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Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Linsenelement zur Korrektur von Farbfehlern von durch das Linsenelement hindurchtretender elektromagnetischer Strahlung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Außerdem betrifft die Erfindung ein Lichtmodul eines Kraftfahrzeugscheinwerfers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11. Schließlich betrifft die Erfindung auch noch einen Kraftfahrzeugscheinwerfer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 14 mit mindestens einem solchen Lichtmodul.
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Ein Lichtmodul der oben genannten Art wird auch als Projektionsmodul oder als Polyellipsoidsystem(PES)-Modul bezeichnet. Im Bereich der Kraftfahrzeugscheinwerfertechnik wird bei PES-Modulen eine durch eine Primäroptik gebündelte Strahlung durch ein optisches Linsenelement zur Erzeugung einer gewünschten Strahlungsverteilung auf die Fahrbahn vor das Kraftfahrzeug projiziert. Die elektromagnetische Strahlung ist vorzugsweise für das menschliche Auge sichtbares Licht. Sie kann aber auch, beispielsweise für den Einsatz in Nachtsichtsystemen für Kraftfahrzeuge, für das menschliche Auge unsichtbare Infrarotstrahlung sein.
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Falls die durch das PES-Modul erzeugte Lichtverteilung eine horizontale Helldunkelgrenze aufweisen soll, wie dies beispielsweise bei einer Abblendlicht- oder Nebellichtverteilung der Fall ist, kann im Strahlengang zwischen der Primäroptik und dem Linsenelement des Lichtmoduls eine Blendenanordnung mit einer Kante angeordnet werden, die als Helldunkelgrenze der Lichtverteilung auf die Fahrbahn projiziert wird. Bei vertikal ausgerichteter Blendenanordnung ist die optisch wirksame Kante als eine Oberkante der Blendenanordnung ausgebildet. Bei horizontal ausgerichteter Blendenanordnung ist die optisch wirksame Kante als eine Vorderkante der Blendenanordnung ausgebildet.
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Aus dem Stand der Technik sind Lichtmodule bekannt, bei denen Einzellinsen als Projektionslinse eingesetzt werden. Dabei entsteht bei der Abbildung der Blendenkante ein störender Farbsaum in der resultierenden Lichtverteilung. Dieser wird durch die wellenlängenabhängige Brechung der durch die Linse hindurchtretenden Lichtstrahlen verursacht. Es ist ferner bekannt, mit unregelmäßigen Mikrostrukturen auf einer Oberfläche der Projektionslinse diesen Farbsaum zu reduzieren. Dies ist beispielsweise aus der
DE 40 31 352 A1 bekannt.
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Des Weiteren ist es aus der abbildenden Optik bekannt, eine Farbkorrektur durch eine geeignete Kombination zweier Linsen zu erzielen. Dabei wird eine sammelnde Linse aus einem Material mit geringer Dispersion mit einer Zerstreuungslinse aus einem Material mit hoher Dispersion kombiniert. Die beiden Linsen sind in der Regel zu einer Komponente verkittet und werden auch als Achromat bezeichnet. Ein Achromat soll in der Summe eine sammelnde Wirkung aufweisen. Durch die Kombination der sammelnden und der zerstreuenden Linsen muss die sammelnde Linse auch die Wirkung der zerstreuenden Linse kompensieren. Ein solches Lichtmodul ist beispielsweise aus der
DE 34 30 273 A1 bekannt. Die achromatische Farbkorrektur führt zu guten Abbildungseigenschaften. Derartige Linsensysteme sind jedoch relativ aufwendig und deshalb mit recht hohen Kosten verbunden.
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Des Weiteren ist es bspw. aus der
WO 99/00623 A1 bekannt, durch den Einsatz von Beugungsstrukturen eine Farbkorrektur zu erzielen. Die Beugungsstruktur kann auf einem im Strahlengang angeordneten optischen Element, bspw. auf einer Oberfläche einer optischen Linse, ausgebildet sein und umfasst eine Fläche mit sammelnder Wirkung sowie eine zweite Fläche mit einer sammelnden Beugungsstruktur. Die Beugung entsteht dabei an Mikrostrukturen, die in der Größenordnung der Wellenlängen der durch das optische Element hindurchtretenden Strahlen liegen und etwas größer als die Wellenlängen selbst sind. Die optische Wirkung der Beugungsstrukturen hängt von der Geometrie der Beugungsstrukturen auf der Fläche der Linse, dem prinzipiellen Querschnitt der Strukturen (z.B. Stufen, Blaze-Strukturen, etc.), was auch als Furchenform bezeichnet wird, und von der Tiefe der Beugungsstrukturen ab. Die Tiefe der Beugungsstrukturen wird bei den bekannten optischen Elementen an eine einzige Wellenlänge, die sog. Designwellenlänge, angepasst, welche eine erste Beugungsordnung erzeugt. Diese Vorgehensweise ist für Laser aber auch für Leuchtdioden mit einem schmalbandigen Spektrum geeignet. Schmalbandig bedeutet, dass das Spektrum der Lichtquelle lediglich ein besonders stark ausgeprägtes Maximum aufweist. Die Beugungsstruktur wird dabei so ausgebildet, dass für die dem Maximum entsprechende Wellenlänge (die Designwellenlänge) eine möglichst gute Farbkorrektur erzielt wird.
