DE102011054232A1

DE102011054232A1 - Beleuchtungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102011054232A1
Application number: DE102011054232A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Kloos
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2011-10-06
Filing date: 2011-10-06
Publication date: 2013-04-11
Anticipated expiration: 2031-10-07
Also published as: CN103032794A; DE102011054232B4; US20130094234A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung für Fahrzeuge mit einer Mehrzahl von in einer Lichterzeugungsebene matrixartig angeordneten Lichtquellen, mit einer in einer Hauptabstrahlrichtung der Lichtquellen gesehen vor denselben angeordneten Lichtformungsoptikeinheit und mit einer zwischen der Lichtformungsoptikeinheit und den Lichtquellen angeordneten weiteren Optikeinheit, die eine Mehrzahl von Optikelementen aufweist, wobei die Optikelemente matrixartig angeordnet sind und je ein Optikelement mit einer Stirnseite desselben einer Lichtquelle zugeordnet ist und wobei die weitere Optikeinheit im Bereich der Stirnseiten der Optikeinheit den Lichtquellen zugeordnete Einkoppelflächen und wenigstens eine der Lichtformungsoptikeinheit zugewandte Auskoppelfläche aufweist, wobei die weitere Optikeinheit als eine Aufweitungsoptikeinheit (4) zum Aufweiten der von den Lichtquellen ausgesandten Teillichtbündel ausgebildet ist mit Lichtleitstäben als Optikelemente, wobei die Lichtleitstäbe senkrecht in Bezug zu der Lichterzeugungsebene der Lichtquellen orientierte Seitenflächen als Totalreflexionsflächen aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung für Fahrzeuge mit einer Mehrzahl von in einer Lichterzeugungsebene matrixartig angeordneten Lichtquellen, mit einer in einer Hauptabstrahlrichtung der Lichtquellen gesehen vor denselben angeordneten Lichtformungsoptikeinheit und mit einer zwischen der Lichtformungsoptikeinheit und den Lichtquellen angeordneten weiteren Optikeinheit, die eine Mehrzahl von Optikelementen aufweist, wobei die Optikelemente matrixartig angeordnet sind und je ein Optikelement mit einer Stirnseite desselben einer Lichtquelle zugeordnet ist und wobei die weitere Optikeinheit im Bereich der Stirnseiten der Optikelemente den Lichtquellen zugeordnete Einkoppelflächen und wenigstens eine der Lichtformungsoptikeinheit zugewandte Auskoppelfläche aufweist.
Gegenwärtig werden zunehmend Beleuchtungsvorrichtungen für Fahrzeuge geschaffen, die mit Hilfe einer Vielzahl von einzelnen Lichtquellen eine oder mehrere Lichtverteilungen bereitstellen. Beispielsweise ist bekannt, Fahrzeugscheinwerfer zur Realisierung einer Abblendlicht-, Fernlicht- oder Stadtlichtfunktion mit einer Vielzahl von Leuchtdioden zu realisieren. Die von den einzelnen Leuchtdioden abgestrahlten Teillichtbündel werden hierbei zur Realisierung der geforderten Lichtverteilungen in wenigstens einer im Strahlengang der Lichtquellen vorgesehenen Lichtformungsoptikeinheit entsprechend der lichttechnischen Vorgaben zusammengeführt und geformt. Problematisch ist, dass die Mehrzahl von Lichtquellen, welche beispielsweise matrixartig angeordnet sein können, im Regelfall nicht den unter lichttechnischen Gesichtspunkten optimalen Abstand zueinander aufweisen. Werden beispielsweise vorgefertigte Arrays mit mehreren Lichtquellen verwendet, ist der Abstand der auf einem gemeinsamen Schaltungsträger angeordneten Lichtquellen häufig zu gering. Werden demgegenüber Einzellichtquellen, beispielsweise einzelne Leuchtdioden in SMD-Bauform, zum Aufbau der Beleuchtungsvorrichtung verwendet, ist der Abstand dieser einzelnen Lichtquellen häufig größer, als er unter lichttechnischen Gesichtspunkten sein sollte.
