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Die Erfindung betrifft eine farbkorrigierende Projektionsoptik eines Lichtmoduls eines Kraftfahrzeug-Scheinwerfers. Die Projektionsoptik umfasst eine Linsenanordnung mit mindestens zwei in einer Lichtdurchtrittsrichtung hintereinander angeordneten Teillinsen. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen farbkorrigierenden Projektionsoptik und ein Projektionsmodul eines Kraftfahrzeugscheinwerfers mit einer solchen farbkorrigierenden Projektionsoptik als Sekundäroptik.
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Kraftfahrzeugscheinwerfer arbeiten bekanntlich entweder nach einem Reflexionsprinzip oder nach einem Projektionsprinzip. Bei einem Reflexionssystem wird von mindestens einer Lichtquelle ausgesandtes Licht zur Erzeugung einer gewünschten Lichtverteilung durch mindestens eine Primäroptik, die üblicherweise als ein Reflektor ausgebildet ist, auf die Fahrbahn vor das Fahrzeug reflektiert. Die Primäroptik kann auch als eine Vorsatzoptik aus einem transparenten Material mit totalreflektierenden Eigenschaften ausgebildet sein. Durch eine Vorsatzoptik werden durch diese hindurchtretende Strahlen mittels einer Totalreflexion und/oder Brechung an Grenzflächen der Vorsatzoptik gebündelt. In einem Projektionssystem wird von mindestens einer Lichtquelle ausgesandtes Licht nach der Bündelung durch mindestens eine Primäroptik zur Erzeugung einer gewünschten Lichtverteilung durch mindestens eine Sekundäroptik, beispielsweise in Form einer Projektionslinse, auf die Fahrbahn vor das Fahrzeug projiziert. Die Primäroptik wird bei Verwendung von Halogen- oder Xenonlampen üblicherweise durch einen Reflektor realisiert, während bei Verwendung von Halbleiterlichtquellen, insbesondere Leuchtdioden, die Primäroptik üblicherweise als eine Vorsatzoptik realisiert ist, wobei den einzelnen Halbleiterlichtquellen oder einzelnen Gruppen umfassend mehrere Halbleiterlichtquellen jeweils eine eigene Vorsatzoptik zugeordnet sein kann. Die Primäroptik erzeugt eine Zwischen-Lichtverteilung, aus der beim Projektionssystem die Sekundäroptik die gewünschte Lichtverteilung auf der Fahrbahn erzeugt.
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Zur Erzeugung einer horizontalen Hell-Dunkel-Grenze, beispielsweise für Abblendlicht oder Nebellicht, ist in den nach dem Projektionsprinzip arbeitenden bekannten Scheinwerfern im Strahlengang zwischen Primär- und Sekundäroptik eine Blende beziehungsweise eine Blendenanordnung, umfassend mehrere Blendenelemente, derart angeordnet, dass zum Beispiel bei einer im Wesentlichen vertikal stehenden Blende deren Oberkante beziehungsweise bei einer im Wesentlichen horizontal liegenden Blende deren in Lichtaustrittsrichtung befindlichen Vorderkante von der Sekundäroptik als Hell-Dunkel-Grenze auf die Fahrbahn vor das Fahrzeug projiziert wird.
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Als Projektionslinsen werden heute meist Glaslinsen verwendet. Mehr und mehr finden auch Kunststofflinsen Anwendung, insbesondere in Projektionssystemen, die als Lichtquelle Leuchtdioden (LEDs) aufweisen. Nachteilig ist bei diesen optischen Systemen, dass durch eine Farbdispersion des Glases beziehungsweise des Kunststoffes, also durch eine wellenlängenabhängige oder wellenlängenselektive Brechung des weißen Lichts, erhebliche Farbfehler durch eine Aufspreizung des weißen Lichts in seine Spektralfarben verursacht werden. Beim Einsatz der Projektionslinse in einem Projektionsmodul eines Kraftfahrzeug-Scheinwerfers bedeutet dies deutlich sichtbare und breite Farbsäume an der Hell-Dunkel-Grenze. Da die Lichtverteilung üblicherweise nur eine Hell-Dunkel-Grenze aufweist und diese im Wesentlichen horizontal verläuft, lässt sich dieser Farbfehler in einem einlinsigen System wirksam kompensieren. Dies geschieht beispielsweise durch Segmentieren der Linse, wobei verschiedene Linsensegmente unterschiedliche Brennweiten haben und/oder zusätzliche Prismenflächen und/oder streuende Bereiche (z. B. eine Mattierung oder eine Mikrostruktur) aufweisen.