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Ein entsprechendes Scheinwerfersystem mit einer mittels einer Beugungsstruktur erzielten Farbkorrektur ist bspw. in der
DE 103 33 370 A1 beschrieben. Dabei soll eine Farbkorrektur für eine Gasentladungslampe erreicht werden. Durch die Abhängigkeit der Beugungseffizienz von der Wellenlänge der hindurchtretenden Strahlung kann die Farbkorrektur nur für einen begrenzten Teil des Lichts erreicht werden, so dass ein abgeschwächter Farbsaum in der Lichtverteilung verbleibt.
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Das Licht sog. weißer Leuchtdioden (LEDs), das durch Konvertierung eines Teils des Lichts einer blauen Leuchtdiode durch gelben Phosphor und die Mischung der Farben erzeugt wird, besitzt jedoch kein derart schmalbandiges Spektrum. Stattdessen hat das Licht weißer LEDs ein starkes Maximum im Blauen und ein breites Maximum mit geringerer Intensität im Gelben. Eine effiziente Farbkorrektur des Lichts von weißen LEDs darf deshalb nicht nur auf ein Maximum ausgerichtet sein, sondern muss mehrere spektrale Maxima berücksichtigen. Beugungsoptiken, die in der oben beschriebenen Weise auf lediglich eine Designwellenlänge ausgerichtet sind, haben den Nachteil, dass bei einer Farbkorrektur des Lichts von weißen LEDs die Designwellenlänge entweder auf eines der spektralen Maxima ausgerichtet werden kann, wobei dann für das jeweils andere Maxima nur eine unzureichende Farbkorrektur erzielt werden kann, oder aber nahe des Minimums zwischen den beiden spektralen Maxima liegt, wobei dann für beide Maxima nur eine mäßige Farbkorrektur erreicht werden kann. Für Lichtmodule mit den bekannten weißen LEDs als Lichtquellen kann die Farbkorrektur durch Verwendung von Beugungsstrukturen der bekannten Art deshalb nur eine unzureichende Farbkorrektur bewirken.
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Dass eine Farbkorrektur mit diffraktiven optischen Elementen grundsätzlich funktioniert, ist aus der
DE 10 2009 017 424 A1 bekannt. Dort ist eine Primäroptik in Form einer Vorsatzoptik zum Bündeln des von einer Lichtquelle ausgesandten Lichts mittels Totalreflexion und mittels Beugung des Lichts an einer Lichteinkoppelseite und einer Lichtauskoppelseite der Vorsatzoptik beschrieben. Auf mindestens einer der Seiten der Vorsatzoptik sind diffraktive Elemente aufgebracht, die eine Farbkorrektur des hindurchtretenden Lichts bewirken. In dieser Druckschrift ist sowohl der Aufbau als auch die Funktionsweise einer Farbkorrektur mit diffraktiven Elementen im Detail beschrieben. Diesbezüglich wird auf den Inhalt der
DE 10 2009 017 424 A1 vollumfänglich Bezug genommen, der hiermit durch Bezugnahme auch zum Inhalt der vorliegenden Patentanmeldung gemacht werden soll.
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Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein optisches Linsenelement der eingangs genannten Art dahingehend auszugestalten und weiterzubilden, dass auf eine möglichst einfache und kostengünstige Weise eine effiziente Farbkorrektur mittels einer diffraktiven Optik insbesondere für Lichtquellen mit einem breitbandigen Spektralbereich ermöglicht wird. Als breitbandiger Spektralbereich im Sinne der vorliegenden Erfindung wird ein Spektrum verstanden, das mehrere diskrete Wellenlängenmaxima aufweist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein optisches Linsenelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen, wobei eine Strukturtiefe der Mikrostruktur auf zwei Wellenlängen lambda1, lambda2 der hindurchtretenden Strahlung abgestimmt ist, so dass für die Strukturtiefe h gilt: h = k1 × lambda1/(n – 1) = k2 × lambda2/(n – 1), wobei n die Brechzahl des Materials der Mikrostruktur ist und k1, k2 unterschiedliche Beugungsordnungen sind, wobei die Wellenlängen lambda1, lambda2, auf welche die Strukturtiefe h der Mikrostruktur abgestimmt ist, durch Maxima im Spektrum der hindurchtretenden Strahlung definiert sind.
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Dies kann bspw. dadurch erreicht werden, dass auf mindestens einer Oberflächenseite des optischen Linsenelements Beugungsstrukturen aufgebracht sind. Mit der vorliegenden Erfindung werden gegenüber dem Stand der Technik besonders effiziente Beugungsstrukturen zur Verfügung gestellt, die besonders gut insbesondere auf ein breitbandiges optisches Spektrum einer Lichtquelle abgestimmt werden können. Dadurch können kostengünstig besonders effiziente farbkorrigierende Optiken zur Verfügung gestellt werden. Durch die vorliegende Erfindung kann eine Farbkorrektur im Sinne einer weitgehenden Achromatisierung erreicht werden, wobei der hohe Aufwand und die hohen Kosten für den Einsatz eines Achromaten vermieden werden. Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht also darin, diffraktive Eigenschaften eines im Strahlengang angeordneten optischen Linsenelements an die spektralen Eigenschaften der mindestens einen Lichtquelle des Lichtmoduls anzupassen.
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Sofern in den nachfolgenden Ausführungen auf Lichtstrahlen Bezug genommen wird, d.h. auf elektromagnetische Strahlung in einem für das menschliche Auge sichtbaren Wellenlängenbereich, geschieht dies nur beispielhaft und zum Zwecke einer einfacheren Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Selbstverständlich gelten die für Lichtstrahlen gemachten Ausführungen für jegliche Art von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere auch für elektromagnetische Strahlung in einem für das menschliche Auge unsichtbaren Wellenlängenbereich, bspw. dem Infrarotbereich.