Bei der Verwendung von LED-Chips als Lichtquellen ist beispielsweise aus der DE 10 2008 005 488 A1 bekannt, zwischen den in einer gemeinsamen Beleuchtungsebene angeordneten Lichtquellen und einer im Strahlengang vor den Lichtquellen vorgesehenen Optikeinheit ein weiteres Optikelement, insbesondere eine transparente, mikrostrukturierte dünne Platte vorzusehen. Mit Hilfe dieser Platte werden die Teillichtbündel der einzelnen Lichtquellen aufgeweitet. Durch die Aufweitung der Teillichtbündel wird dem Entstehen von Lichtflecken (Lichtlücken), d. h. nicht oder nur unzureichend ausgeleuchteten Bereichen in der Lichtverteilung entgegengewirkt. Die transparente Platte weist hierzu beispielsweise eine gerillte bzw. geriffelte Oberfläche auf. Obwohl sich die Verwendung der transparenten Lichtplatte grundsätzlich bewährt hat, kann eine individuelle Aufweitung der einzelnen Teillichtbündel beim Vorsehen einer einzigen gemeinsamen Lichtplatte für alle Lichtquelle nur eingeschränkt erfolgen.
Beispielsweise aus der DE 10 2008 013 603 A1 , der DE 10 2008 044 967 A1 und der DE 10 2009 053 581 B3 ist bekannt, eine Optikeinheit mit einer Vielzahl von matrixartig angeordneten einzelnen Optikelementen vorzusehen. Hierbei ist je ein Optikelement einer einzelnen Lichtquelle so zugeordnet, dass das von der einzelnen Lichtquelle ausgestrahlte Teillichtbündel im Wesentlichen nur in dem der Lichtquelle zugeordneten Optikelement geformt wird. Das aus den einzelnen Lichtelementen geschaffene Optikarray (Optikeinheit) dient als eine Optikeinheit in einer mehrstufigen Lichtformungsanordnung. Die einzelnen Optikelemente weisen einen sich im Strahlenverlauf aufweitenden Querschnitt, zum Beispiels eine kegelstumpf- bzw. pyramidenstumpfförmige Kontur auf. Sie sind daher aufwendig zu fertigen. Darüber hinaus eignen sich die Optikelemente, welche das Licht formen sollen, bauartbedingt nicht oder nur eingeschränkt zur Aufweitung der Teillichtbündel und zur Realisierung einer homogenen Lichtabstrahlfläche.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Optikeinheit zur Aufweitung von Teillichtbündeln einer Mehrzahl von Lichtquellen bereitzustellen, die einfach zu fertigen ist und eine homogene Lichtverteilung schafft.
Zur Lösung der Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Optikeinheit als eine Aufweitungsoptikeinheit zum Aufweiten der von den Lichtquellen ausgesandten Teillichtbündel ausgebildet ist mit Lichtleitstäben als Optikelemente, wobei die Lichtleitstäbe senkrecht in Bezug zu der Lichterzeugungsebene der Lichtquellen orientierte Seitenflächen als Totalreflexionsflächen aufweisen.
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Teillichtbündel der matrixartig angeordneten einzelnen Lichtquellen in den als Lichtleitstäben ausgebildeten Optikelementen der Aufweitungsoptikeinheit aufgeweitet werden und an der Auskoppelfläche eine weitestgehend homogene Lichtverteilung bereitgestellt wird. Im Bereich der Auskoppelfläche sind Lichtflecken (Lichtlücken), welche aufgrund der Beabstandung der einzelnen Lichtquellen bei einem Verzicht auf eine Aufweitung der Teillichtbündel gebildet werden, deutlich reduziert bzw. vollständig vermieden. Ursächlich hierfür sind die senkrecht zu der Lichterzeugungsebene der Lichtquellen orientierten Seitenflächen der den einzelnen Lichtquellen zugeordneten Optikelemente. Sie wirken als Totalreflexionsfläche und sorgen für eine homogenisierte Lichtverteilung über den gesamten Querschnitt der Lichtleitelemente.