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In aufwändigen, z. B. kameragesteuerten Scheinwerfersystemen können in Abhängigkeit von einer aktuellen Fahrsituation eine Vielzahl unterschiedlicher Verläufe der Hell-Dunkel-Grenze auftreten. Insbesondere Scheinwerfer mit einer Vielzahl unabhängig voneinander ansteuerbarer (z. B. durch Einschalten, Ausschalten, Dimmen) Lichtquellen, zum Beispiel Leuchtdioden können diskrete Bereiche innerhalb einer Fernlichtverteilung ausgeblendet werden, um auf diese Weise einzelne entgegenkommende oder vorausfahrende Fahrzeuge gezielt vor einer Blendung zu schützen (Teilbeziehungsweise maskiertes Fernlicht). Solche Scheinwerfersystems sind bspw. aus der
DE 10 2008 013 603 A1 oder der
DE 10 2007 052 742 A1 bekannt. Außerdem wird bei einem Schlechtwetterlicht ein Bereich der Lichtverteilung direkt vor dem Fahrzeug in Richtung des Gegenverkehrs zur Vermeidung einer Blendung bei regennasser Fahrbahn abgeschattet. Diese abgeblendeten Bereiche besitzen eine umlaufende Hell-Dunkel-Umrandung (horizontale und vertikale Helldunkelgrenzen), deren Abbildung mit einem einlinsigen Projektionssystem nicht ohne erhebliche Farbfehler, d. h. Farbsäume, möglich ist.
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Zur Korrektur der Farbfehler sind farbkorrigierende Projektionsoptiken mit mehrlinsigen Linsenanordnungen bekannt, bei denen die Dispersion durch eine Kombination aus einer Zerstreuungs- und einer Sammellinse kompensiert wird. Die jeweilige Linsen sind dabei aus Materialien mit unterschiedlicher Dispersion hergestellt. Eine farbkorrigierende Projektionsoptik mit mehreren Linsen ist bspw. ein Achromat, der einen chromatischen Längsfehler korrigieren kann, wobei die Anzahl der dazu erforderlichen Linsen von verschiedenen Faktoren abhängt. Gute Korrekturergebnisse lassen sich bereits mit zwei Linsen, einer Zerstreuungs- und einer Sammellinse, erreichen. Bei einer achromatischen Korrektur des Farblängsfehlers bleibt ein Restfehler bestehen, der als sekundäres Spektrum bezeichnet wird. Korrigiert man auch das sekundäre Spektrum, wird das als apochromatische Korrektur bezeichnet. In einem Apochromat sind dazu spezielle, optisch wirksame Materialien und eventuell mehr als zwei Linsen notwendig. Solche farbkorrigierenden Projektionsoptiken können in Projektionsscheinwerfern eingesetzt werden. Dabei wird zum Beispiel die Projektionslinse durch die Kombination einer Sammellinse aus einem Material mit geringer Dispersion und einer Zerstreuungslinse aus einem Material mit großer Dispersion gebildet.
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Nachteilig bei diesen Linsenanordnungen ist, dass die Sammellinse und die Zerstreuungslinse sehr genau zueinander positioniert werden müssen, um gegenüber einem einlinsigen System keine zusätzlichen Abbildungsfehler zu erzeugen. Des Weiteren können an den Grenzflächen zwischen den beiden Linsen Spiegelungsverluste, sogenannte Fresnel-Reflexionen, auftreten, welche die Effizienz des optischen Systems beeinträchtigen und zu Abbildungsfehlern beziehungsweise Störungen in der Lichtverteilung führen können.
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Üblicherweise vermeidet man diese Spiegelungsverluste, indem die Teillinsen der Linsenanordnung miteinander verkittet werden. Dabei wird ein transparentes Material (sog. optischer Kitt) in den Zwischenbereich zwischen den beiden Linsen gebracht, dessen Brechungsindex ähnlich einem der beiden Linsen ist. Durch diese Maßnahme werden Fresnel-Reflexionen weitgehend vermieden. Nachteilig ist dabei allerdings, dass ein Herstellungsverfahren aufwendig und teuer ist. Weiterhin dürfen die Temperaturausdehnungskoeffizienten der beiden Linsenwerkstoffe nicht zu weit auseinanderliegen, da auftretenden mechanische Spannungen aufgrund von Wärmeausdehnung während des Betriebs des Projektionsmoduls bzw. des Scheinwerfers den Kitt sprengen würden. Dieses Problem kann auftreten, wenn beispielsweise eine Glas- und eine Kunststofflinse miteinander verkittet werden, da die gängigen transparenten Kunststoffe gegenüber Gläsern eine um ein Vielfaches größere Wärmeausdehnung aufweisen. Selbst zwischen unterschiedlichen transparenten Kunststoffen können die Temperaturausdehnungskoeffizienten erheblich voneinander abweichen. So ist zum Beispiel der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient von einem geeigneten Polymethylmethacrylat (PMMA) etwa doppelt so groß wie der Wärmeausdehnungskoeffizient eines ebenfalls geeigneten Polycarbonat (PC).