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Bei Beugung handelt es sich grundsätzlich um einen Effekt, der auf der Grundlage der Wellennatur des Lichts beruht. Dem Fachmann sind jedoch auch Verfahren zur Berechnung von Beugungsstrukturen bekannt, die auf der Grundlage strahlenoptischer Methoden berechnet werden. Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft die Gestaltung eines Profils der Struktur der Beugungsoptik. Dies ist unabhängig von der Methode zur Berechnung der Beugungsstruktur. Die Beugungsstruktur kann mit numerischen oder analytischen Methoden der Wellen- oder Strahlenoptik erfolgen.
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Der Ablenkwinkel phi eines Lichtstrahls, der in einem bestimmten Punkt senkrecht auf eine beugende Mikrostruktur auftrifft, hängt gemäß der Gleichung sin(phi) = m × lambda/d von einer Breite d der Struktur am Auftreffpunkt des Lichtstrahls, einer Designwellenlänge lambda sowie der Beugungsordnung m ab. Die Beugungsordnung m betrifft die Ablenkung des Lichts durch die Beugungs- oder Mikrostruktur. Die Ordnung k der Strukturtiefe beschreibt, welcher Gangunterschied der Wellen in einer Furche der Mikrostruktur erzeugt wird. So kann die Beugungsstruktur bspw. für HeNe-Laser mit einer Wellenlänge von 632 nm angepasst werden. Bei einer geblazeden Struktur in einem Medium mit der Brechzahl 1,5 kann man eine optimale Strukturtiefe für Ordnungen der Strukturtiefe k = 1 von 1.264 nm und k = 2 von 2.528 nm erhalten, wobei der Ort der Beugungsordnungen m bleibt. Das ist unabhängig von der Beugungsordnung m, die angibt, wie stark der Strahl abgelenkt wird. Das hängt von der lateralen Ausdehnung d einer Furche ab. Je größer die Furche, desto kleiner die Ablenkung.
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Die Beugungsstruktur, die für die Designwellenlänge lambda berechnet wurde, lenkt das Licht einer anderen Wellenlänge entsprechend der Gleichung anders ab als Licht der Designwellenlänge. Licht kürzerer Wellenlänge als die Designwellenlänge wird schwächer abgelenkt als Licht der Designwellenlänge. An der brechenden Grenzfläche verhält sich das durch die beugende Struktur hindurchtretende Licht gerade in umgekehrter Weise. Durch eine geeignete Abstimmung einer auf mindestens einer Oberflächenseite eines Linsenelements aufgebrachten Beugungsstruktur mit der sammelnden Linsenfläche wird so eine effiziente Farbkorrektur erreicht. Die Effizienz der diffraktiven Optik hängt insbesondere von der Tiefe der Beugungsstruktur ab. Die Tiefe der Beugungsstruktur sollte derart beschaffen sein, dass das Licht innerhalb einer Periode der Beugungsstruktur einen Gangunterschied von einer Wellenlänge oder einem ganzzahligen Vielfachen erreicht. Im Stand der Technik wird die Tiefe der Beugungsstruktur ausschließlich auf die Designwellenlänge abgestimmt. Das ist bei der vorliegenden Erfindung anders, wodurch eine wesentlich effizientere Farbkorrektur insbesondere für Licht mit einem breitbandigen Spektrum erreicht werden kann.
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Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, die beugenden Mikrostrukturen des optischen Linsenelements in der Art auszugestalten, dass eine möglichst effiziente Farbkorrektur für verschiedene Lichtstrahlen aus unterschiedlichen spektralen Maxima in einer Beugungsordnung erreicht werden kann. Die Tiefe der Beugungsstrukturen wird so gewählt, dass die Strukturtiefe für unterschiedliche Wellenlängen optimal ist, das heißt für die den verschiedenen spektralen Maxima entsprechenden Wellenlängen eine optimale Farbkorrektur erzielt wird. Dies geschieht vorzugsweise bei unterschiedlichen Ordnungen der Strukturtiefe.
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Die Tiefe h der Beugungsstrukturen für optimale Beugungseffizienz ergibt sich aus der Beziehung h = k × lambda/(n – 1), wobei n die Brechzahl des Materials der Beugungsstruktur ist. Die Brechzahl n beträgt bspw. etwa 1 in Luft, etwa 1,4 in Glas und etwa 1,5 bis 1,6 in Kunststoff. Die Wellenlängenabhängigkeit der Brechzahl existiert auch in diesem Fall. Aufgrund der spektralen Bandbreite der Lichtquellen des Lichtmoduls und dem kurzen Weg des Lichts, der hier betrachtet wird, kann zunächst von der Brechzahl der Designwellenlänge bei der Auslegung der Beugungsstruktur der diffraktiven Struktur auf dem Linsenelement ausgegangen werden. Die Tiefe der Beugungsstruktur wird dann derart eingestellt bzw. variiert, dass die genannte Beziehung für die Tiefe h der Beugungsstruktur für unterschiedliche Wellenlängen lambda bei unterschiedlichen Ordnungen k der Strukturtiefe erfüllt wird.
