DE102012008833A1

DE102012008833A1 - Beleuchtungsanordnung und Fahrzeugscheinwerfer

Info

Publication number: DE102012008833A1
Application number: DE102012008833A
Authority: DE
Inventors: Jörg Moisel
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2012-04-28
Filing date: 2012-04-28
Publication date: 2012-11-15
Anticipated expiration: 2032-04-29
Also published as: DE102012008833B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsanordnung (2) für einen Scheinwerfer, umfassend eine Anzahl von Leuchtdioden (1.1 bis 1.n), welche gruppenweise in einer Anzahl von Leuchtdiodenfeldern (1) zusammengefasst sind, und umfassend eine Abbildungsoptik (5) mit mehreren ersten Abbildungselementen (5.1 bis 5.4), wobei die ersten Abbildungselemente (5.1 bis 5.4) derart angeordnet oder ausgebildet sind, dass diese jeweils eine Höhe oder Breite eines mittels eines Leuchtdiodenfeldes (1) erzeugten Lichtbündels (LBges) strecken oder stauchen. Erfindungsgemäß ist jeweils zumindest ein erstes Abbildungselement (5.1 bis 5.4) zumindest einem Leuchtdiodenfeld (1) zugeordnet. Die ersten Abbildungselemente (5.1 bis 5.4) sind derart angeordnet, dass deren optische Achsen (X) paarweise einen Öffnungswinkel (α) bilden, welcher sich aus einer Divergenz der Lichtbündel (LBges) zweier unmittelbar benachbarter Leuchtdiodenfelder (1) ergibt oder die Leuchtdiodenfelder (1) sind versetzt zur optischen Achse (X) des jeweils zugeordneten ersten Abbildungselements (5.1 bis 5.4) angeordnet. Die Anordnung der ersten Abbildungselemente (5.1 bis 5.4) und der Leuchtdiodenfelder (1) ist dabei derart ausgebildet, dass eine Grenze eines Lichtbündels (LBges) eines Leuchtdiodenfeldes (1) unmittelbar an einer Grenze eines Lichtbündels (LBges) eines unmittelbar benachbart angeordneten Leuchtdiodenfeldes (1) liegt. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Scheinwerfer, umfassend eine solche Beleuchtungsanordnung (2).

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsanordnung für einen Scheinwerfer, umfassend eine Anzahl von Leuchtdioden, welche gruppenweise in einer Anzahl von Leuchtdiodenfeldern zusammengefasst sind, und umfassend eine Abbildungsoptik mit mehreren ersten Abbildungselementen, wobei die ersten Abbildungselemente derart angeordnet oder ausgebildet sind, dass diese jeweils eine Höhe oder Breite eines mittels eines Leuchtdiodenfeldes erzeugten Lichtbündels strecken oder stauchen.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Scheinwerfer, umfassend eine solche Beleuchtungsanordnung.
Aus dem Stand der Technik sind allgemein Scheinwerfer bekannt, welche als Lichtquellen 20 bis 100 Leuchtdioden nutzen. Bei den Scheinwerfern wird eine gewünschte Lichtverteilung durch Abbildung von in einem Leuchtdiodenfeld, auch als LED-Array bezeichnet, angeordneten Leuchtdioden-Pixeln mittels einer Projektionslinse erzeugt. Anhand einer Helligkeitsregelung jedes Leuchtdioden-Pixels wird eine Lichtverteilung modifiziert, um unterschiedliche Lichtfunktionen zu realisieren. Die Leuchtdioden eines LED-Arrays sind in einer freien Anordnung auf einer gemeinsamen Metallkernplatine angeordnet.
Aus der DE 10 2007 044 740 A1 ist ein Fahrzeugscheinwerfer mit einer Anzahl von Leuchtdioden bekannt, die einzeln und unabhängig voneinander ein- und ausschaltbar und/oder dimmbar und gruppenweise auf einer Anzahl von Leuchtdiodenfeldern angeordnet sind. Jedem Leuchtdiodenfeld ist mindestens ein optisches Element zugeordnet, das die Ausbreitungsrichtung und/oder den Öffnungswinkel und/oder die Form eines von dem zugehörigen Leuchtdiodenfeld erzeugten Lichtbündels beeinflusst.
Weiterhin ist aus der DE 10 2008 061 688 A1 eine Vorsatzoptik für eine Lichtquelle bekannt. Die Vorsatzoptik umfasst einen zentralen Linsenabschnitt mit einer der Lichtquelle zugewandten Lichteintrittsfläche und einer von der Lichtquelle abgewandten Lichtaustrittsfläche und einen den zentralen Linsenabschnitt umgebenden äußeren Reflexionsabschnitt mit mindestens einer der Lichtquelle zugewandten Lichteinkoppelfläche. Über die Lichteinkoppelfläche tritt von der Lichtquelle ausgesandtes Licht in den Reflexionsabschnitt ein. Der Reflexionsabschnitt umfasst weiterhin mindestens eine von der Lichtquelle abgewandte Lichtauskoppelfläche, über die eingekoppeltes Licht aus dem Reflexionsabschnitt austritt. Zwischen der mindestens einen Lichteinkoppelfläche und der mindestens einen Lichtauskoppelfläche sind Reflexionsflächen angeordnet, die in den Reflexionsabschnitt eingekoppeltes Licht reflektieren. Ferner weist die Vorsatzoptik in einer orthogonal zu einer optischen Achse der Vorsatzoptik angeordneten Ebene eine größere Längserstreckung als Quererstreckung auf. Die Lichteintrittsfläche des zentralen Linsenabschnitts weist die Form einer Sattelfläche auf, wobei die Sattelfläche in Längserstreckung konkav gekrümmt ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Beleuchtungsanordnung für einen Scheinwerfer und einen verbesserten Scheinwerfer mit einer solchen Beleuchtungsanordnung anzugeben.