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Diese Tatsache erschwert auch Lösungen wie sie in
JP 2008 226542 A beispielhaft beschrieben sind. Dort wird an eine erste Kunststofflinse mit großer Dispersion eine zweite Kunststofflinse mit geringer Dispersion direkt angeformt. Auf diese Weise wird ein Luftspalt und die damit einhergehenden Fresnel-Reflexionen an den entstehenden Grenzflächen vermieden. Durch die Steifigkeit der Linsengeometrien und durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Linsenmaterialien ist die Verbindungsfläche der beiden Linsen bei Temperaturschwankungen starken Spannungen ausgesetzt. Damit können über die Lebensdauer Risse oder andere Beschädigungen in der Grenzfläche auftreten. Außerdem ist nachteilig, dass es nur wenig geeignete Kunststoffe für dieses 2-Komponenten Herstellungsverfahren von farbkorrigierenden Projektionsoptiken gibt. Während das wegen seiner hohen Temperaturbeständigkeit gut für die Zerstreuungslinse geeignete Polycarbonat (PC) eine sehr große Dispersion aufweist, gibt es kaum transparente Kunststoffe mit geringer Dispersion für die Sammellinse, die gleichzeitig den hohen Temperaturen im Fahrzeugscheinwerfer standhalten könnte.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend von der farbkorrigierenden Projektionsoptik der eingangs genannten Art, mindestens zwei Teillinsen einer farbkorrigierenden Projektionsoptik umfassend mindestens eine Zerstreuungslinse mit großer Dispersion und mindestens eine Sammellinse mit geringer Dispersion in einem einfachen und kostengünstigen Verfahren mit der erforderlichen Genauigkeit miteinander zu verbinden und die Projektionsoptik einstückig zu fertigen. Gleichzeitig soll die farbkorrigierende Projektionsoptik derart ausgestaltet sein, dass schädliche Auswirkungen auf die Teillinsen bzw. die Linsenanordnung aufgrund von Temperaturschwankungen vermieden werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ausgehend von der farbkorrigierenden Projektionsoptik der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass zumindest eine der Teillinsen oder eine zwischen zwei benachbarten Teillinsen ausgebildete Zwischenschicht aus einem Elastomer gefertigt ist. Ausgehend von dem Herstellungsverfahren der eingangs genannten Art wird zur Lösung der Aufgabe vorgeschlagen, dass in einem Spritzgussverfahren auf eine erste Teillinse der Linsenanordnung ein Elastomer als eine zweite Teillinse der Linsenanordnung aufgespritzt wird oder das Elastomer zwischen zwei benachbarte Teillinsen der Linsenanordnung gespritzt wird.
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Beim Betrieb des Lichtmoduls wird durch Wärmeverluste, insbesondere an den Lichtquellen, die zum Beispiel als Leuchtdioden ausgebildet sind, das gesamte Lichtmodul erhitzt. Dabei ist natürlich auch die Sekundäroptik des Projektionsmoduls betroffen. Bei Verwendung der farbkorrigierenden Projektionsoptik umfassend eine Linsenanordnung mit mindestens zwei Teillinsen dehnen sich die systembedingt unterschiedlichen Materialien der Teillinsen bei Erwärmung unterschiedlich stark aus, was ohne das zwischen den Teillinsen angeordnete Elastomer zu Spannungen in der Linsenanordnung, zu einer Beschädigung der Teillinsen und schließlich sogar zu einer Beeinträchtigung der Funktion der Linsenanordnung führen kann. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Teillinsen mit einem im ausgehärteten Zustand starren optischen Kitt miteinander verkittet sind.
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Unter einem Elastomer im Sinne der Erfindung wird beispielsweise ein mechanisch nachgiebiges Material verstanden, das die temperaturbedingten unterschiedlichen Ausdehnungen der relativ starren und wenig nachgiebigen Materialien der Teillinsen kompensieren und die damit verbundenen Spannungen innerhalb der Linsenanordnung reduzieren kann. Das Material hat vorzugsweise eine geringe Steifigkeit, das heißt ein kleines E-Modul (E = Spannung/Dehnung), und gleichzeitig eine hohe zulässige Dehnung. Als nachgiebiges Material kommt deshalb vorzugsweise ein solches Material zum Einsatz, das auf der relativ kleinen Fläche der Linsenanordnung die notwendige Nachgiebigkeit aufweist. Bei der betrachten Linsenfläche handelt es sich um die im Wesentlichen senkrecht zur optischen Achse des Lichtmoduls stehende Fläche der Linsenanordnung. Das nachgiebige Material sollte insbesondere so nachgiebig sein, dass die gesamte Differenz der unterschiedlichen Temperaturausdehnungen der verschiedenen Materialien der Teillinsen kompensiert werden kann.
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Der Erfindung liegt die Idee zu Grunde, die Vorteile von verkitteten Teillinsen in der farbkorrigierenden Projektionsoptik beizubehalten (zum Beispiel Vermeidung von Fresnel-Reflexionen an den Grenzflächen) und zusätzlich noch die auftretenden wärmebedingten Ausdehnungen der Teillinsen durch einen transparenten, optischen Kitt aus mechanisch nachgiebigem Material auszugleichen. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das mechanisch nachgiebige Material elastisch, das heißt, es geht nach einer Verformung bei nachlassender Verformungsursache wieder in seine Ausgangsform zurück. Bspw. Flüssigsilikon (auch als Liquid Silicone Rubber, LSR bekannt) erfüllt genau diese Anforderungen. Flüssigsilikone gehören zur Gruppe der heißvulkanisierenden Kautschuke. Charakteristisch ist ihre im Vergleich zu Festsilikonen oder herkömmlichen Elastomeren niedrigere Viskosität während der Verarbeitung. Zweikomponentenmischungen vernetzen immer öfter nach dem Additionsverfahren. Das heißt, die Reaktion erfolgt ohne Bildung eines Spaltproduktes. Und das ist gerade beim Spritzgießen von Vorteil, denn Ablagerungen oder ein Belag auf den Werkzeugen sind nicht zu befürchten. Um die Verarbeitungszeit bis zum Beginn der Vernetzung einzustellen, enthält eine der beiden Komponenten einen Inhibitor, auch Topfzeitregler genannt. Der anderen Komponente ist ein Katalysator zugefügt. Die Vernetzung – auch als Vulkanisation bekannt – startet durch den Einfluss der Werkzeugtemperatur, die je nach Mischung zwischen 160°C und 220°C liegt. Dann allerdings verläuft die Reaktion mit etwa 5 s/mm Wanddicke recht schnell. Folglich können mit Flüssigsilikonen wesentlich kürzere Zykluszeiten erzielt werden als beispielsweise mit klassischen Elastomeren.