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Die Designwellenlänge kann dabei etwa in der Mitte der spektralen Maxima der kürzesten und der längsten Wellenlänge des Spektralbereichs des von der Lichtquelle ausgesandten Lichts angesetzt werden. Die Designwellenlänge kann dabei auch zwischen den Maxima des Spektrums der mindestens einen Lichtquelle liegen. Bei starken Abweichungen der Dispersion des diffraktiven optischen Elements, d.h. also des Materials der Beugungsstruktur, muss die Designwellenlänge auf diese Eigenschaft des Materials abgestimmt werden. Ferner kann ein Korrekturfaktor bei der Festlegung der Strukturtiefe erforderlich sein, der die Herstellungstechnik der Beugungsstruktur berücksichtigt.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugscheinwerfer gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
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2 ein erfindungsgemäßes Lichtmodul eines Kraftfahrzeugscheinwerfers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
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3 ein erfindungsgemäßen Linsenelement eines Lichtmoduls eines Kraftfahrzeugscheinwerfers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform im Ausschnitt;
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4 eine Spektralverteilung für das Licht weißer Leuchtdioden;
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5 eine Spektralverteilung für das Licht von Rot-, Grün-, Blau-(RGB)Leuchtdioden;
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6 das Konzept der vorliegenden Erfindung am Beispiel eines Beugungsgitters;
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7 eine Draufsicht auf eine Fläche eines erfindungsgemäßen Linsenelements, auf der eine beugende Mikrostruktur ausgebildet ist; und
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8 einen Schnitt durch einen zentralen Bereich des erfindungsgemäßen Linsenelements aus 7
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In 1 ist ein Beispiel für einen erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugscheinwerfer dargestellt. Der Scheinwerfer ist in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Der Scheinwerfer 1 wird im vorderen Bereich eines Kraftfahrzeugs angeordnet und ist dort üblicherweise in einer entsprechenden Einbauöffnung an der Fahrzeugkarosserie befestigt. Der Scheinwerfer 1 umfasst ein Scheinwerfergehäuse 2, das üblicherweise aus Kunststoff besteht. Das Gehäuse 2 weist in einer Lichtaustrittsrichtung 3 des Scheinwerfers 1 eine Lichtaustrittsöffnung 4 auf, die durch eine transparente Abdeckscheibe 5 verschlossen ist. Die Abdeckscheibe 5 kann als eine klare Scheibe ohne optisch wirksame Elemente oder aber als eine Streuscheibe mit optisch wirksamen Elementen (z.B. in Form von Prismen, Zylinderlinsen oder Ähnlichem) ausgebildet sein. Auch die Abdeckscheibe 5 besteht vorzugsweise aus einem lichtdurchlässigen Kunststoffmaterial. Im Inneren des Scheinwerfergehäuses 2 ist mindestens ein Lichtmodul angeordnet. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind im Inneren des Gehäuses 2 drei Lichtmodule 6, 7, 8 angeordnet. Selbstverständlich ist es denkbar, auch mehr oder weniger als die dargestellten drei Lichtmodule 6, 7, 8 vorzusehen.
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Die Lichtmodule 6, 7, 8 dienen zur Erzeugung einer gewünschten Lichtverteilung in Lichtaustrittsrichtung 3 vor dem Fahrzeug. Es ist denkbar, dass jedes der Lichtmodule 6, 7, 8 für sich alleine eine eigene Lichtverteilung erzeugt. So wäre es beispielsweise denkbar, dass das Lichtmodul 6 eine Abblendlichtverteilung, das Lichtmodul 7 eine Fernlichtverteilung und das Lichtmodul 8 eine Nebellichtverteilung erzeugt. Es wäre auch denkbar, dass das Lichtmodul 6 zur Erzeugung einer Abblendlicht- sowie einer Fernlichtverteilung ausgebildet ist. Das Lichtmodul 7 könnte dann zur Erzeugung einer Nebellichtverteilung oder einer Tagfahrlichtverteilung dienen. Das Lichtmodul 8 könnte eine Signallichtverteilung erzeugen, beispielsweise eine Blinklichtverteilung, eine Stand-, Begrenzungs- oder Positionslichtverteilung oder eine Tagfahrlichtverteilung. Bezüglich der Anzahl, Anordnung und Ausgestaltung der im Scheinwerfergehäuse 2 angeordneten Lichtmodule 6, 7, 8 sind nahezu beliebige Variationen denkbar. Entsprechendes gilt auch für die durch die Lichtmodule 6, 7, 8 erzeugten Lichtverteilungen.
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Für die nachfolgenden Ausführungen wird davon ausgegangen, dass eines der Lichtmodule, beispielsweise das Lichtmodul 6, als ein erfindungsgemäßes Lichtmodul ausgebildet ist. Dieses ist im Ausschnitt schematisch in 2 gezeigt. Das beispielhaft gezeigte Lichtmodul 6 ist als ein sog. LED-Lichtmodul ausgebildet mit Halbleiterlichtquellen in Form von Leuchtdioden (LEDs) als Lichtquellen. Das Lichtmodul 6 umfasst einen Kühlkörper 10 mit nach unten ragenden Kühlrippen. Der Kühlkörper 10 besteht aus einem gut Wärme leitenden Material, bspw. einem Metall, insbesondere Aluminium. Der Kühlkörper 10 weist auf seiner Unterseite Kühlrippen oder Kühlstifte zur Vergrößerung der Oberfläche und zur verbesserten Wärmeabgabe an die Umgebung auf.
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Auf einer Oberseite des Kühlkörpers 10 sind entweder unmittelbar oder mittelbar über elektrische Leiterplatten oder andere geeignete Trägerelemente bspw. vier in einer 2×2-Matrix angeordnete Leuchtdioden 11 (LEDs bzw. LED-Array) vorgesehen. Die Leuchtdioden 11 strahlen elektromagnetische Strahlung, vorzugsweise für das menschliche Auge sichtbares Licht, in einer Hauptabstrahlrichtung ab, die im Wesentlichen senkrecht nach oben gerichtet ist. Die LEDs 11 strahlen Licht vorzugsweise in den gesamten 180°-Halbraum oberhalb des Kühlkörpers 10 ab.