Hinsichtlich der Beleuchtungsanordnung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich des Scheinwerfers durch die im Anspruch 10 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Beleuchtungsanordnung für einen Scheinwerfer umfasst eine Anzahl von Leuchtdioden, welche gruppenweise in einer Anzahl von Leuchtdiodenfeldern zusammengefasst sind. Weiterhin umfasst die Beleuchtungsanordnung eine Abbildungsoptik mit mehreren ersten Abbildungselementen, wobei die ersten Abbildungselemente derart angeordnet oder ausgebildet sind, dass diese jeweils eine Höhe oder Breite eines mittels eines Leuchtdiodenfeldes erzeugten Lichtbündels strecken oder stauchen.
Erfindungsgemäß ist jeweils zumindest ein erstes Abbildungselement zumindest einem Leuchtdiodenfeld zugeordnet und die ersten Abbildungselemente sind derart angeordnet, dass deren optische Achsen paarweise einen Öffnungswinkel bilden, welcher sich aus einer Divergenz der Lichtbündel zweier unmittelbar benachbarter Leuchtdiodenfelder ergibt oder die Leuchtdiodenfelder sind versetzt zur optischen Achse des jeweils zugeordneten ersten Abbildungselements angeordnet. Dabei ist die Anordnung der ersten Abbildungselemente und der Leuchtdiodenfelder derart ausgebildet, dass eine Grenze eines Lichtbündels eines Leuchtdiodenfeldes unmittelbar an einer Grenze eines Lichtbündels eines unmittelbar benachbart angeordneten Leuchtdiodenfeldes liegt.
Die erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung ermöglicht in besonders vorteilhafter Weise unter Beibehaltung einer Anzahl von Leuchtdiodenfeldern eine Vergrößerung einer Breite und/oder Höhe der zu erzeugenden Lichtverteilung oder unter Beibehaltung der Breite und/oder Höhe der Lichtverteilung eine Verringerung der Anzahl der Leuchtdiodenfelder. Dabei ist die Lichtverteilung lückenlos ausgebildet, so dass eine optimierte Ausleuchtung eines zu beleuchtenden Bereichs erzielbar ist. Weiterhin ermöglicht die erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung eine unverzerrte Abbildung in einem mittleren Bereich der Lichtverteilung. Die Vergrößerung der Lichtverteilung wird insbesondere durch eine Verbreiterung bzw. Verzerrung der äußeren Lichtbündel erreicht.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist zur Erreichung der genannten Vorteile jeweils zumindest ein erstes Abbildungselement zumindest einem Leuchtdiodenfeld zugeordnet und die ersten Abbildungselemente sind derart angeordnet, dass deren optische Achsen paarweise einen Öffnungswinkel bilden, welcher sich aus einer Divergenz der Lichtbündel zweier unmittelbar benachbarter Leuchtdiodenfelder ergibt und die Leuchtdiodenfelder sind versetzt zur optischen Achse des jeweils zugeordneten ersten Abbildungselements angeordnet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung umfasst die Abbildungsoptik zumindest ein zweites Abbildungselement.
Das zweite Abbildungselement ist insbesondere derart angeordnet oder ausgebildet, dass es die Höhe oder Breite zumindest eines aus zumindest einem ersten Abbildungselement austretenden Lichtbündel streckt oder staucht. Dieses ermöglicht eine weitere Verbesserung der erzeugten Lichtverteilung bezüglich einer Helligkeitsverteilung und der Lückenlosigkeit.
In einer Weiterbildung ist das zweite Abbildungselement derart ausgebildet, dass es die Höhe zumindest eines aus zumindest einem ersten Abbildungselement austretenden Lichtbündels streckt oder staucht, wenn das erste Abbildungselement die Breite des mittels des zumindest einen Leuchtdiodenfeldes erzeugten ursprünglichen Lichtbündels streckt oder staucht. Alternativ oder zusätzlich ist das zweite Abbildungselement derart ausgebildet, dass es die Breite zumindest eines aus zumindest einem ersten Abbildungselement austretenden Lichtbündel streckt oder staucht, wenn das erste Abbildungselement die Höhe des mittels des zumindest einen Leuchtdiodenfeldes erzeugten ursprünglichen Lichtbündels streckt oder staucht. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass eine gewünschte Lichtverteilung sehr exakt erzeugt werden kann. Weiterhin ergibt sich ein optischer Vorteil, wenn jeweils ein zweites Abbildungselement für mehrere Leuchtdiodenfelder und erste Abbildungselemente verwendet wird, de ein homogeneres Erscheinungsbild der Beleuchtungsanordnung erzielt wird.