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Die Verwendung von Flüssigsilikon bietet den Vorteil, dass die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien der Teillinsen nahezu keinen schädigenden Einfluss auf die Linsenanordnung hat und damit unberücksichtigt bleiben kann. Es kann somit das volle Augenmerk auf eine Optimierung der optischen und farbkorrigierenden Eigenschaften der Projektionsoptik gerichtet werden. Das Flüssigsilikon gleicht wärmebedingte Ausdehnungen der einzelnen Teillinsen relativ zueinander aus. Dadurch wird die mögliche Palette von verwendbaren Materialien für die Herstellung der Teillinsen der Linsenanordnung wesentlich vergrößert. Kostengünstige Materialien, die bisher aufgrund ihrer großen Wärmeausdehnungskoeffizienten nicht eingesetzt wurden, können nun bevorzugt werden. Als Materialien mit großer Dispersion für die Teillinsen der Projektionsoptik bieten sich dabei beispielsweise Polycarbonat (PC) oder Polysulfon (PSU) oder Polymethacrylmethylimid (PMMI) an. Eine geringe Dispersion weisen beispielsweise Polymethylmethacrylat PMMA) oder Cycloolefin Copolymer (COC) oder Cycloolefin Copolymer (COP) auf. Kombinationen aus mehreren verschiedenen der genannten Materialien können für die Teillinsen der Projektionsoptik natürlich auch verwendet werden.
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Weitere Eigenschaften der Flüssigsilikone sind eine besonders gute Haftung und eine große Elastizität bei einer geringen Steifigkeit. Dies führt dazu, dass beispielsweise beide Teillinsen über die gesamte Grenzfläche zuverlässig und fest miteinander verbunden werden können. Wegen der geringen Steifigkeit werden Spannungen in der Grenzfläche infolge Wärmeausdehnung auf niedrigem Niveau begrenzt. Dies ermöglicht eine feste Verbindung der Teillinsen bei einer verlängerten Lebensdauer, ohne dass sich Risse und/oder Ablösungen bilden. Da das Flüssigsilikon eine sehr geringe Dispersion aufweist, lässt sich mit diesem Material eine wirksame Farbkorrektur bei gleichzeitig moderater Dicke der Linsenanordnung erreichen. Zudem weist das Flüssigsilikon eine gute Temperaturbeständigkeit auf, sowohl bei niedrigen Temperaturen (bis ca. –50°C) als auch bei hohen Temperaturen (bis ca. 250°C).
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Die Primäroptik eines Projektionsmoduls kann bspw. als ein Reflektor ausgebildet sein, der das von der Lichtquelle ausgesandte Licht zu einer Zwischen-Lichtverteilung bündelt, die dann durch die Projektionsoptik als gewünschte Lichtverteilung auf der Fahrbahn vor dem Fahrzeug abgebildet wird. Ebenso ist es denkbar, dass die Primäroptik eine oder mehrere transparente Vorsatzoptiken umfasst, die über Totalreflexion und/oder Brechung an den Grenzflächen das eingekoppelte Licht zu der Zwischen-Lichtverteilung bündeln. Bei LED-Lichtquellen kann jeder der LEDs eine separate Vorsatzoptik zugeordnet sein, wie dies bspw. aus der nachveröffentlichten
DE 10 2010 023 177 bekannt ist, auf die hinsichtlich einer möglichen Ausgestaltung der Primäroptik ausdrücklich Bezug genommen wird. Es ist aber auch denkbar, dass jeweils eine Vorsatzoptik mehreren LEDs zugeordnet ist oder alternativ den LEDs jeweils mehrere Vorsatzoptiken zugeordnet sind. Ein Lichtmodul mit einer derartigen Primäroptik ist bspw. aus der ebenfalls nachveröffentlichten
DE 10 2009 049 558 bekannt, auf die hinsichtlich einer anderen möglichen Ausgestaltung der Primäroptik ausdrücklich Bezug genommen wird.