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Das von den Leuchtdioden 11 ausgesandte Licht wird durch eine Primäroptik in Form eines Reflektors 12, insbesondere eines sog. Halbschalenreflektors, im Wesentlichen in einem Bereich der optischen Achse 13 des Lichtmoduls 6 reflektiert. Das von dem Halbschalenreflektor 12 gebündelte Licht wird durch eine Sekundäroptik 14, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als eine Projektionslinse ausgebildet ist, in Lichtaustrittsrichtung 3 zur Erzeugung einer gewünschten Lichtverteilung auf die Fahrbahn vor das Kraftfahrzeug projiziert.
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Falls die Lichtverteilung eine horizontale Helldunkelgrenze aufweisen soll, wie dies beispielsweise bei Abblendlicht oder Nebellicht der Fall ist, wird in dem Strahlengang zwischen der Primäroptik 12 und der Sekundäroptik 14 eine Blendenanordnung 15 angeordnet. Diese ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel vertikal, also senkrecht zur optischen Achse 13, ausgerichtet und weist eine Oberkante 16 auf. Diese ist zur Erzeugung einer asymmetrischen Helldunkelgrenze ausgebildet und umfasst einen niedrigeren Abschnitt 16’, der zur Bildung eines Bereichs der Lichtverteilung auf der eigenen Verkehrsseite dient, sowie einen höheren Abschnitt 16’’, der zur Bildung eines Bereichs der Lichtverteilung auf der Gegenverkehrsseite dient. Die beiden Abschnitte 16’ und 16’’ werden durch einen stufenförmigen oder schrägen Abschnitt 16’’’ miteinander verbunden. Die Oberkante 16 der Blendenanordnung 15 wird von der Projektionslinse 14 als Helldunkelgrenze auf die Fahrbahn vor das Kraftfahrzeug projiziert.
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Alternativ oder zusätzlich zu den Leuchtdioden 11 sind in Lichtaustrittsrichtung 3 betrachtet an der Vorderseite des Kühlkörpers 10 weitere drei Leuchtdioden (LEDs) 18 oder LED-Arrays angeordnet, die Licht in einer Hauptabstrahlrichtung aussenden, die im Wesentlichen parallel zur optischen Achse 13 verläuft. Das von den weiteren Leuchtdioden 18 oder LED-Arrays ausgesandte Licht wird durch Primäroptiken in Form von Vorsatzoptiken 19 gebündelt. Jeder LED 18 bzw. jedem LED-Array ist eine eigene Vorsatzoptik 19 zugeordnet. Die Vorsatzoptiken 19 bestehen vorzugsweise aus einem transparenten Material, wie beispielsweise Glas oder Kunststoff, und bündeln das durch sie hindurchtretende Licht durch Brechung an einer Lichteinkoppelseite und/oder einer Lichtauskoppelseite sowie durch Totalreflexion an äußeren Grenzflächen.
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Das durch die Projektionslinse 14 hindurchtretende Licht kann aufgrund der wellenlängenselektiven Brechungseigenschaften der Linse 14 zu einem störenden Farbsaum in der resultierenden Lichtverteilung führen. Dieser kann durch eine auf mindestens eine der Oberflächen der Projektionslinse 14, vorzugsweise die Lichteintrittsseite der Linse 14, aufgebrachte Beugungsstruktur mit Abmessungen im Mikrometerbereich reduziert werden. Die bekannten Beugungsstrukturen können jedoch lediglich bei solchen Lichtquellen für eine ausreichende Farbkorrektur sorgen, die Licht in einem relativ engen Spektralbereich mit lediglich einem ausgeprägten spektralen Maximum aussenden. Für Lichtquellen, die Licht in einem breiten Spektralbereich mit mehreren spektralen Maxima aussenden, wie dies beispielsweise weiße Leuchtdioden, aber auch sog. RGB(rot, grün, blau)-Leuchtdioden tun, können die bekannten Beugungsstrukturen keine befriedigende Farbkorrektur bewirken. Hier kann die vorliegende Erfindung Abhilfe schaffen.
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In 3 ist eine erfindungsgemäße Projektionslinse 14 im Ausschnitt dargestellt. Außerdem zeigt die 3 beispielhaft einen Strahlverlauf durch die Linse 14 mit korrigiertem Farblängsfehler. Zur Korrektur des Farblängsfehlers ist auf der Lichteintrittsseite der Linse 14 eine in der erfindungsgemäßen Weise ausgebildete Beugungsstruktur 20 ausgebildet.
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Ein in 3 beispielhaft eingezeichneter Lichtstrahl 21 umfasst elektromagnetische Strahlung in zwei verschiedenen Wellenlängenbereichen lambda1 und lambda2. Das Licht des einfallenden Lichtstrahls 21 hat beispielsweise die Farbe Weiß, wie es von weißen LEDs ausgesandt wird, in denen das weiße Licht aus dem Licht einer blauen Leuchtdiode durch gelben Phosphor und die Mischung der Farben erzeugt wird. Die Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge lambda1 und lambda2 entsprechen beispielsweise einem blauen Farbanteil und einem gelben Farbanteil des weißen Lichts. Beim Durchtritt durch die Projektionslinse 14 wird der weiße Lichtstrahl 21 aufgrund der wellenlängenselektiven Beugung an der Fläche der Struktur 20 aufgespalten in einen blauen Strahl mit der Wellenlänge lambda1 und in einen gelben Strahl mit der Wellenlänge lambda2. Bei parallel einfallendem Licht, was durch den Lichtstrahl 21 veranschaulicht ist, schneiden sich der gelbe und der blaue Strahl in einem gemeinsamen Fokuspunkt (in 3 nicht dargestellt) auf der optischen Achse 13. Das bedeutet, dass sich die blauen und gelben Lichtstrahlen in der resultierenden Lichtverteilung wieder zu weißem Licht überlagern, so dass kein Farbsaum entsteht. Dies macht es jedoch erforderlich, dass die Beugungsstruktur 20 in einer erfindungsgemäßen Weise ausgestaltet ist.
