DE102011054233A1

DE102011054233A1 - Transformationsoptikanordnung

Info

Publication number: DE102011054233A1
Application number: DE102011054233A
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: CN103032815B; US20130208493A1; CN103032815A; US8801249B2; DE102011054233B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Transformationsoptikanordnung für Fahrzeuge zum Umsetzen einer ebenen Lichtverteilung in eine Winkellichtverteilung mit einer Mehrzahl von in einer Ebene matrixartig angeordneten Lichtquellen zum Erzeugen der ebenen Lichtverteilung und mit einer in Hauptabstrahlrichtung der Lichtquellen vor denselben angeordneten Optikeinheit zum Umlenken des Lichts, wobei die Optikeinheit wenigstens eine erste Linse aufweist, wobei zwischen der ersten Linse und den Lichtquellen wenigstens eine weitere Linse vorgesehen ist, die in Bezug auf eine sich in der Hauptabstrahlrichtung des Lichts erstreckenden z-Achse koaxial und beabstandet zu der ersten Linse angeordnet ist, und dass die erste Linse und die wenigstens eine weitere Linse jeweils asphärisch geformte Einkoppelflächen und Auskoppelflächen als Flachseiten aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Transformationsoptikanordnung für Fahrzeuge zum Umsetzen einer ebenen Lichtverteilung in eine Winkellichtverteilung mit einer Mehrzahl von in einer Ebene matrixartig angeordneten Lichtquellen zum Erzeugen der ebenen Lichtverteilung und mit einer in Hauptabstrahlrichtung der Lichtquellen vor denselben angeordneten Optikeinheit zum Umlenken des Lichts, wobei die Optikeinheit wenigstens eine erste Linse aufweist.
Zur Realisierung einer dynamischen Lichtverteilung, insbesondere eines adressierbaren Fernlichts für Fahrzeuge mittels eines vorzugsweise in LED-Technik realisierten Matrixscheinwerfers ist eine gezielte und präzise Beaufschlagung der genutzten bzw. der entwendeten Winkelbereiche notwendig. Bekannt ist beispielsweise die Forderung nach einer Kanaltrennung von 1°. Hierfür ist eine hochpräzise Transformationsoptik erforderlich, die eine Leuchtdichteverteilung in einer Bezugsebene (ebene Lichtverteilung) in eine Winkellichtverteilung umsetzt. Diese Umsetzung muss eine hohe Güte für das gesamte Lichtquellen-Matrixfeld aufweisen, so dass insbesondere für Lichtquellen-Matrixfelder großer Abmessung (beispielsweise 60 mm +/–20 mm) bis heute keine Lösungen bekannt sind. Dies gilt insbesondere, wenn zusätzlich die genannten hohen Anforderungen an die Kanaltrennung die Einhaltung restriktiver Baulängenbedingungen zu berücksichtigen sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist demzufolge, eine Transformationsoptikanordnung anzugeben, welche die vorstehend beschriebenen Anforderungen erfüllt.
Zur Lösung der Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Linse und den Lichtquellen wenigstens eine weitere Linse vorgesehen ist, die in Bezug auf eine sich in der Hauptabstrahlrichtung des Lichts erstreckenden z-Achse koaxial und beabstandet zu der ersten Linse angeordnet ist, und dass die erste Linse und die wenigstens eine weitere Linse jeweils asphärisch geformte Einkoppelflächen und Auskoppelflächen als Flachseiten aufweisen.
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mithilfe von zwei Linsen, welche jeweils asphärisch geformte Einkoppel- und Auskoppelflächen aufweisen, die genannten Anforderung hinsichtlich der Kanaltrennung (1°) für ein bis zu 60 mm großes Arrayfeld von Lichtquellen bei einer Baulänge der Transformationsoptikanordnung von bis zu 120 mm erreicht wird. Diese Transformationsoptikanordnung setzt hierbei die ebene Lichtverteilung präzise in eine Winkellichtverteilung um.
Insbesondere kann die erste Linse eine in Hauptabstrahlrichtung gesehen vordere Flachseite (Auskoppelfläche) und eine der wenigstens einen weiteren Linse zugewandte hintere Flachseite (Einkoppelfläche) aufweisen, wobei die Geometrie der Flachseiten durch Asphärenzüge bestimmt sind, die der Formel
entsprechen. Hierbei ist z die z-Koordinate auf der jeweiligen Flachseite, r der Lateralabstand des Punkts auf der Flachseite (Einkoppelfläche, Auskoppelfläche) von der z-Achse, c die Scheitelkrümmung der Flachseite, d. h. der Kehrwert des Linsenkrümmungsradius R, K die konische Konstante und α_2k Koeffizienten der 2k-ten Ordnung einer Polynomentwicklung. Die Parameter nehmen bevorzugt folgende Werte an:

R K α₂₁ α₂₂ α₂₃ α₂₄

209.256 mm 0 –1.958E-3 –6.843E-7 1.360E-10 –8.581E-15
Zulässige Abweichungen (Toleranzen) für die Auskoppelfläche liegen in folgenden Bereichen:

R K Δα₂₁ Δα₂₂ Δα₂₃ Δα₂₄

500 mm ... –100 mm 0 +/–1E-3 +/–2E-7 +/–4E-10 +/–9E-15
Bezüglich der Einkoppelfläche der ersten Linse nehmen die Parameter bevorzugt folgende Werte an:

R K α₂₁ α₂₂ α₂₃ α₂₄

–76.860 mm 0 –2.882E-3 –2.853E-7 1.628E-11 –2.017E-14
Zulässige Abweichungen für die Einkoppelfläche ergeben sich gemäß nachfolgender Tabelle:

R K Δα₂₁ Δα₂₂ Δα₂₃ Δα₂₄

–200 mm ... –50 mm 0 +/–1E-3 +/–2E-7 +/–4E-11 +/–9E-14
In analoger Weise bestimmen sich nach vorstehend genannter Formel auch die Asphärenzüge für die Einkoppelfläche und Auskoppelfläche einer zweiten und einzigen weiteren Linse. Die Parameter für die Auskoppelfläche ergeben sich bevorzugt zu:

R K α₂₁ α₂₂ α₂₃ α₂₄

unendlich 0 –5.627E-3 7.439E-7 –4.138E-10 6.202E-12
Zulässige Abweichungen für die Auskoppelfläche der zweiten Linse sind durch die folgende Tabelle definiert:

R K Δα₂₁ Δα₂₂ Δα₂₃ Δα₂₄

unendlich ... +500 mm 0 +/–1E-3 +/–3E-7 +/–5E-10 +/–8E-12
Die Einkoppelfläche der zweiten Linse ist bevorzugt durch folgende Parameter beschrieben:

R K α₂₁ α₂₂ α₂₃ α₂₄

–184.093 mm 0 –1.392E-3 3.669E-6 1.211E-8 –5.032E-12
Zulässige Abweichungen ergeben sich wie folgt:

R K Δα₂₁ Δα₂₂ Δα₂₃ Δα₂₄

–100 mm ... –400 mm 0 +/–1E-3 +/–3E-6 +/–5E-8 +/–8E-12
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind wenigstens 30 Lichtquellen vorgesehen zur Erzeugung der ebenen Lichtverteilung. Die Lichtquellen sind in zwei, drei oder vier Zeilen angeordnet. Vorteilhaft kann durch das Vorsehen von 30 Lichtquellen oder mehr eine Vielzahl unterschiedlicher Entblendungen in der Fernlichtfunktion realisiert werden. Es entsteht hierdurch eine hochdynamische Lichtfunktion, die an individuelle Verkehrssituationen angepasst werden kann. Aufgrund der präzisen Kanaltrennung können entblendete Winkelbereiche konturscharf gebildet werden. Beispielsweise können 80 und mehr Lichtquellen in drei Zeilen matrixartig angeordnet werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Transformationsoptikanordnung in einer Seitenansicht,
2 eine Strahlengangdarstellung für zwei ausgewählte Lichtpunkte der ebenen Lichtverteilung zur Darstellung der prinzipiellen Funktionsweise der Transformationsoptikanordnung nach 1,
3 die Transformationsoptikanordnung nach 1 mit Visualisierung des Strahlengangs für ausgewählte Lichtpunkte und
4 eine Darstellung der Kanaltrennung für ausgewählte Lichtquellen einer Matrixanordnung von Lichtquellen unter Verwendung der Transformationsoptikanordnung nach 1.
Eine Transformationsoptikanordnung für Fahrzeuge nach 1 besteht im Wesentlichen aus einer in Hauptabstrahlrichtung 1 gesehen vorderen ersten Linse 2 und einer zwischen der ersten Linse 2 und nicht dargestellten Lichtquellen angeordneten zweiten Linse 3. Die nicht dargestellten Lichtquellen stellen eine ebene Lichtverteilung bereit, welche durch die Bezugsebene 4 schematisch abgebildet wird. Die erste Linse 2 und die zweite Linse 3 sowie die Ebene 4 sind koaxial zu einer in Hauptabstrahlrichtung 1 erstreckten z-Achse 5 der Transformationsoptikanordnung orientiert.
Die erste Linse 2 und die zweite Linse 3 sind bevorzugt rotationssymmetrisch bezüglich der z-Achse 5 ausgebildet. Die Ebene 4 wird beispielsweise durch eine Lichtquellenmatrixanordnung realisiert, welche 30 oder mehr Lichtquellen in bevorzugt drei Zeilen aufweist.
Die erste Linse 2 weist eine in Hauptabstrahlrichtung 1 vordere Auskoppelfläche 6 und eine der zweiten Linse 3 zugewandte Einkoppelfläche 7 auf. Die Auskoppelfläche 6 und Einkoppelfläche 7 sind als Flachseiten der ersten Linse 2 ausgebildet. Die zweite Linse 3 weist eine der Ebene 4 zugewandte Einkoppelfläche 8 und eine der ersten Linse 2 zugewandte Auskoppelfläche 9 auf. Die Einkoppelfläche 8 und die Auskoppelfläche 9 der zweiten Linse 3 sind ebenfalls als Flachseiten der zweiten Linse 3 ausgebildet.
Die Auskoppelfläche 6 der ersten Linse 2 ist konvex gekrümmt ausgebildet. Die Einkoppelfläche 7 der ersten Linse 2 sowie die beiden Flachseiten 8, 9 der zweiten Linse 3 sind jeweils konkav gekrümmt ausgebildet.