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In einer ersten Ausführungsform bildet das Elastomer vorzugsweise mindestens eine der Teillinsen. Das bedeutet, dass beispielsweise Flüssigsilikon (geringe Dispersion) während eines Spritzgussverfahrens an eine zuvor aus einem Thermoplast hergestellte Zerstreuungslinse (festes Material mit großer Dispersion) in der Ausgestaltung einer Sammellinse (zum Beispiel konvex-konvex) angeformt wird. Somit wird die farbkorrigierende Projektionsoptik aus zwei Komponenten, der aus festem Material bestehenden Zerstreuungslinse und der aus elastischem Flüssigsilikon bestehenden Sammellinse, gebildet. Theoretisch kann auch die Sammellinse aus einem festen Material und die Zerstreuungslinse aus dem mechanisch nachgiebigen Material bestehen. Die Sammellinse und die Zerstreuungslinse lassen sich als eine integrale Einheit – wie ein einlinsiges System – leicht handhaben und im Lichtmodul verbauen. Die Steifigkeit der aus Flüssigsilikon hergestellten Teillinse sollte nach Möglichkeit so hoch sein, dass Erschütterungen und Vibrationen des Fahrzeugs die Form der Sammellinse und damit die optischen Abbildungseigenschaften der Projektionsoptik weitgehend unverändert lassen. Der temperaturbedingten Ausdehnung beziehungsweise dem temperaturbedingten Zusammenziehen der aus dem festen Material gefertigten Teillinse sollte die aus dem elastischen Flüssigsilikon gebildete Teillinse jedoch folgen können, um das Auftreten von Spannungen zwischen den beiden Teillinsen zu vermeiden.
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Gemäß einer zweiten, alternativen Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass das Elastomer eine mechanisch wirksame Ausgleichsschicht zwischen zwei aus einem relativ starren Material gefertigten Teillinsen bildet. In dieser Ausführungsform werden die Zerstreuungslinse aus einem festen Material (z. B. Thermoplast) mit hoher Dispersion und die Sammellinse aus einem festen Material (z. B. Thermoplast) mit geringer Dispersion, vorzugsweise in einem Spritzgussverfahren, vorgefertigt. Anstelle der bekannten Verkittung werden beide Teillinsen nun in ein Werkzeug eingelegt und eine Schicht Flüssigsilikon zwischen beide Teillinsen gespritzt, so dass diese durch das Flüssigsilikon verbunden werden. Die so hergestellte farbkorrigierende Projektionsoptik umfasst in Lichtdurchtrittsrichtung demnach drei Komponenten, nämlich die zwei Teillinsen aus starren Materialien und die dazwischen liegende Schicht aus dem mechanisch nachgiebigen Material.
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Die Flüssigsilikon-Schicht sorgt für eine feste Verbindung der beiden Teillinsen über die gesamte Lebensdauer, ohne dass Risse und/oder Ablösungen in der Grenzfläche auftreten. Beide Teillinsen können im Spritzwerkzeug präzise zueinander zentriert werden, so dass die farbkorrigierende Projektionsoptik eine hohe Genauigkeiten hinsichtlich Abbildungseigenschaften und Farbkorrektur aufweist. Hierbei ist besonders vorteilhaft, dass das Flüssigsilikon aufgrund seiner geringen Viskosität auch in sehr schmale Spalte gespritzt werden kann, was wiederum eine gewünschte, dünne Verbindungsschicht ermöglicht. Insgesamt ist man bei der Gestaltung der Spaltgeometrie sehr wenigen Restriktionen unterworfen.
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Außerdem wirkt das Flüssigsilikon vorteilhafterweise dämpfend gegen Erschütterungen und Vibrationen, und dichtend gegenüber Staub und Feuchtigkeit zwischen den beiden Teillinsen.
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Die erfindungsgemäße farbkorrigierende Projektionsoptik kann vorteilhafterweise als ein Achromat, ein Apochromat oder eine beliebige andere Vorrichtung ausgebildet sein, die Strahlen unterschiedlicher Wellenlängen in einem gemeinsamen Brennpunkt oder in der Nähe des gemeinsamen Brennpunkts zusammenführt, so dass Farbfehler insbesondere an Hell-Dunkel-Grenzen der erzeugten Lichtverteilung kompensiert werden können.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Figuren. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendet werden können, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Kraftfahrzeugscheinwerfer in einer schematischen Darstellung;
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2 ein Lichtmodul mit einem Achromaten in einer stark vereinfachten Darstellung;
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3 einen Luftachromaten aus dem Stand der Technik;
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4 einen verkitteten Achromaten aus dem Stand der Technik;
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5 eine erfindungsgemäße farbkorrigierende Projektionsoptik in einer ersten Ausführungsform; und
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6 eine erfindungsgemäße farbkorrigierende Projektionsoptik in einer zweiten Ausführungsform.
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1 zeigt einen Scheinwerfer 2 eines Kraftfahrzeugs in einer perspektivischen Ansicht. Der Scheinwerfer 2 umfasst ein Gehäuse 4, in welchem zwei Lichtmodule 6 und 10 zur Erzeugung beliebiger Lichtverteilungen (z. B. Abblendlicht, Fernlicht, etc.) angeordnet sind. Die Anzahl der Lichtmodule ist beispielhaft angenommen und kann von dem Dargestellten abweichen. Selbstverständlich kann der Scheinwerfer 2 noch weitere Lichtmodule oder auch Leuchten (z. B. zur Erzeugung von Blinklicht, Tagfahrlicht, Positionslicht, etc.) aufweisen. Das Gehäuse 4 ist in Lichtaustrittsrichtung 18 mit einer lichtdurchlässigen Abdeckscheibe 8 verschlossen.