Zur optischen Beeinflussung der Lichtbündel sind die ersten Abbildungselemente und/oder die zweiten Abbildungselemente jeweils als optische Zylinderlinse ausgebildet. Mittels einer derartigen Zylinderlinse ist in besonders effizienter Weise eine so genannte anamorphotische Abbildung unter Minimierung lichttechnischer Verluste realisierbar. Somit ist die Vergrößerung der Höhe und/oder Breite der Lichtbündel sehr effizient und mit geringem Aufwand realisierbar.
Alternativ sind die ersten Abbildungselemente und/oder zweiten Abbildungselemente jeweils als Hohlspiegel ausgebildet oder die ersten Abbildungselemente und/oder zweiten Abbildungselemente umfassen zusätzlich eine Anzahl erster Abbildungselemente bzw. zweiter Abbildungselemente, welche als Hohlspiegel ausgebildet sind. Auch die Hohlspiegel eignen sich in besonders vorteilhafter Weise zu einer effizienten Beeinflussung der Höhe und/oder Breite der Lichtbündel und somit zu einer exakten Erzeugung einer gewünschten Lichtverteilung.
Zur vereinfachten Ansteuerung der Leuchtdiodenfelder sowie zur Minimierung eines Bauraumbedarfs sind die Leuchtdiodenfelder gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung auf einem gemeinsamen Trägerelement angeordnet.
Zur effizienten Abführung einer mittels der Leuchtdioden erzeugten Abwärme ist das Trägerelement insbesondere als Kühlkörper ausgebildet. Somit ist keine zusätzliche Kühlanordnung innerhalb der Beleuchtungsanordnung erforderlich, woraus sich wiederum eine Reduzierung des Bauraumbedarfs sowie eine Verringerung eines Material- und Kostenaufwands ergeben.
Der erfindungsgemäße Scheinwerfer umfasst eine erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung oder Weiterbildungen dieser. Dadurch ergibt sich in besonders vorteilhafter Weise, dass mit geringem Aufwand eine Auflösung des Scheinwerfers erhöht werden kann. Insbesondere bei einer Verwendung des Scheinwerfers als Fahrzeugsscheinwerfer ist für den Fahrer des Fahrzeugs eine optimierte Umgebungsausleuchtung mit einer geringen Anzahl an Leuchtdiodenfeldern realisierbar.
In einer möglichen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung sind alternativ oder zusätzlich zu den Leuchtdioden Laserdioden vorgesehen, wobei die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Beleuchtungsanordnung und die Ausgestaltungen der Weiterbildungen der Beleuchtungsanordnung mit den Leuchtdioden analog auf eine Beleuchtungsanordnung mit Laserdioden übertragbar ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch ein Leuchtdiodenfeld und eine mittels einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung erzeugte Lichtverteilung,
2 schematisch ein Leuchtdiodenfeld mit einem zugeordneten Abbildungselement einer Beleuchtungsanordnung nach dem Stand der Technik,
3 schematisch zwei Leuchtdiodenfelder mit jeweils einem zugeordneten Abbildungselement gemäß 2,
4 schematisch das Grundprinzip einer anamorphotischen Abbildung,
5 schematisch eine Anordnung zur Erzeugung einer anamorphotischen Abbildung nach dem Stand der Technik,
6 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung,
7 schematisch eine versetzte Anordnung eines Leuchtdiodenfeldes zu einem zugehörigen Abbildungselement,
8A schematisch eine Lichtverteilung mit kissenförmiger Aberration,
8B schematisch eine Lichtverteilung ohne Aberration,
8C schematisch eine Lichtverteilung mit tonnenförmiger Aberration,
9 schematisch eine Kombination von zwei Lichtverteilungen mit kissenförmiger Aberration gemäß 8A zur einer gemeinsamen Lichtverteilung,
10 schematisch die Beleuchtungsanordnung gemäß 6 zur Erzeugung der gemeinsamen Lichtverteilung gemäß 9,
11 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung,
12 schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung,
13 schematisch ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung,
14 schematisch ein fünftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung,
15 schematisch ein sechstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung,
16 schematisch ein siebtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung,
17 schematisch ein achtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung,
18 schematisch eine mittels der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung erzeugte Lichtverteilung.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein Leuchtdiodenfeld 1 und eine mittels einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung 2 erzeugte Lichtverteilung L1. Ausführungsbeispiele der Beleuchtungsanordnung 2 sind in den 6 sowie 10 bis 17 dargestellt.
Das Leuchtdiodenfeld 1, auch als LED-Array bezeichnet, umfasst mehrere in Zeilen und Spalten angeordnete Leuchtdioden 1.1 bis 1.n, wobei ein Seitenverhältnis des Leuchtdiodenfeldes 1 1:1 beträgt. Die Leuchtdioden 1.1 bis 1.n bilden dabei quadratische Pixel des Leuchtdiodenfeldes 1. Leuchtdiodenfelder 1 mit derartigen Seitenverhältnissen sind zur Realisierung eines Scheinwerfers eines Fahrzeugs, welcher mehrere Leuchtdiodenfelder als Lichtquellen umfasst und eine hohe Auflösung und Helligkeit aufweist, aufgrund topologischer Gründe erforderlich. Derartige Leuchtdiodenfelder 1 erzeugen eine Lichtverteilung, welche ebenfalls ein Seitenverhältnis von 1:1 aufweist.