Die erste Linse 2 und die zweite Linse 3 weisen einen Abstand 10 von 35 bis 50 mm, bevorzugt von 43 mm auf. Die erste Linse 2 weist eine Dicke 11 von 50 bis 60 mm, bevorzugt 56 mm auf und ist aus N-BK10 gebildet. Die zweite Linse 3 weist eine Dicke 12 von 15 bis 25 mm, bevorzugt 20 mm auf. Sie ist ebenfalls aus N-BK10 realisiert. Eine Baulänge 13 der Transformationsoptikanordnung beträgt bevorzugt 120 mm. Eine Brennweite der Transformationsoptikanordnung ist mit bevorzugt 105 mm realisiert. Die Querabmessung 18 der Bezugsebene 4 beträgt beispielsweise 60 mm.
Zur Visualisierung der Funktion der Transformationsoptikanordnung ist der Strahlengang für zwei ausgewählte Punkte 14, 15 der Bezugsebene 4 sowie als Prinzipdarstellung die Einkoppelfläche 8 der zweiten Linse 3 und die Auskoppelfläche 6 der ersten Linse 2 dargestellt. Der erste Punkt 14 der Ebene 4 liegt auf der z-Achse 5 der Transformationsoptikanordnung. Das von dem ersten Punkt 14 kegelförmig abgestrahlte Teillichtbündel wird von der Transformationsoptikanordnung linearisiert und parallel und koaxial zur Hauptabstrahlrichtung 1 abgesandt.
Von dem zweiten Punkt 15 ausgehende Licht wird ebenfalls kegelförmig abgestrahlt, wobei der Kegel symmetrisch zu einer den zweiten Punkt 15 und eine optische Mitte 16 der Transformationsoptikanordnung verbindenden Geraden 19 ausgebildet ist. Die Transformationsoptikanordnung parallelisiert das von dem zweiten Punkt 15 abgestrahlte Licht und sendet dies unter einem Winkel 17 zur z-Achse als paralleles Teillichtbündel aus.
Insofern stellt die Transformationsoptikanordnung für jeden beliebigen Punkt 14, 15 der Ebene 4 ein zumindest ansichtsweise paralleles Teillichtbündel bereit, welches unter einem korrespondierenden Winkel bereitgestellt wird.
3 zeigt für insgesamt sechs Punkte der Ebene 4 den Strahlengang und die hierdurch erzeugte Lichtverteilung.
Die Flachseiten 6, 7 der ersten Linse 2 und die Flachseiten 8, 9 der zweiten Linse 3 sind asphärisch ausgebildet. Die Geometrie der Flachseiten 6, 7, 8, 9 wird durch Asphärenzüge bestimmt, die der Formel
genügen. Hierbei ist z die z-Koordinate auf der Flachseite 6, 7, 8, 9, r der Lateralabstand eines Punktes auf der Flachseite 6, 7, 8, 9 von der z-Achse 5, c die Scheitelkrümmung der Flachseite 6, 7, 8, 9, d. h. der Kehrwert des Linsenkrümmungsradius R, K die konische Konstante und α_2k Koeffizienten der 2k-ten Ordnung einer Polynomentwicklung zur Darstellung des Asphärenzugs. Die für das Ausführungsbeispiel nach den 1 und 3 gebildeten Asphärenzüge sind durch die bevorzugten Parameter in den Wertetabellen definiert.
Für ausgewählte Lichtquellen eines auf LED-Basis realisierten Matrix-Fahrzeugscheinwerfers ist die bereitgestellte Lichtverteilung in 4 dargestellt. Hierbei ist eine Mehrzahl von Lichtquellen in insgesamt drei Zeilen regelmäßig angeordnet. Es zeigt sich, dass für die dargestellten Lichtquellen bis zu einem Bereich von ca. 12° horizontal eine Kanaltrennung von 1° sauber realisiert werden kann. In 4 sind die Lichtverteilungen lediglich für ausgewählte Lichtquellen dargestellt. Die Matrixanordnung ist beispielsweise symmetrisch bezüglich der horizontalen und vertikalen 0°-Achse ausgebildet. Zwischen den dargestellten Lichtverteilungen sind weitere, in der Visualisierung ausgeblendete Lichtverteilungen durch zusätzliche in der Simulation ausgeblendete LED realisiert.
Bezugszeichenliste

