungsbildes einstellen.