Ziel ist es jedoch, mittels des Leuchtdiodenfeldes 1 eine lückenlose Lichtverteilung L1 zu erzeugen, welche ein vom Leuchtdiodenfeld 1 abweichendes Seitenverhältnis aufweist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt das Seitenverhältnis, d. h. ein Höhen-/Breitenverhältnis der Lichtverteilung L1 ungefähr 1:5.
Eine Anordnung von fünf der dargestellten Leuchtdiodenfelder 1 nebeneinander würde zwar zu einer Lichtverteilung mit einem Seitenverhältnis von 1:5 führen, jedoch zeichnet sich diese Lichtverteilung durch Streifen mit geringerer Helligkeit aus, welche sich aus zwischen den Leuchtdiodenfeldern 1 vorhandenen, aus jeweils zugehörigen Gehäusen resultierenden Spalten ergeben.
Auch eine Anordnung von mehr als fünf der dargestellten Leuchtdiodenfelder 1 nebeneinander und einer Stauchung der Lichtverteilung in ihrer Breite würde zwar zu einer Lichtverteilung mit einem Seitenverhältnis von 1:5 führen, ist jedoch wirtschaftlich nicht sinnvoll.
Ferner ist die Anordnung von jeweils einer Linse in Lichtaustrittsrichtung nach dem jeweiligen Leuchtdiodenfeld 1 nicht geeignet, um eine lückenlose Lichtverteilung zu erzeugen.
Eine derartige Anordnung 3 für eine nicht gezeigte Beleuchtungsanordnung nach dem Stand der Technik ist in den 2 und 3 dargestellt.
Dabei ist jeweils einem Leuchtdiodenfeld 1 ein als Zylinderlinse ausgebildetes Abbildungselement 4.1, 4.2 zugeordnet, wobei die Leuchtdiodenfelder 1 jeweils symmetrisch zu einer optischen Achse X des zugehörigen Abbildungselements 4.1, 4.2 angeordnet ist. Die optische Achsen X der Abbildungselemente 4.1, 4.2 sind parallel zueinander angeordnet.
Wie die Darstellungen zeigen, wird eine lückenlose Lichtverteilung L2 mit einer vorgegebenen Helligkeitsverteilung ausschließlich in einer festen Entfernung zu den Abbildungselementen 4.1, 4.2 realisiert. Bei geringer Entfernung wird dagegen eine Lichtverteilung L3 erzeugt, welche sich durch Lücken zwischen den Lichtbündeln LB1, LB2 auszeichnet. Bei großer Entfernung kommt es zu einer Überlagerung der Lichtbündel LB1, LB2, so dass eine Lichtverteilung L4 mit einer nicht definierten Helligkeitsverteilung erzeugt wird.
Ferner sind in nachteiliger Weise zur Erzeugung einer Lichtverteilung mit einem Seitenverhältnis von 1:5 fünf Leuchtdiodenfelder 1 erforderlich.
Zur Erzeugung einer lückenlosen Lichtverteilung L1 bei gleichzeitiger Reduktion einer Anzahl der Leuchtdiodenfelder 1 und somit Reduzierung der Kosten zur Realisierung erfolgt mittels der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung 2 eine anamorphotische Abbildung der Leuchtdioden 1.1 bis 1.n.
Eine derartige anamorphotische Abbildung eines Leuchtdiodenfeldes 1 mit den Leuchtdioden 1.1 bis 1.n zur Erzeugung einer Lichtverteilung L1 ist in 4 dargestellt. Einzelne Lichtbündel LB1 bis LBn der Lichtverteilung L zeichnen sich dadurch aus, dass ihre Breite gegenüber einer Breite des jeweiligen quadratischen Pixels des Leuchtdiodenfeldes 1 vergrößert ist, ihre Höhe dagegen verringert.
5 zeigt eine Anordnung 3 zur Erzeugung einer anamorphotischen Abbildung nach dem Stand der Technik.
Mittels der Anordnung 3 ist es möglich, beispielsweise einen ersten Gegenstand G1 mit einem ersten Seitenverhältnis unter Minimierung lichttechnischer Verluste auf einen zweiten Gegenstand G2 mit einem zweiten Seitenverhältnis abzubilden. Hierzu werden im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Zylinderlinsen 3.1, 3.2 verwendet, welche hintereinander und senkrecht zueinander angeordnet sind. Mit der anamorphotischen Abbildung ist es somit möglich, das Seitenverhältnis bei der Abbildung zu verändern.
Bei einer Anwendung der anamorphotischen Verzerrung auf das Leuchtdiodenfeld 1 zur Erzeugung der Lichtverteilung L1 mit dem Seitenverhältnis von 1:5 sind jedoch auch alle Pixel des Leuchtdiodenfeldes 1 im gleichen Verhältnis verzerrt. Da ein Seitenverhältnis der Pixel von 1:3 nicht unterschritten werden sollte, ist eine anamorphotische Abbildung zur Erzeugung der Lichtverteilung L1 allein nicht ausreichend.
Zur Erzeugung der lückenlosen Lichtverteilung L1 mit einem Seitenverhältnis von 1:5 bei gleichzeitig verringerter Anzahl von Leuchtdiodenfeldern 1 umfasst die erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung 2, wie 6 zeigt, lediglich zwei Leuchtdiodenfelder 1 und eine Abbildungsoptik 5 mit zwei ersten Abbildungselementen 5.1, 5.2. Aufgrund der Verringerung der Anzahl der erforderlichen Leuchtdiodenfelder 1 auf ”2” ist eine signifikante Kosten- und Bauraumreduzierung realisierbar.