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2 zeigt eine beispielhafte Ausgestaltung des Lichtmoduls 10 des Kraftfahrzeugscheinwerfers 2 in einer stark vereinfachten Darstellung. Das Lichtmodul 10 ist als ein Projektionsmodul (sog. PES-Modul) ausgebildet und weist eine als Reflektor ausgebildete Primäroptik 12 auf, der bevorzugt ellipsoidförmig oder in einer geringfügig von einer Ellipsoidform abweichenden Freiform ausgebildet ist. In einem Brennpunkt des Reflektors 12 ist auf einer optischen Achse 14 des Lichtmoduls 10 eine Lichtquelle 16 angeordnet. Dies kann eine Glühlampe, eine Gasentladungslampe oder bevorzugt mindestens eine Halbleiterlichtquelle, insbesondere eine oder mehrere Leuchtdioden, sein. Beim Einsatz von Leuchtdioden könnte die Primäroptik auch als Vorsatzoptik ausgebildet sein (nicht dargestellt). Eine Vorsatzoptik besteht aus einem optisch transparenten Material, wobei in die Vorsatzoptik eingekoppeltes Licht an äußeren Grenzflächen der Vorsatzoptik totalreflektiert und beim Eintritt und/oder Austritt aus der Vorsatzoptik gebrochen werden kann. Die Vorsatzoptik ist derart ausgebildet, dass sie hindurchtretendes Licht durch Totalreflexion an Grenzflächen der Vorsatzoptik mit der Umgebung und/oder durch Brechung von Licht an den Grenzflächen (zum Beispiel an einer Lichteinkoppelseite und/oder einer Lichtauskoppelseite der Vorsatzoptik) bündelt.
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In Lichtaustrittsrichtung 18 ist nach der Primäroptik 12 zur Projektion des gebündelten Lichts auf die Fahrbahn vor das Fahrzeug eine Sekundäroptik 22 angeordnet, die in 2 als eine Projektionsoptik, insbesondere als ein Achromat 22 mit einer Linsenanordnung umfassend zwei Teillinsen 24 und 26, ausgebildet ist. Der Achromat 22 hat neben den abbildenden Eigenschaften auch farbkorrigierende Eigenschaften, insbesondere an Farbsäumen bei Hell-Dunkel-Grenzen in der Lichtverteilung. Die Sekundäroptik 22 könnte auch eine beliebige andere farbkorrigierende Projektionsoptik mit mehr als den zwei gezeigten Teillinsen, bspw. auch ein Apochromat, sein (nicht dargestellt).
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Die Teillinse 24 ist plan-konkav und die Teillinse 26 ist bikonvex ausgebildet. Der dargestellte Achromat 22 ist als ein sog. Luftachromat ausgebildet, so dass zwischen den beiden Teillinsen 24 und 26 – bedingt durch unterschiedliche Radien der Teillinsen 24 und 26 und einen Abstand zwischen den Teillinsen 24, 26 – ein Abstands – oder Zwischenraum 28 ausgebildet ist. Luftachromate werden jedoch aufgrund der geringen zulässigen Toleranzen bezüglich des Abstands und der Ausrichtung der Teillinsen relativ zueinander und der Schwierigkeit, diese Anforderungen einzuhalten, in der Praxis kaum eingesetzt. Bei Luftachromaten besteht insbesondere die Gefahr einer Verkippung und einer Dezentrierung der Teillinsen relativ zueinander. Außerdem treten bei Luftachromaten Fresnelreflexionen an den beiden zusätzlichen Grenzflächen auf, welche zu Verlusten führen und den Wirkungsgrad verschlechtern.
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Zur Erzeugung einer in Teilbereichen abgeblendeten Lichtverteilung ist in Lichtaustrittsrichtung 18 nach der Primäroptik 12 eine Blendenanordnung 20 mit beispielsweise einer im Strahlengang befindlichen wirksamen Oberkante angeordnet, wobei die Oberkante von der Sekundäroptik 22 zur Erzeugung einer im Wesentlichen horizontalen Hell-Dunkel-Grenze auf die Fahrbahn vor das Fahrzeug projiziert wird. Es sind im Stand der Technik allerdings sehr viele unterschiedliche Ausgestaltungen von Blendenanordnungen zur Erzeugung von abgeblendeten Lichtverteilungen bekannt.
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Die Blendenanordnung 20 kann auch derart ausgebildet sein, dass diskrete Bereiche innerhalb einer Fernlichtverteilung abgeblendet werden, um auf diese Weise einzelne entgegenkommende oder vorausfahrende Fahrzeuge gezielt vor Blendung zu schützen (Teil- beziehungsweise maskiertes Fernlicht). Außerdem kann für ein Schlechtwetterlicht ein Bereich der Lichtverteilung direkt vor dem Fahrzeug in Richtung des Gegenverkehrs zur Vermeidung einer Blendung bei regennasser Fahrbahn abgeblendet beziehungsweise abgeschattet werden. Die abgeblendeten Bereiche des Teilfernlichts oder des Schlechtwetterlichts besitzen eine umlaufende Hell-Dunkel-Umrandung. Bei einem Einsatz von mehreren Leuchtdioden als Lichtquelle 16 können die abgeschatteten beziehungsweise abgeblendeten Bereiche mit umlaufender Hell-Dunkel-Umrandung auch durch Ausschalten diskreter Leuchtdioden im Lichtmodul 10, also ohne Blendenelemente, realisiert werden.