1: Hauptabstrahlrichtung
2: erste Linse
3: zweite Linse
4: Bezugsebene
5: z-Achse
6: Auskoppelfläche
7: Einkoppelfläche
8: Einkoppelfläche
9: Auskoppelfläche
10: Abstand
11: Dicke
12: Dicke
13: Baulänge
14: Punkt
15: Punkt
16: optische Mitte
17: Winkel
18: Querabmessung
19: Gerade

Claims

Transformationsoptikanordnung für Fahrzeuge zum Umsetzen einer ebenen Lichtverteilung in eine Winkellichtverteilung mit einer Mehrzahl von in einer Ebene matrixartig angeordneten Lichtquellen zum Erzeugen der ebenen Lichtverteilung und mit einer in Hauptabstrahlrichtung der Lichtquellen vor denselben angeordneten Optikeinheit zum Umlenken des Lichts, wobei die Optikeinheit wenigstens eine erste Linse aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Linse (2) und den Lichtquellen wenigstens eine weitere Linse (3) vorgesehen ist, die in Bezug auf eine sich in der Hauptabstrahlrichtung (1) des Lichts erstreckenden z-Achse (5) koaxial und beabstandet zu der ersten Linse (2) angeordnet ist, und dass die erste Linse (2) und die wenigstens eine weitere Linse jeweils asphärisch geformte Einkoppelflächen (7, 8) und Auskoppelflächen (6, 9) als Flachseiten aufweisen.
Transformationsoptikanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Linse eine (2, 3) konkav geformte Flachseite (6, 7, 8, 9) und eine andere Linse (2, 3) zwei konkav geformte Flachseiten (6, 7, 8, 9) aufweisen.
Transformationsoptikanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Linse (2) eine in Hauptabstrahlrichtung (1) gesehen vordere Flachseite (Auskoppelfläche 6) und eine der wenigstens einen weiteren Linse zugewandte hintere Flachseite (Einkoppelfläche 7) aufweist, wobei die Geometrie der Flachseiten (Auskoppelfläche 6, Einkoppelfläche 7) durch Asphärenzüge bestimmt sind, die nach der Formel
bestimmt sind, wobei z die z-Koordinate auf der Flachseite (6, 7), r der Lateralabstand eines Punkts auf der Flachseite (Einkoppelfläche 7, Auskoppelfläche 6) von der z-Achse, c die Scheitelkrümmung der Flachseite (6, 7), d. h. der Kehrwert des Linsenkrümmungsradius R, K die konische Konstante und α_2k Koeffizienten der 2k-ten Ordnung einer Polynomentwicklung sind, und wobei – für die Einkoppelfläche (7) die genannten Parameter folgende Werte annehmen: R = unendlich bis +500 mm, bevorzugt unendlich K = 0 α₂₁ = –2,882E-3 +/– 1E-3 α₂₂ = –2,853E-7 +/– 2E-7 α₂₃ = 1,628E-11 +/– 4E-11 α₂₄ = –2,017E-14 +/– 9E-14, – für die Auskoppelflächen (6) die genannten Parameter folgende Werte annehmen: R = –100 mm bis –400 mm, bevorzugt –184 mm K = 0 α₂₁ = –1,958E-3 +/– 1E-3 α₂₂ = –6,843E-7 +/– 2E-7 α₂₃ = 1,36E-10 +/– 4E-10 α₂₄ = –8,581E-15 +/– 9E-15.
Transformationsoptikanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine zwischen der ersten Linse (2) und den Lichtquellen angeordnete zweite Linse (3) eine den Lichtquellen zugewandte hintere Flachseite (Einkoppelfläche 8) und eine den Lichtquellen abgewandte vordere Flachseite (Auskoppelfläche 9) aufweist, wobei die Geometrie der Flachseiten (Einkoppelfläche 8, Auskoppelfläche 9) durch Asphärenzüge bestimmt ist, die nach der Formel
bestimmt sind, wobei z die z-Koordinate auf der jeweiligen Flachseite (8, 9), r der Lateralabstand des Punkts auf der Flachseite (8, 9) von der z-Achse (5), c die Scheitelkrümmung der Flachseite (8, 9), d. h. der Kehrwert des Linsenkrümmungsradius R, K die konische Konstante und α_2k Koeffizienten der 2k-ten Ordnung einer Polynomentwicklung sind, und wobei – für die Einkoppelfläche (8) die genannten Parameter folgende Werte annehmen: R = +500 mm bis –100 mm, bevorzugt +209 mm K = 0 α₂₁ = –1,392E-3 +/– 1E-3 α₂₂ = 3,669E-6 +/– 3E-6 α₂₃ = 1,211E-8 +/– 5E-8 α₂₄ = –5.032E-12 +/– 8E-12, – für die Auskoppelflächen (9) die genannten Parameter folgende Werte annehmen: R = –200 mm bis –50 mm, bevorzugt –77 mm K = 0 α₂₁ = 5,627E-3 +/– 1E-3 α₂₂ = 7,439E-7 +/– 3E-7 α₂₃ = 4,138E-10 +/– 5E-10 α₂₄ = 6,202E-12 +/– 8E-12.
Transformationsoptikanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis zwischen einer in Richtung der z-Achse (r) bestimmten Längsabmessung (Baulänge 13) der Transformationsoptikanordnung und einer maximalen Querabmessung (18) der ebenen Lichtverteilung zwischen 1 und 3, bevorzugt zwischen 1,5 und 2,5 und besonders bevorzugt zwischen 1,8 und 2,2 liegt.
Transformationsoptikanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis zwischen der Längsabmessung (Baulänge 13) der Transformationsoptikanordnung und einer Brennweite der Optikeinheit zwischen 1,05 und 1,25, bevorzugt zwischen 1,1 und 1,2 und besonders bevorzugt zwischen 1,14 und 1,15 beträgt.
Transformationsoptikanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die in Hauptabstrahlrichtung (1) vordere Flachseite (Auskoppelfläche 6) der ersten Linse (2) konvex gekrümmt ausgebildet ist.
Transformationsoptikanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens 30 Lichtquellen vorgesehen sind zur Erzeugung der ebenen Lichtverteilung, wobei die Lichtquellen in zwei, drei oder vier Zeilen angeordnet sind.
Transformationsoptikanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Linse (2) und/oder die zweite Linse (3) rotationssymmetrisch bezüglich einer optischen Achse (z-Achse 5) ausgebildete optische Flachseiten (6, 7, 8, 9) aufweisen und/oder dass ein Abstand zwischen der ersten Linse (2) und der zweiten Linse (3) zwischen 35 und 50 mm, bevorzugt 43 mm beträgt und/oder dass eine Dicke (12) der zweiten Linse (3) 15 bis 25 mm, bevorzugt 20 mm beträgt und/oder eine Dicke (11) der großen Linse 50 bis 60 mm, bevorzugt 56 mm beträgt.
Verwendung einer Transformationsoptikanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in einem Linsenmatrixscheinwerfer für Fahrzeuge mit Leuchtdioden als Lichtquellen.