Die Abbildungselemente 5.1, 5.2 sind als optische Zylinderlinsen ausgebildet und weisen jeweils eine optische Achse X auf. Alternativ sind die ersten Abbildungselemente 5.1, 5.2 in nicht näher dargestellter Weise als Hohlspiegel ausgebildet. Zum Strecken oder Stauchen einer Höhe und/oder Breite der mittels der Leuchtdiodenfelder 1 erzeugten Lichtbündel LB1 bis LBn ist jeweils zumindest ein erstes Abbildungselement 5.1, 5.2 einem Leuchtdiodenfeld 1 zugeordnet. Zur Wahrung der Übersichtlichkeit sind im dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich zwei der Lichtbündel LB1 bis LBn dargestellt. Es wird jedoch mittels jeder Leuchtdiode 1.1 bis 1.n ein Lichtbündel LB1 bis LBn erzeugt, welche ein gesamtes Lichtbündel LB_ges für jedes Leuchtdiodenfeld 1 bilden. Derartige gesamte Lichtbündel LB_ges sind in 15 näher dargestellt.
Dabei sind die Leuchtdiodenfelder 1 versetzt zur optischen Achse X des jeweils zugeordneten ersten Abbildungselements 5.1, 5.2 angeordnet. Dadurch wird erreicht, dass eine Grenze eines Lichtbündels LB_ges eines Leuchtdiodenfeldes 1 unmittelbar an einer Grenze eines Lichtbündels LB_ges eines unmittelbar benachbart angeordneten Leuchtdiodenfeldes 1 liegt. Somit ist die Lichtverteilung L1 lückenlos erzeugbar.
Die versetzte Anordnung eines Leuchtdiodenfeldes 1 zu einem zugehörigen Abbildungselement 5.1 für ein Leuchtdiodenfeld 1 und eine dabei erzeugte Lichtverteilung L10 sind in 7 näher dargestellt.
Bei einer Verwendung der Beleuchtungsanordnung 2 in einem nicht dargestellten Fahrzeugscheinwerfer ergibt sich eine minimale Anzahl der Leuchtdiodenfelder 1 aus einem theoretisch erforderlich Gesamtlichtstrom, welcher in der Umgebung des Fahrzeugs erzeugt werden soll sowie den optischen Verlusten und einem Ausgangslichtstrom der Leuchtdiodenfelder 1.
Wird beispielsweise im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Gesamtlichtstrom von 2000 lm benötigt, sind bei einem Wirkungsgrad der Beleuchtungsanordnung 2 von 40% und einem jeweiligen Lichtstrom der Leuchtdiodenfelder von 2500 lm zwei Leuchtdiodenfelder 1 erforderlich, um die Lichtverteilung L1 mit einem Gesamtlichtstrom von 2000 lm zu erzeugen.
Mit diesen zwei Leuchtdiodenfeldern 1 ist mit einer optischen Abbildung nach dem Stand der Technik gemäß 3 ein Seitenverhältnis von 1:2 erzielbar.
Aufgrund der dargestellten versetzten Anordnung der Leuchtdiodenfelder 1 zur optischen Achse X des jeweils zugeordneten ersten Abbildungselements 5.1, 5.2 gemäß der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung 2 wird dagegen erreicht, dass die Lichtverteilung L1 im Bereich der optischen Achse X der ersten Abbildungselemente 5.1, 5.2 ohne Verzerrung erzeugt wird, jedoch mit wachsendem Abstand zu den optischen Achsen X zunehmend verzerrt wird. Bei einer Verschiebung der Leuchtdiodenfelder 1 in Richtung des jeweils anderen Leuchtdiodenfeldes 1 wird die Verzerrung in den Randbereichen weiter vergrößert.
Somit ist gegenüber dem Stand der Technik eine weitere Verbreiterung der Lichtverteilung L1 aufgrund so genannter Aberrationen möglich.
Aufgrund der hohen Lichtstärkeverteilung nahe der optischen Achsen X und somit in einem mittleren Bereich der Lichtverteilung L1 und der Abnahme der Lichtstärke zum Rand der Lichtverteilung L1 eignet sich die Beleuchtungsvorrichtung 2 insbesondere zur Verwendung in einem Fahrzeugscheinwerfer, einem so genannten Pixelscheinwerfer, da alle im Automobilbereich üblichen Lichtstärkeverteilungen in der Mitte am hellsten sind und zum Rand hin dunkler werden.
Da für Lichtfunktionen, wie z. B. ein Teilfernlicht und ein Gefahrenlicht ein möglichst schmaler und scharf begrenzter Bereich nur im zentralen horizontalen Drittel der Lichtverteilung L1 erforderlich wird, ist es zulässig, das die Pixel zum Rand hin größer und unschärfer werden.
Dies wird durch eine so genannte kissenförmige Verzeichnung erreicht, bei welcher sich eine Verzerrung der Lichtbündel LB1 bis LBn zum Rand hin vergrößert. Eine sphärische Aberration und die Koma führen zu einer Unschärfe.