Kern der Erfindung ist es hierbei, durch die enge räumliche Kombination der Mehrzahl der Lichtquellen und der Aufweitungsoptikeinheit eine virtuelle Lichtquelle bereitzustellen, die an der Abstrahlungsfläche (Auskoppelfläche) eine Lichtverteilung mit großer Homogenität aufweist. Lichttechnisch bilden die Lichtquellen und die zugeordnete Aufweitungsoptikeinheit eine Einheit. Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Lichtleitstäbe eine gleiche Querschnittsgeometrie auf. Die Querschnitte sind insbesondere als Vielecke ausgebildet, wobei eine Ebene mittels der Vielecke vollständig lückenlos und überlappungsfrei ausgelegt werden kann. Vorteilhaft können die Lichtleitstäbe besonders eng aneinandergelegt werden, wenn ihre Querschnitte paketierfähig sind. Hierbei sind die Lichtflecken (Lichtlücken) dann besonderes klein, wenn zwischen den Lichtleitstäben kein oder nur ein sehr geringer Zwischenraum verbleibt. Beispielsweise kann der Querschnitt der Lichtleitstäbe dreieckig ausgebildet sein oder als regelmäßiges Sechseck geformt sein.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weisen die Lichtleitstäbe einen rechteckigen, insbesondere quadratischen Querschnitt auf. Die Seitenflächen der Lichtleitstäbe sind paarweise zueinander parallel orientiert. Vorteilhaft können die einzelnen Optikelemente der Aufweitungsoptikeinheit sehr eng aneinander angelegt werden, wenn ein rechteckiger Querschnitt verwendet wird. Überdies können Optikelemente mit einem rechteckigen Querschnitt einfach und kostengünstig hergestellt werden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist den Lichtleitstäben auf einer den Lichtquellen abgewandten Stirnseite derselben eine gemeinsame Optikscheibe zugeordnet, wobei die Optikscheibe die Auskoppelfläche der Aufweitungsoptikeinheit aufweist. Vorteilhaft verbessert sich die optische Güte und die Homogenität der Lichtverteilung durch das Vorsehen der gemeinsamen, die einzelnen Optikelemente stirnseitig überdeckenden Optikscheibe. Zudem verleiht die Optikscheibe der Aufweitungsoptikeinheit mechanische Stabilität.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist im Bereich der den Lichtquellen zugewandten Stirnseite der Optikelemente (Einkoppelfläche) eine Linsenfläche ausgeformt. Vorteilhaft verbessert sich der optische Wirkungsgrad der Gesamtanordnung durch das Vorsehen der Linsenfläche im Bereich der Lichteinkoppelfläche.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Lichtformungsoptikeinheit eine Linse oder eine Linsenanordnung mit wenigstens zwei Linsen zur Formung einer Lichtverteilung auf. Die Auskoppelfläche der Aufweitungsoptikeinheit ist in der Brennebene der Linse oder der Linsenanordnung vorgesehen. Vorteilhaft verbessert sich der optische Wirkungsgrad der Vorrichtung weiter durch das Anordnen der Auskoppelfläche in der Brennebene der Lichtformungsoptikeinheit.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung in einer Seitenansicht,
2 eine perspektivische Ansicht einer Aufweitungsoptikeinheit in einer ersten Ausführungsform,
3 eine Seitenansicht der Aufweitungsoptikeinheit nach 2,
4 eine perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Aufweitungsoptikeinheit,
5 eine Seitenansicht der Aufweitungsoptikeinheit nach 4 und
6 eine Rückansicht (Einkoppelfläche) der Aufweitungsoptikeinheit in einer dritten Ausführungsform.
Eine Beleuchtungsvorrichtung nach 1 weist eine Mehrzahl von Lichtquellen 1, eine den Lichtquellen 1 in einer Hauptabstrahlrichtung 2 der Beleuchtungsvorrichtung vorgelagerte Lichtformungsoptikeinheit 3 sowie eine zwischen der Lichtformungsoptikeinheit 3 und den Lichtquellen 1 angeordneten Aufweitungsoptikeinheit 4 auf. Die Beleuchtungsvorrichtung dient beispielsweise als ein Scheinwerfer für Fahrzeuge. Insbesondere kann sie zur Bildung eines adressierbaren Fernlichts, eines dynamischen Kurvenlichts oder einer anderen variablen Lichtverteilung verwendet werden.
Die Lichtquellen 1 sind in einer Lichterzeugungsebene 5 matrixartig angeordnet. Beispielsweise sind dreißig Lichtquellen 1 in drei Spalten angeordnet. Es können auch achtzig oder mehr Lichtquellen 1 in der Lichterzeugungsebene 5 angeordnet sein. Als Lichtquellen 1 können insbesondere Leuchtdioden vorgesehen sein.
Die Lichtquellen 1 sind bevorzugt auf einem gemeinsamen Schaltungsträger vorgesehen. Zum Abführen von Wärme wirken die Leuchtdioden 1 thermisch leitend mit einem Kühlkörper 6 zusammen. Der Kühlkörper 6 kann zugleich als Schaltungsträger fungieren.