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Es wird vorgeschlagen, dass die Tiefe der strahlungsablenkenden Beugungsstruktur 20 der Linse 14 an die spektralen Eigenschaften der mindestens einen Lichtquelle 11; 18 angepasst und so gewählt sind, dass in dem gesamten Spektralbereich der mindestens einen Lichtquelle 11; 18 eine möglichst effiziente Farbkorrektur des durch die Projektionslinse 14 hindurchtretenden Lichts 21 gegeben ist. Insbesondere wird vorgeschlagen, dass eine Tiefe h der Beugungsstrukturen 20 so gewählt wird, dass für mehrere Wellenlängen lambda1, lambda2 optimale Strukturtiefen h erreicht werden. Die Tiefe h der Beugungsstrukturen für optimale Beugungseffizienz im Sinne der vorliegenden Erfindung kann sich beispielsweise aus der Beziehung h = k × lambda/(n – 1) ergeben, wobei k der Ordnung der Strukturtiefe und n der Brechzahl des Materials der Beugungsstruktur 20 bzw. der Projektionslinse 14 entspricht, falls die Beugungsstruktur 20 integraler Bestandteil der Linse 14 ist. Die Tiefe h der Beugungsstruktur 20 wird so eingestellt bzw. gewählt, dass die obige Beziehung für eine bestimmte Tiefe h, aber unterschiedliche Wellenlängen lambda1, lambda2 bei unterschiedlichen Beugungsordnungen k1, k2 erfüllt wird. Die Designwellenlänge wird in diesem Fall etwa in die Mitte zwischen den Maxima des Spektrums gelegt. Beim typischen Strahlverlauf einer Projektionslinse 14 muss bei der Strukturtiefe neben der Wellenlänge auch der Einfallswinkel der einfallenden Strahlung berücksichtigt werden. Wie die Tiefe h der Beugungsstruktur 20 auf den Einfallswinkel der Lichtstrahlen 21; 30 angepasst werden muss, ist dem Fachmann an sich bekannt. Zur vereinfachenden Darstellung der Erfindung wird davon ausgegangen, dass die Lichtstrahlen 21; 30 senkrecht auf die Beugungsstruktur 20 auftreffen.
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Da die genannte Beziehung für eine bestimmte Tiefe h der Beugungsstrukturen 20 gelten muss, kann folgende Gleichung aufgestellt werden: k1 × lambda1/(n – 1) = k2 × lambda2/(n – 1).
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Der Quotient (n – 1) kann auf beiden Seiten der Gleichung gekürzt werden. Die Werte für die beiden Wellenlängen lambda1 und lambda2 sind bekannt. Die Werte k für die verschiedenen Ordnungen k1, k2 der Strukturtiefe müssen nun so gewählt werden, dass der Wert k für die Ordnung der Strukturtiefe zumindest näherungsweise ein Element der natürlichen Zahlen ist, wobei bei mehrdeutigen Ergebnissen die Ordnung k der Strukturtiefe möglichst klein gewählt werden sollte, da mit zunehmender Ordnung k der Strukturtiefe die Tiefe h der Beugungsstruktur 20 und damit der Aufwand für deren Herstellung zunimmt. Es versteht sich von selbst, dass die verschiedenen Ordnungen k1 und k2 der Strukturtiefe in der Regel nicht so gewählt werden können, dass die Werte k tatsächlich genau einer natürlichen Zahl entsprechen. Aber auch an eine natürliche Zahl angenäherte Werte liefern bereits deutlich bessere Ergebnisse bzgl. der Farbkorrektur als die aus dem Stand der Technik bekannten Beugungsstrukturen, die lediglich auf eine Designwellenlänge ausgerichtet sind, die einem einzigen Maximum des Spektrums der Lichtstrahlen entspricht. Entscheidend ist, dass die Beugungsstrukturen 20 gemäß der vorliegenden Erfindung nicht nur auf ein einziges Wellenlängenmaximum der hindurchtretenden Strahlung, sondern auf mehrere Wellenlängenmaxima, wie beispielsweise die beiden Wellenlängenmaxima lambda1 und lambda2, optimiert sind. Dadurch kann auch für Licht mit einem relativ breiten Spektralbereich, wie es beispielsweise von Leuchtdioden ausgesandt wird, insbesondere von solchen, die weißes Licht aussenden, eine sehr gute Farbkorrektur erreicht werden.