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Der Achromat 22 bildet ein optisches System aus zwei Teillinsen 24 und 26, die aus unterschiedlichem Material mit unterschiedlich starker Dispersion (unterschiedliche Abbe-Zahl) bestehen. Unter Farbdispersion versteht man in der Optik eine wellenlängen-abhängige Brechung des Lichts. Typischerweise werden kurzwelligere Lichtanteile (zum Beispiel blau) stärker gebrochen als langwelligere (zum Beispiel rot). Die Teillinsen 24 und 26 können aus Glas oder erfindungsgemäß bevorzugt aus Kunststoff (zum Beispiel Thermoplaste) hergestellt sein. Der Achromat 22 weist eine Zerstreuungslinse 24 aus einem Material mit kleiner Abbe-Zahl (< 50) und somit großer Dispersion und eine Sammellinse 26 aus einem Material mit großer Abbe-Zahl (> 50) und damit geringer Dispersion auf. Als Thermoplaste mit großer Dispersion bieten sich dabei beispielsweise Polycarbonat (PC) oder Polysulfon (PSU) oder Polymethacrylmethylimid (PMMI) an. Eine geringe Dispersion weisen Thermoplaste wie beispielsweise Polymethylmethacrylat PMMA) oder Cycloolefin Copolymer (COC) oder Cycloolefin Copolymer (COP) oder auch Flüssigsilikon (auch als Liquid Silicone Rubber LSR bekannt) auf.
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Der Achromat 22 gleicht zwei durch Dispersion aufgespreizte Spektralfarben des sichtbaren Lichts, zum Beispiel rot und blau, zu weißlichem Licht an, die beim Passieren optisch wirksamer Grenzflächen, zum Beispiel an einer Lichteintrittseite und einer Lichtaustrittseite einer Linse (sog. Farblängsfehler) entstehen. Der Achromat 22 kann auch sog. Farbquerfehler verbessern, wobei Farbquerfehler an einem Hell-Dunkelübergang in der Bildebene (zum Beispiel an der horizontalen Hell-Dunkel-Grenze bei abgeblendeter Lichtverteilung oder der Hell-Dunkel-Umrandung bei teilfernlicht oder Schlechtwetterlicht) auftreten.
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Eine Farbfehlerkompensation mit dem Achromaten 22 funktioniert so, dass die negativ brechende Teillinse 24 (Zerstreunungslinse) zunächst das Lichtspektrum weg von der optischen Achse 14 wellenlängenabhängig bricht und nachfolgend die positiv brechende Tellinse 26 (Sammellinse) mit ihrer Brechkraft das Bündel wieder in Richtung der optischen Achse 14 wellenlängenabhängig bricht. Damit werden letztendlich die Strahlen unterschiedlicher Wellenlängen in einem gemeinsamen Brennpunkt oder in der Nähe eines gemeinsamen Brennpunktes zusammengeführt. Eine Summenbrennweite aus den negativen und positiven Brennweiten der Teillinsen 24, 26 ist für mindestens zwei Wellenlängen identisch ist. Im Idealfall wird dann weißes oder zumindest weißliches Licht mit stark reduziertem Farbsaum erzeugt.
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Die 3 zeigt einen sog. Luftachromaten und 4 zeigt einen verkitteten Achromaten 22 jeweils aus dem Stand der Technik. Der Luftachromat 22 aus 3 weist eine Linsenanordnung auf, die aus der Zerstreuungslinse 24 und der Sammellinse 26 besteht. Beide Teillinsen 24, 26 sind so zueinander angeordnet, dass sich in Lichtdurchgangsrichtung 30 zwischen den beiden Teillinsen 24, 26 der als Luftspalt ausgebildete Abstandsraum 28 bildet. Die Krümmungen der beiden zueinander gerichteten Grenzflächen 32 der Teillinsen 24, 26 sind dabei unterschiedlich. Beide Teillinsen 24, 26 müssen sehr genau zueinander positioniert werden, um keine Abbildungsfehler zu erzeugen. An den Grenzflächen 32 zwischen den beiden Teillinsen 24, 26 können Spiegelungsverluste, sogenannte Fresnel-Reflexionen, auftreten, die die Effizienz der Linsenanordnung beeinträchtigen und zu Abbildungsfehlern beziehungsweise Störungen in der Lichtverteilung führen können.