Aufgrund der zunehmenden Vergrößerung der Größe der Lichtbündel LB1 bis LBn in horizontaler Richtung wird die Lichtverteilung L1 in diese Richtung gestreckt, so dass das Seitenverhältnis der Lichtverteilung L1 verändert wird.
Um Lichtverteilungen L1 mit einer scharfen Abbildung im mittleren Bereich zu realisieren, müssen die Aberrationen in diesem Bereich vermieden werden. Im Randbereich dagegen müssen die Aberrationen gezielt erzeugt werden. Die Aberration muss dabei in der richtigen Richtung erfolgen, so dass die kissenförmige Aberration entsteht. So genannte tonnenförmige Aberration müssen vermieden werden.
Die 8A bis 8C zeigen verschiedene Lichtverteilungen L5 bis L7.
In 8A ist eine Lichtverteilung L5 mit kissenförmiger Aberration dargestellt.
8B zeigt eine Lichtverteilung L6 ohne Aberration.
In 8C ist eine Lichtverteilung L7 mit tonnenförmiger Aberration dargestellt.
Zur Erzeugung der in 1 dargestellten Lichtverteilung L1 werden zwei Lichtverteilungen L5 mit kissenförmiger Aberration gemäß 8A erzeugt und zu einer Lichtverteilung L8 kombiniert. Diese Lichtverteilung L8 ist in 9 dargestellt.
10 zeigt das erste Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung 2 gemäß 6, wobei mittels der Beleuchtungsanordnung 2 die Lichtverteilung L8 erzeugt wird. Zur Wahrung der Übersichtlichkeit sind die Komponenten der Beleuchtungsanordnung 2 nicht mit Bezugszeichen versehen.
Diese Beleuchtungsanordnung 2 ist von besonderer Bedeutung, da mittels dieser in besonders einfacher Weise die kissenförmige Aberration ausgenutzt werden kann, um die Lichtverteilung L8 zu erzeugen, welche nahezu ein Höhen-/Breitenverhältnis von 1:5 aufweist. Dies resultiert insbesondere daraus, dass sich die mittels der beiden Leuchtdiodenfelder 1 erzeugten kissenförmigen Lichtverteilungen L5 besonders einfach und lückenlos aneinanderreihen lassen. Für diese Aneinanderreihung sind lediglich zwei einfache und kostengünstige Zylinderlinsen erforderlich.
In 11 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung 2 dargestellt. Im Unterschied zu dem in 6 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel umfasst das zweite Ausführungsbeispiel drei Leuchtdiodenfelder 1, wobei das mittlere der Leuchtdiodenfelder 1 symmetrisch zur optischen Achse X des zugehörigen Abbildungselements 5.2 angeordnet ist.
Mittels des zweiten Ausführungsbeispiels wird ebenfalls im mittleren Bereich der Lichtverteilung L1 eine verzerrungsfreie Darstellung erreicht. Zum Randbereich nimmt die Verzerrung dagegen zu, so dass eine Verbreiterung der Lichtbündel LB1 bis LBn der Leuchtdioden 1.1 bis 1.n erzielt wird.
Eine mittels der äußeren Leuchtdiodenfelder 1 erzeugte Lichtverteilung L9 bei symmetrischer Anordnung dieser zu den optischen Achsen X der jeweils zugehörigen Abbildungselemente 5.1 und 5.3 ist gestrichelt dargestellt.
Zwar erfordert die dargestellte Beleuchtungsanordnung 2 mit drei Leuchtdiodenfeldern 1 gegenüber der in den 6 und 10 dargestellten Beleuchtungsanordnung 2 einen erhöhten Aufwand, da die mittlere der erzeugten Lichtverteilungen insbesondere im Randbereich bereits eine leichte Verzeichnung aufweisen kann, so dass zur Erzeugung des Höhen-/Breitenverhältnisses von 1:5 zusätzlich eine anamorphotische Abbildung erforderlich ist. Diese anamorphotische Abbildung ist jedoch durch Verwendung der einfachen Zylinderlinsen effektiv und kostengünstig realisierbar.
12 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung 2. Im Unterschied zu dem in 10 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel sind die ersten Abbildungselemente 5.1 bis 5.3 derart angeordnet, dass deren optische Achsen X paarweise einen Öffnungswinkel α bilden, welcher sich aus einer Divergenz der Lichtbündel LB_ges zweier unmittelbar benachbarter Leuchtdiodenfelder 1 ergibt.
Dadurch wird eine weitere Vergrößerung der Lichtbündel LB1 bis LBn im Randbereich der Lichtverteilung L1 erreicht, ohne die verzerrungsfreie Abbildung im mittleren Bereich zu beeinträchtigen.
In 13 ist ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung 2 dargestellt. Dabei umfasst die Beleuchtungsanordnung 2 zwei Leuchtdiodenfelder 1 mit jeweils einem zugeordneten ersten Abbildungselement 5.1, 5.2. Die ersten Abbildungselemente 5.1 bis 5.2 sind derart angeordnet, dass deren optische Achsen X paarweise den Öffnungswinkel α bilden, welcher sich aus einer Divergenz der Lichtbündel LB_ges zweier unmittelbar benachbarter Leuchtdiodenfelder 1 ergibt. Die Leuchtdiodenfelder 1 sind symmetrisch zu den optischen Achsen X angeordnet.