Die Lichtformungsoptikeinheit 3 ist exemplarisch als eine Zweilinsenanordnung ausgebildet. Hierbei sind in Hauptabstrahlrichtung 2 der Beleuchtungsvorrichtung eine erste Linse 7 und eine zweite Linse 8 hintereinander positioniert. Die Lichtformungsoptikeinheit 3 dient zur Formung der geforderten Lichtverteilung (Fernlicht, Abblendlicht, Kurvenlicht oder dergleichen). Statt der Zweilinsenanordnung kann eine Anordnung mit nur einer Linse oder eine Anordnung aus Primäroptik (Lichtleiter) und Linse vorgesehen sein. Selbstverständlich können mehr als zwei Linsen zur Bildung der Lichtformungsoptikeinheit 3 vorgesehen sein.
Die Aufweitungsoptikeinheit 4 kann beispielsweise wie in den 2 und 3 dargestellt durch eine Mehrzahl von matrixartig angeordneten Optikelementen 9 und den Optikelementen 9 in die Hauptabstrahlrichtung 2 jeweils vorgelagerten Optikscheiben 10 gebildet sein. Die Optikelemente 9 sind quaderförmig als Lichtleitstäbe 9 gebildet. Sie besitzen einen rechteckigen Querschnitt und weisen auf einer den Optikscheiben 10 abgewandten Stirnseite eine den nicht dargestellten Lichtquellen 1 zugewandte Einkoppelfläche 11 auf. Je ein Optikelement 9 ist hierbei mit der Einkoppelfläche 11 genau einer Lichtquelle 1 zugeordnet. Die Optikscheiben 10 sind plan (eben) ausgebildet. Sie liegen unmittelbar an den Optikelementen 9 an und definieren ihrerseits eine Auskoppelfläche 12, welche der Lichtformungsoptikeinheit 3 zugewandt ist.
Seitenflächen 13 der Optikelemente 9 sind senkrecht zu der Lichterzeugungsebene 5 orientiert. Jeweils zwei einander gegenüberliegende Seitenflächen 13 der Optikelemente 9 sind zueinander parallel angeordnet. Benachbarte Optikelemente 9 weisen zueinander einen geringen seitlichen Abstand 14 auf. Der seitliche Abstand 14 beträgt zwischen 0,06 mm und 0,5 mm. Je geringer der seitliche Abstand 14 der Optikelemente 9 gewählt ist, desto homogener ist die im Bereich der Auskoppelfläche 12 gebildete Lichtverteilung. Mit abnehmenden seitlichen Abstand 14 der Lichtelemente 9 reduzieren sich die durch die Freiräume zwischen den Optikelementen 9 hervorgerufenen netz- bzw. gitterartigen Lichtflecken (Lichtlücken), welche als störend wahrgenommen werden und die Homogenitäten der Lichtverteilung stören.
Senkrecht zur Lichterzeugungsebene 5 der Lichtquellen 1 weisen die Optikelemente 9 eine Erstreckung 15 von 0,5 mm bis 5 mm auf. Bevorzugt ist eine Erstreckung 15 von ca. 3 mm. Eine geringe Erstreckung 15 erlaubt eine besonders kompakte Bauform der Beleuchtungsvorrichtung. Demgegenüber verbessert sich die Homogenität der Lichtverteilung in der Auskoppelfläche 12 mit zunehmender Erstreckung 15 der Optikelemente 9. Die Seitenflächen 13 der Optikelemente 9 dienen hierbei als Totalreflexionsflächen für die von den Lichtquellen 1 ausgestrahlten und in die Optikelemente 9 eingekoppelten Teillichtbündel.
Zur Realisierung vorteilhafter lichttechnischer Eigenschaften ist die Auskoppelfläche 12 der Aufweitungsoptikeinheit 4 in einer Brennebene der Verformungsoptikeinheit 3 angeordnet.
Nach einer zweiten Ausführungsform der Auskoppeloptikeinheit 4 gemäß der 4 und 5 ist den quaderförmigen Optikelementen 9 eine durchgehende gemeinsame Optikscheibe 10 zugeordnet. Die Optikscheibe 10 trägt auch hier die Auskoppelfläche 12. Durch das Vorsehen der gemeinsamen Optikscheibe 10 verbessert sich die mechanische Stabilität der Aufweitungsoptikeinheit 4.
Beispielsweise können die Optikscheibe 10 sowie die Optikelemente 9 aus einem Glaswerkstoff hergestellt sein und mit Hilfe eines brechungsindexangepassten Optikklebers verbunden werden. Alternativ können die Optikelemente 9 und die Optikscheiben 10 aus einem transparenten Kunststoff gefertigt werden.
Nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß 6 ist im Bereich der Einkoppelfläche 11 der Optikelemente 9 eine Linsenfläche 16 ausgebildet. Die Linsenfläche 16 kann beispielsweise bezüglich einer geometrischen Mitte der Stirnfläche der Optikelemente 9 muldenförmig als Ausnehmung und/oder symmetrisch ausgebildet sein. Durch das Vorsehen der Linsenfläche 16 erhöht sich der optische Wirkungsgrad der Anordnung. Die von den Lichtquellen 1 abgestrahlten Teillichtbündel werden besonders effektiv in die jeweils zugeordneten Optikelemente 9 eingekoppelt.
Bezugszeichenliste

1: Lichtquellen
2: Hauptabstrahlrichtung
3: Lichtformungsoptikeinheit
4: Aufweitungsoptikeinheit
5: Lichterzeugungsebene
6: Kühlkörper
7: Linse
8: Linse
9: Optikelement / Lichtleitstab
10: Optikscheibe
11: Einkoppelfläche
12: Auskoppelfläche
13: Seitenfläche
14: seitlicher Abstand
15: Erstreckung
16: Linsenfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008005488 A1 [0003]
DE 102008013603 A1 [0004]
DE 102008044967 A1 [0004]
DE 102009053581 B3 [0004]

Claims

Beleuchtungsvorrichtung für Fahrzeuge mit einer Mehrzahl von in einer Lichterzeugungsebene matrixartig angeordneten Lichtquellen, mit einer in einer Hauptabstrahlrichtung der Lichtquellen gesehen vor denselben angeordneten Lichtformungsoptikeinheit und mit einer zwischen der Lichtformungsoptikeinheit und den Lichtquellen angeordneten weiteren Optikeinheit, die eine Mehrzahl von Optikelementen aufweist, wobei die Optikelemente matrixartig angeordnet sind und je ein Optikelement mit einer Stirnseite desselben einer Lichtquelle zugeordnet ist und wobei die weitere Optikeinheit im Bereich der Stirnseiten der Optikelemente den Lichtquellen zugeordnete Einkoppelflächen und wenigstens eine der Lichtformungsoptikeinheit zugewandte Auskoppelfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Optikeinheit als eine Aufweitungsoptikeinheit (4) zum Aufweiten der von den Lichtquellen (1) ausgesandten Teillichtbündel ausgebildet ist mit Lichtleitstäben (9) als Optikelemente (9), wobei die Lichtleitstäbe (9) senkrecht in Bezug zu der Lichterzeugungsebene (2) der Lichtquellen (1) orientierte Seitenflächen (13) als Totalreflexionsflächen aufweisen.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitstäbe (9) eine gleiche Querschnittsgeometrie aufweisen, wobei die Querschnittsgeometrie als ein Vieleck derart ausgebildet ist, dass eine ebene Fläche mittels der Vielecke vollständig und lückenlos auslegbar ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, das die Lichtleitstäbe (9) einen rechteckigen Querschnitt aufweisen mit paarweise zueinander parallelen Seitenflächen (13).
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass den Lichtleitstäben (9) auf einer den Lichtquellen (1) abgewandten Stirnseite derselben eine gemeinsame Optikscheibe (10) zugeordnet ist, wobei die Optikscheibe (10) die Auskoppelfläche (12) der Aufweitungsoptikeinheit (4) trägt.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Optikscheibe (10) mittels eines brechungsindexangepassten Optikklebers mit den Lichtleitstäben (9) verbunden ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtformungsoptikeinheit (3) eine Linse oder eine Linsenanordnung (7, 8) zur Formung einer Lichtverteilung aufweist, wobei die Auskoppelfläche (12) der Aufweitungsoptikeinheit (4) in einer Brennebene der Linse oder der Linsenanordnung (7, 8) vorgesehen ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Einkoppelfläche (11) der Lichtleitstäbe (9) eine Linsenfläche (16) ausgeformt ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitstäbe (9) einen konstanten seitlichen Abstand (14) zueinander aufweisen.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der seitliche Abstand (14) benachbarter Lichtleitstäbe (9) zwischen 0,06 mm und 0,5 mm und/oder eine Erstreckung (15) der Optikelemente (9) senkrecht zur Lichterzeugungsebene (2) 0,5 mm bis 5 mm beträgt.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitstäbe (9) und/oder die Optikscheibe (10) aus einem Glaswerkstoff gebildet sind.