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In dem verkitteten Achromat 22 aus 4 ist der Abstandsraum 28 möglichst eng ausgebildet und mit einem transparenten, optischen Kitt 34 ausgefüllt. Das heißt, es befindet sich kein Luftspalt mehr zwischen den Teillinsen 24, 26. Das Material des Kitts 34 ist so gewählt, dass der Kitt 34 eine zumindest ähnliche Brechzahl wie einer der beiden Teillinsen 24, 26 aufweist. Dadurch werden die aus der 3 bekannten, durch die beiden zueinander beabstandeten Teillinsen 24, 26 gebildeten Grenzflächen 32 zusammengelegt und Fresnel-Reflexionen dadurch weitgehend vermieden. Temperaturbedingte Spannungen zwischen den beiden Teillinsen 24, 26 können beim Aufheizen beziehungsweise Abkühlen der Linsenanordnung durch die unterschiedlichen Materialien der Teillinsen 24, 26 auftreten.
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5 zeigt eine erfindungsgemäße farbkorrigierende Projektionsoptik in einer ersten Ausführungsform, die beispielhaft als ein Achromat 22 ausgebildet ist. Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Projektionsoptik auch als ein Apochromat ausgebildet sein. Der Achromat 22 weist eine Zerstreuungslinse 24 auf, die aus einem festem Thermoplast mit einer großen Dispersion in einem ersten Arbeitsschritt spritzgegossen ist. Danach wird beispielsweise die fertig hergestellte Zerstreuungslinse 24 in ein zweites Werkzeug eingelegt, in dem anschließend die Sammellinse 26 in einem weiteren Spritzgussverfahren angeformt wird. Die Sammellinse 26 wird dabei aus Flüssigsilikon gefertigt, das nach der Herstellung und dem Aushärten das transparente, mechanisch nachgiebige Material bildet. Bei diesem Verfahren wird also eine Linsenanordnung geschaffen, die aus der festen Zerstreuungslinse 24 und der angeformten elastischen Sammellinse 26 besteht. Beide Teile bilden dabei eine integrale Einheit. Die drei Arbeitsschritte können auch nacheinander auf einer Einkomponenten-Spritzmaschine ausgeführt werden. Bei Anwendung einer Zweikomponenten-Spritzmaschine kann der Arbeitsschritt zum Einlegen der Zerstreuungslinse 24 in das neue Werkzeug entfallen.
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Die Verwendung von Flüssigsilikon bietet dabei den Vorteil, dass ein Wärmeausdehnungskoeffizient der Zerstreuungslinse 24 unberücksichtigt bleiben kann. Einer temperaturbedingten Ausdehnung beziehungsweise einem temperaturbedingten Zusammenziehen der Zerstreuungslinse 24 folgt die aus Flüssigsilikon gebildete Sammellinse. Es treten nur geringe, in der Regel vernachlässigbare mechanische Spannungen im Bereich der Teillinsen 24, 26 auf.
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Flüssigsilikone weisen darüber hinaus eine gute Haftung und eine große mechanische Nachgiebigkeit, insbesondere eine große Elastizität auf. Dies führt dazu, dass beide Teillinsen 24, 26 über die gesamte, gemeinsame Grenzfläche 32 zuverlässig und fest verbunden werden können. Fresnelreflexionen werden dadurch weitgehend vermieden. Wegen der geringen Steifigkeit werden Spannungen in der Grenzfläche 32 infolge Wärmeausdehnung auf ein niedriges Niveau begrenzt. Flüssigsilikone haben ein kleines E-Modul bei gleichzeitig hohen zulässigen Dehnungen.
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6 zeigt eine erfindungsgemäße farbkorrigierende Projektionsoptik in einer zweiten, alternativen Ausführungsform. Die Zerstreuungslinse 24 ist aus einem Thermoplast mit hoher Dispersion und auch die Sammellinse 26 aus einem Thermoplast mit geringer Dispersion vorzugsweise in einem Spritzgussverfahren gefertigt worden. Anstelle der bekannten Verkittung 34 (vgl. 4) werden die Zerstreuungslinse 24 und die Sammellinse 26 in einem weiteren Arbeitsschritt in ein Werkzeug eingelegt und anschließend eine transparente Schicht 36 aus Flüssigsilikon zwischen die Zerstreuungslinse 24 und die Sammellinse 26 gespritzt, so dass diese durch das Flüssigsilikon vollständig verbunden werden. Die Zerstreuungslinse 24 und die Sammellinse 26 werden im Spritzwerkzeug präzise zueinander zentriert, so dass die Linsenanordnung eine gute Genauigkeit aufweist. Die so hergestellte Linsenanordnung umfasst demnach drei Komponenten und bildet eine integrale Einheit. Hierbei bildet das Flüssigsilikon eine mechanisch nachgiebige Ausgleichsschicht 36 zwischen der Zerstreuungslinse 24 und der Sammellinse 26, die temperaturbedingte Spannungen zwischen der Zerstreuungslinse 24 und der Sammellinse 26 kompensiert. In der zweiten Ausführungsform kann das Flüssigsilikon aufgrund seiner geringen Viskosität auch in eine sehr dünne Spalte gespritzt werden, was wiederum gewollte, dünne Grenzschichten ermöglicht. Die zweite Ausführungsform weist im Übrigen die gleichen Vorteile wie die erste Ausführungsform auf; an eine gewisse Steifigkeit werden hier im Wesentlichen jedoch keine besonderen Anforderungen gestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008013603 A1 [0005]
- DE 102007052742 A1 [0005]
- JP 2008226542 A [0009]
- DE 102010023177 [0017]
- DE 102009049558 [0017]