Zusätzlich ist in Strahlungsrichtung nach den ersten Abbildungselementen 5.1 bis 5.2 ein zweites gemeinsames Abbildungselement 5.5 angeordnet. Mittels des zweiten Abbildungselements 5.5 wird die anamorphotische und lückenlose Abbildung realisiert.
Das zweite Abbildungselement 5.5 ist ebenfalls als Zylinderlinse ausgebildet. Alternativ ist das zweite Abbildungselement 5.5 in nicht näher dargestellter Weise ein Hohlspiegel.
Das zweite Abbildungselement 5.5 ist dabei derart angeordnet und ausgebildet, dass es die Höhe und/oder Breite der aus den ersten Abbildungselementen 5.1, 5.2 austretenden Lichtbündeln LB1 bis LBn streckt oder staucht. Insbesondere ist das zweite Abbildungselement 5.5 derart ausgebildet, dass es die Höhe der aus den ersten Abbildungselementen 5.1, 5.2 austretenden Lichtbündels LB1 bis LBn streckt oder staucht, wenn die ersten Abbildungselemente 5.1, 5.2 die Breite der mittels der Leuchtdiodenfelder 1 erzeugten ursprünglichen Lichtbündel LB1 bis LBn streckt oder staucht.
Alternativ ist das zweite Abbildungselement 5.5 derart ausgebildet, dass es die Breite der aus den ersten Abbildungselementen 5.1, 5.2 austretenden Lichtbündel LB1 bis LBn streckt oder staucht, wenn die ersten Abbildungselemente 5.1, 5.2 die Höhe der mittels der Leuchtdiodenfelder 1 erzeugten ursprünglichen Lichtbündel LB1 bis LBn streckt oder staucht.
14 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung 2. Zusätzlich zu dem in 6 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist in Strahlungsrichtung nach den ersten Abbildungselementen 5.1, 5.2 ein zweites gemeinsames Abbildungselement 5.5 angeordnet, mittels welchem die anamorphotische und lückenlose Abbildung realisiert wird.
In 15 ist ein sechstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung 2 dargestellt.
Dabei umfasst die Beleuchtungsanordnung 2 vier Leuchtdiodenfelder 1 mit jeweils einem zugeordneten ersten Abbildungselement 5.1 bis 5.4. Die ersten Abbildungselemente 5.1 bis 5.4 sind derart angeordnet, dass deren optische Achsen X paarweise den Öffnungswinkel α bilden, welcher sich aus einer Divergenz der Lichtbündel LB_ges zweier unmittelbar benachbarter Leuchtdiodenfelder 1 ergibt. Die Leuchtdiodenfelder 1 sind symmetrisch zu den optischen Achsen X angeordnet.
Zusätzlich ist in Strahlungsrichtung nach den ersten Abbildungselementen 5.1 bis 5.4 ein zweites gemeinsames Abbildungselement 5.5 angeordnet, mittels welchem die anamorphotische und lückenlose Abbildung realisiert wird.
In 16 ist ein siebtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung 2 dargestellt. Im Unterschied zu dem in 11 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung 2 sind die Leuchtdiodenfelder 1 auf einem gemeinsamen Trägerelement 6 angeordnet, wobei das Trägerelement 6 gleichzeitig als Kühlkörper zur Kühlung der Leuchtdiodenfelder 1 ausgebildet ist.
17 zeigt ein achtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung 2. Im Unterschied zu dem in 11 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung 2 ist zusätzlich in Strahlungsrichtung nach den ersten Abbildungselementen 5.1 bis 5.3 ein zweites gemeinsames Abbildungselement 5.5 angeordnet, mittels welchem die anamorphotische und lückenlose Abbildung realisiert wird.
In 18 ist schematisch die mittels eines der Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung 2 mit drei Leuchtdiodenfeldern 1 erzeugte Lichtverteilung L1 dargestellt. Die Lichtverteilung L1 weist dabei ein Seitenverhältnis von ungefähr 1:5 auf.
Hierbei ist es insbesondere erforderlich, die Lückenlosigkeit zu realisieren. Hierbei müssen Abberationen, außer in den äußeren Randbereichen, vermieden werden. Dies ist insbesondere mittels der in den 11 und 12 dargestellten Ausführungen der Beleuchtungsanordnung 2 durch Verschiebung der Leuchtdiodenfelder 1 relativ zu den Abbildungselementen 5.1 bis 5.3 oder durch Verkippung der Leuchtdiodenfelder 1 zueinander, d. h. durch Bildung des Öffnungswinkels α, möglich.
Um die dargestellte Lichtverteilung L1 mittels der in den 11 und 12 dargestellten Ausführungen der Beleuchtungsanordnung 2 zu erzeugen, wird insbesondere eine qualitativ höherwertige und anamorphotische Abbildungsoptik 5 verwendet.
In einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel der Beleuchtungsanordnung 2 sind lediglich ein Leuchtdiodenfeld 1 und eine dazugehörige Abbildungsoptik 5 erforderlich, um die Lichtverteilung L1 mit dem Höhen-/Breitenverhältnis von ungefähr 1:5 zu erzeugen. Die Lückenlosigkeit liegt dabei schon allein aufgrund des einzelnen Leuchtdiodenfeldes 1 vor. Um das Höhen-/Breitenverhältnis von ungefähr 1:5 zu erzeugen, ist eine Kombination einer anamorphotischen Abbildung und einer insbesondere kissenförmigen Abberation erforderlich.