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In 4 ist die relative Spektralleistungsverteilung für eine sog. weiße Leuchtdiode dargestellt, d.h. für eine Leuchtdiode, bei der weißes Licht durch Konvertierung eines Teils des Lichts einer blauen Lichtquelle durch gelben Phosphor und die Mischung der Farben erzeugt wird. Das Spektrum weist einen ausgeprägten Peak (Maximalwert) bei etwa lambda1 = 455 nm auf, was dem blauen Farbanteil entspricht. Darüber hinaus weist das Spektrum einen weiteren Peak bei etwa lambda2 = 560 nm auf, was dem gelben Farbanteil entspricht. Die Tiefe h der Beugungsstrukturen 20 muss also so gewählt werden, dass in dem Spektralbereich von etwa 420 bis 650 nm, insbesondere im Bereich der beiden Peaks, eine zufriedenstellende Farbkorrektur erreicht werden kann. Dies ist mit der vorliegenden Erfindung für weiße LEDs möglich, da die Maxima im Spektrum bei etwa 455nm (Blau) und im Bereich von etwa 560nm (Gelb) berücksichtigt werden. Optimiert man unter Auswertung der obigen Gleichung die Beugungsstruktur 20 für Blau auf eine Ordnung der Strukturtiefe von k = 5, dann ist der gelbe Spektralbereich für eine Ordnung der Strukturtiefe von k = 4 optimiert. Die Designwellenlänge kann in diesem Fall auf etwa 500 nm festgelegt werden, was in der Nähe eines lokalen Minimums im Spektrum der Lichtquelle liegt. In Verbindung mit LED-Matrixscheinwerferlichtquellen steigen die Anforderungen an eine Farbkorrektur der Projektionslinse 14, damit die Farbsäume der Bilder der einzelnen LED-Arrayelemente korrigiert werden können. Mit den erfindungsgemäßen Beugungsstrukturen 20 auf der Projektionslinse 14 oder einem anderen diffraktiven optischen Element im Strahlengang kann eine geeignete Farbkorrektur der Lichtverteilung erreicht werden.
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Die vorgeschlagene Farbkorrektur ist auch für sog. RGB-LEDs möglich. In 5 ist die relative Spektralleistungsverteilung derartiger Leuchtdioden dargestellt. Eine RGB-LED umfasst einen Leuchtdiodenchip, der blaues Licht mit einem Wellenlängenmaximum bei etwa lambda1 = 450 nm aussendet, einen weiteren Leuchtdiodenchip, der grünes Licht mit einem Wellenlängenmaximum bei etwa lambda2 = 520 nm aussendet, sowie einen weiteren Leuchtdiodenchip, der rotes Licht mit einem Wellenlängenmaximum bei etwa lambda3 = 630 nm aussendet. Die drei Peaks des blauen, grünen und roten Lichts sind in 5 eingezeichnet. Für derartige RGB-LEDs kann durch Auswerten der obigen Gleichung eine Farbkorrektur mit optimaler Effizienz für Blau mit der Ordnung der Strukturtiefe von k = 7, für Grün mit der Ordnung der Strukturtiefe von k = 6 und für Rot mit der Ordnung der Strukturtiefe von k = 5 erreicht werden. Die Designwellenlänge bei diesem Ausführungsbeispiel liegt in der Nähe des grünen Wellenlängenmaximums. Es ist aber für alle relevanten Größen der Beugungsstruktur 20 auf eine geeignete Abstimmung der Wellenlängen der Einzellichtquellen der RGB-LEDs zu achten.
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Neben der Scheinwerfertechnik für Kraftfahrzeuge kann ein entsprechendes diffraktives optisches Element, wie bspw. das Linsenelement 14 mit der beugenden Mikrostruktur 20, auch in der Displaytechnik eingesetzt werden, beispielsweise in einem sog. Beamer zum Projizieren von Computer- oder Fernsehbildern auf eine Leinwand mit einer oder mehreren RGB-LEDs als Lichtquelle. Grundsätzlich kann auch eine Korrektur auf vier oder mehr Farben, das heißt für mehr als drei verschiedene Wellenlängen, durchgeführt werden, wobei allerdings dies zu einer Optimierung bei höheren Ordnungen der Strukturtiefe k führen würde, wobei mit höheren Ordnungen k auch die Tiefe h der Beugungsstrukturen 20 immer tiefer wird, so dass deren Herstellung immer schwieriger und teurer wird.
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Statt der in den dargestellten Ausführungsbeispielen gezeigten Projektionslinse 14 können auch andere im Strahlengang angeordnete diffraktive optische Elemente zur Realisierung der Erfindung eingesetzt werden. Es ist auch denkbar, mehrere diffraktive Elemente im Strahlengang anzuordnen. Die diffraktiven optischen Elemente können mit allen bearbeitbaren bzw. strukturierbaren transparenten Materialien hergestellt werden. Bevorzugt sind Kunststoffe, insbesondere PC (Polycarbonat) oder auch PMMA (Polymethylmetacrylat). Je nach Dicke und Größe des diffraktiven optischen Elements kann die Herstellung in einem einstufigen Spritzgussprozess oder durch Spritzprägen erfolgen. Alternativ kann das diffraktive optische Element auch in einem zwei-Komponenten-Verfahren (2K-Verfahren), aber mit einem einheitlichen Material hergestellt werden. Beim 2K-Verfahren kann beispielsweise in einem ersten Schritt ein Grundkörper mit der auf Brechung beruhenden Linsenfläche erzeugt werden, und in einem zweiten Schritt wird die Beugungsstruktur 20 entweder alleine oder zusammen mit einem weiteren Teil des optischen Elements auf den Grundkörper aufgebracht. Ferner ist es denkbar, die Beugungsstruktur 20 in eine Fläche oder Folie zu prägen. Die Folie könnte anschließend auf einen Grundkörper, bspw. eine Linsenoberfläche, aufgebracht, beispielsweise aufgeklebt, werden. Es wäre auch denkbar, die Folie mittels Adhäsion auf einer Oberfläche, insbesondere auf einer ebenen Fläche, des Grundkörpers des optischen Elements zu befestigen. Grundsätzlich können die Beugungsstrukturen 20 in Flächen mit beliebiger Kontur eingebracht werden, bevorzugt sind hier jedoch ebene Strukturen, da die Formen/ Werkzeuge für derartige Strukturen bevorzugt in Prozessen hergestellt werden können, die für Planflächen optimiert sind. Die Beugungsstrukturen 20 können als Stufenprofil ausgebildet sein, oder ein Stufenprofil wird durch die Beugungsstrukturen 20 linear angenähert, sogenannte geblazede Strukturen. Im Falle einer rotationssymmetrischen Struktur 20, wie beispielsweise bei einer Fresnel-Zonenplatte, besteht die optische wirksame Fläche aus Kegelstumpfmänteln.
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Die Beugungsstrukturen 20 des diffraktiven optischen Elements sind bevorzugt als zu der optischen Achse 13 konzentrische Ringmuster in der Art von fresnelschen Zonenplatten ausgeführt. Dies kann man anhand der 7 und 8 erkennen. 7 zeigt eine Draufsicht auf eine Fläche des Linsenelements 14, auf der die beugende Mikrostruktur 20 ausgebildet ist. 8 zeigt einen Schnitt durch einen zentralen Bereich des Linsenelements 14 aus 7. Neben der fokussierenden Wirkung können in der diffraktiven Struktur 20 auch asphärische Anteile zur Korrektur von Abbildungsfehlern berücksichtigt werden. Ferner können in der Beugungsstruktur 20 Anteile enthalten sein, welche die Richtung des gesamten Lichtbündels beeinflussen (asymmetrische Anteile). Es können auch zusätzliche Funktionen zur Beeinflussung der Lichtverteilung in der Beugungsstruktur 20 integriert werden. Die Beugungsstruktur 20 kann auf dem gesamten optischen Element, bspw. der ganzen Linse 14, oder auf Teilen des optischen Elements eingeprägt sein, insbesondere nur auf Flächen der Linse 14, die zur Erzeugung der Helldunkelgrenze beitragen.
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Die erfindungsgemäßen Projektionslinsen 14 können Bestandteil von Lichtmodulen 6, insbesondere vom Projektionstyp, eines LED-Scheinwerfersystems 1 sein, insbesondere mit einer Matrixlichtquelle, d.h. einem Array mehrerer matrixartig angeordneter Leuchtdioden 11. Ferner können die Linsen 14 auch in beliebig anderen Projektionssystemen, beispielsweise für Beamer, mit LED-Lichtquellen verwendet werden. Als Lichtquellen 11, 18 kommen vorzugsweise alle Arten von Leuchtdioden in Frage, insbesondere weiße LEDs, bei denen das weiße Licht durch Konvertierung eines Teils des Lichts einer blauen Lichtquelle durch gelben Phosphor und die Mischung der Farben erzeugt wird (vgl. 4). Ferner können die Linsen 14 in Verbindung mit RGB-LEDs eingesetzt werden, wie oben unter Bezugnahme auf die 5 erläutert.
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Anhand der 6 wird das Prinzip der vorliegenden Erfindung nochmals anhand einer vereinfachten Beugungsstruktur 60 erläutert. In 6 ist ein diffraktives optisches Element dargestellt, das bspw. als ein optisches Liniengitter ausgebildet ist. Auf die Beugungsstruktur 60 auftreffendes Licht 30 weist beispielsweise einen spektralen Peak bei einer ersten Wellenlänge Lambda1 und einen weiteren spektralen Peak bei einer weiteren Wellenlänge Lamda2 auf. Der Lichtstrahl 30 trifft in dem dargestellten Beispiel in etwa parallel zu der optischen Achse 13 auf die Beugungsstruktur 60. Die Beugungsstruktur 60 ist so ausgestaltet, dass das Licht 30 in der dargestellten Weise für die verschiedenen Ordnungen k der Strukturtiefe und die verschiedenen Wellenlängen lambda abgelenkt wird. Lichtanteile der Wellenlänge lambda2 werden für die Beugungsordnung m = 1 in einen Bereich 31 abgelenkt. Licht der Wellenlänge lambda1 wird für die Ordnung k = 1 in einen Bereich 32 abgelenkt. Licht der Wellenlänge lambda2 wird für die Ordnung k = 2 an einen Bereich 33 abgelenkt, und Licht der Wellenlänge lamda1 wird für die Ordnung k = 2 in den Bereich 34 abgelenkt. In den Bereich 35 wird Licht der Wellenlänge lambda1 für die Ordnung k = 3 sowie Licht der Wellenlänge lambda2 der Beugungsordnung m = 4 abgelenkt. Diese Mehrdeutigkeit stellt auch eine Farbkorrektur im weitesten Sinne dar und ist bspw. von optischen Gittern bekannt.
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Die Beugungsstruktur 60 wird in diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung derart ausgestaltet, dass möglichst viel Licht der Wellenlänge lambda1 den Bereich 32 und möglichst viel Licht der Wellenlänge lambda2 in den Bereich 31 fällt.
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Zusammenfassend ist also auf einer Oberfläche des Linsenelements 14 oder eines beliebig anderen optischen Elements eine Beugungsstruktur 20; 60 aufgebracht, deren Tiefe h so gewählt ist, dass die Beugungsstruktur 20; 60 in Verbindung mit der Fläche der Linsen 14 eine Farbkorrektur für hindurchtretende Strahlungsanteile unterschiedlicher Wellenlängen lambda1, lambda2 bei unterschiedlichen Ordnungen k_1, k_2 der Strukturtiefe erzielt.