Somit ist es mit allen Ausführungsbeispielen der Beleuchtungsanordnung 2 möglich, mit einer geringen Anzahl von quadratischen Leuchtdiodenfeldern 1, insbesondere mit einer Anzahl von 1 bis 3 Leuchtdiodenfeldern 1, und der zugehörigen Abbildungsoptik 5 eine Lichtverteilung L1 zu erzeugen, welche vorzugsweise ein Höhen-/Breitenverhältnis von ungefähr 1:5 aufweist.
Alle dargestellten Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung 2 sind insbesondere zu einer Verwendung in einem Scheinwerfer, vorzugsweise einem Fahrzeugscheinwerfer vorgesehen.
Bezugszeichenliste

1: Leuchtdiodenfeld
1.1 bis 1.n: Leuchtdiode
2: Beleuchtungsanordnung
3: Anordnung nach dem Stand der Technik
4.1, 4.2: Abbildungselement
5: Abbildungsoptik
5.1 bis 5.4: erstes Abbildungselement
5.5: zweites Abbildungselement
6: Trägerelement
G1, G2: Gegenstand
L1 bis L10: Lichtverteilung
LB1 bis LBn: Lichtbündel
LB_ges: Lichtbündel
X: optische Achse
α: Öffnungswinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007044740 A1 [0004]
DE 102008061688 A1 [0005]

Claims

Beleuchtungsanordnung (2) für einen Scheinwerfer, – umfassend eine Anzahl von Leuchtdioden (1.1 bis 1.n), welche gruppenweise in einer Anzahl von Leuchtdiodenfeldern (1) zusammengefasst sind, und – umfassend eine Abbildungsoptik (5) mit mehreren ersten Abbildungselementen (5.1 bis 5.4), wobei die ersten Abbildungselemente (5.1 bis 5.4) derart angeordnet oder ausgebildet sind, dass diese jeweils eine Höhe oder Breite eines mittels eines Leuchtdiodenfeldes (1) erzeugten Lichtbündels (LB_ges) strecken oder stauchen, dadurch gekennzeichnet, dass – jeweils zumindest ein erstes Abbildungselement (5.1 bis 5.4) zumindest einem Leuchtdiodenfeld (1) zugeordnet ist, – die ersten Abbildungselemente (5.1 bis 5.4) derart angeordnet sind, dass deren optische Achsen (X) paarweise einen Öffnungswinkel (α) bilden, welcher sich aus einer Divergenz der Lichtbündel (LB_ges) zweier unmittelbar benachbarter Leuchtdiodenfelder (1) ergibt oder – die Leuchtdiodenfelder (1) versetzt zur optischen Achse (X) des jeweils zugeordneten ersten Abbildungselements (5.1 bis 5.4) angeordnet sind, wobei – die Anordnung der ersten Abbildungselemente (5.1 bis 5.4) und der Leuchtdiodenfelder (1) derart ausgebildet ist, dass eine Grenze eines Lichtbündels (LB_ges) eines Leuchtdiodenfeldes (1) unmittelbar an einer Grenze eines Lichtbündels (LB_ges) eines unmittelbar benachbart angeordneten Leuchtdiodenfeldes (1) liegt.
Beleuchtungsanordnung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsoptik (5) zumindest ein zweites Abbildungselement (5.5) umfasst.
Beleuchtungsanordnung (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Abbildungselement (5.5) derart angeordnet oder ausgebildet ist, dass es die Höhe oder Breite zumindest eines aus zumindest einem ersten Abbildungselement (5) austretenden Lichtbündels (LB_ges) streckt oder staucht.
Beleuchtungsanordnung (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Abbildungselement (5.5) derart ausgebildet ist, dass es die Höhe zumindest eines aus zumindest einem ersten Abbildungselement (5.1 bis 5.4) austretenden Lichtbündels (LB_ges) streckt oder staucht, wenn das erste Abbildungselement (5.1 bis 5.4) die Breite des mittels des zumindest einen Leuchtdiodenfeldes (1) erzeugten ursprünglichen Lichtbündels (LB_ges) streckt oder staucht.
Beleuchtungsanordnung (2) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Abbildungselement (5.5) derart ausgebildet ist, dass es die Breite zumindest eines aus zumindest einem ersten Abbildungselement (5.1 bis 5.4) austretenden Lichtbündels (LB_ges) streckt oder staucht, wenn das erste Abbildungselement (5.1 bis 5.4) die Höhe des mittels des zumindest einen Leuchtdiodenfeldes (1) erzeugten ursprünglichen Lichtbündels (LB_ges) streckt oder staucht.
Beleuchtungsanordnung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Abbildungselemente (5.1 bis 5.4) und/oder zumindest ein zweites Abbildungselement (5.5) jeweils als optische Zylinderlinse ausgebildet sind.
Beleuchtungsanordnung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Abbildungselemente und/oder zumindest ein zweites Abbildungselement (5.5) jeweils als Hohlspiegel ausgebildet sind.
Beleuchtungsanordnung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdiodenfelder (1) auf einem gemeinsamen Trägerelement (6) angeordnet sind.
Beleuchtungsanordnung (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (6) als Kühlkörper ausgebildet ist.
Scheinwerfer, umfassend eine Beleuchtungsanordnung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.