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Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung für Fahrzeuge
- – mit einer Mehrzahl von in einem Feld angeordneten Lichtquellen,
- – mit einer in Hauptabstrahlrichtung vor den Lichtquellen angeordneten Optikeinheit zur Erzeugung einer vorgegebenen Lichtverteilung, die Korrekturmittel aufweist zur Vergleichmäßigung von durch die örtlich unterschiedlich angeordneten Lichtquellen erzeugten Leuchtanteile,
dadurch gekennzeichnet, dass in der Nähe der Lichtquellen ein flächiges Streuoptikelement mit einer stochastischen oder quasi-stochastischen Struktur vorgesehen ist.
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Aus der
DE 10 2010 027 322 A1 ist eine Beleuchtungsvorrichtung für Fahrzeuge bekannt, die zum einen eine Anzahl von matrixartig in einem Feld angeordneten LED-Lichtquellen und zum anderen eine Optikeinheit aufweist, mittels derer die von den Lichtquellen erzeugten Lichtbündel zu einer vorgegebenen Lichtverteilung abgebildet werden. Die Optikeinheit kann eine Linsengruppe aufweisen, mittels derer die von den jeweiligen Lichtquellen erzeugten Lichtbündel zu Lichtflecken (Leuchtanteile) abgebildet werden. Um unerwünschte Lücken zwischen den Lichtflecken der Lichtverteilung zu vermeiden, weist die Optikeinheit zusätzlich ein refraktiv-optisches Element als Korrekturmittel auf. Dieses ermöglicht eine Vergleichmäßigung der aufgrund der örtlich unterschiedlich angeordneten Lichtquellen erzeugten Leuchtanteile. Die bekannte Optikeinheit ermöglicht somit einen gewünschten Korrektionszustand des Gesamtsystems hinsichtlich sphärischer Aberration, Koma, Astigmatismus, Bildfeldwölbung und chromatische Aberration. Allerdings kann es bei der bekannten Beleuchtungsvorrichtung vorkommen, dass Farbinhomogenitäten auf der Straße auftreten. Zwar ist es aus der
EP 0 221 416 B1 bekannt, zur Korrektur eines solchen Farbsaumes der Lichtbündel eine Linse vorzusehen, die asphärische Teilflächen aufweist. Eine solche klassische Achromatisierung, bei der die Farbkorrektur durch eine Linsenoberflächengeometrie oder Auswahl der Werkstoffe anhand ihrer Abbe-Zahlen erfolgt, ist allerdings nicht oder nur eingeschränkt möglich, wenn Linsen aus gleichem Material oder hierfür ungünstigen Materialkomponenten bestehen müssen.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Beleuchtungsvorrichtung für Fahrzeuge mit einer Optikeinheit derart weiterzubilden, dass zum einen Inhomogenitäten einer Lichtverteilung verringert und zum anderen eine optimale Farbkorrektur geschaffen wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass in der Nähe der Lichtquellen ein flächiges Streuoptikelement mit einer stochastischen oder quasi-stochastischen Struktur vorgesehen ist.
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Nach der Erfindung ist ein flächiges Streuoptikelement vorgesehen, das eine stochastische oder quasi-stochastische Struktur aufweist. Dieses flächige Streuoptikelement ist lichtquellennah angeordnet. Vorteilhaft ermöglicht das flächige Streuoptikelement eine begrenzte Streuwirkung, die zu einer Homogenisierung der Lichtverteilung, insbesondere hinsichtlich der Farbe führt. Das Streuoptikelement bewirkt eine stochastische Störung der Ortsverteilung in der Brennebene. Die in Hauptabstrahlrichtung vor dem Streuoptikelement angeordnete Optikeinheit setzt diese stochastische Störung der Ortsverteilung der Lichtstrahlen in die gewünschte stochastische Störung im Winkelbereich der Lichtstrahlen um.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Streuoptikelement mit einer solchen stochastischen oder quasi-stochastischen Struktur versehen, dass die hiermit bewirkte Streuung so begrenzt ist, dass lediglich eine Farbkorrektur der abgestrahlten Lichtbündel der Lichtquellen eintritt. Somit wird die auf die Straße abgebildete Farbe der Lichtbündel homogenisiert, ohne den mittels der Optikeinheit erzielten Korrektionszustand hinsichtlich sphärischer Aberration, Koma, Astigmatismus, Bildfeldwölbung und chromatische Aberration zu beeinträchtigen.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die durch das Streuoptikelement bewirkte Streuung so begrenzt, dass horizontale und vertikale Hell-/Dunkelgrenzen von durch die Lichtbündel der jeweiligen Lichtquellen erzeugten Lichtflecken abgebildet werden. Diese Grenzflächen der Lichtquellen liegen vorzugsweise, ohne dass Lücken zwischen benachbarten Lichtflecken entstehen, direkt an Grenzflächen von benachbarten Lichtflecken an, so dass eine homogene Lichtverteilung erzeugt wird. Vorteilhaft kann hierdurch die Lichtverteilung als adressierbare Fernlichtverteilung ausgebildet sein. Die Lichtquellen werden mittels einer Ansteuereinheit so angesteuert, dass in Abhängigkeit von der aktuellen Verkehrssituation entweder eine Voll-Fernlichtverteilung oder eine Teil-Fernlichtverteilung erzeugt wird. Bei der Voll-Fernlichtverteilung ist eine maximale Anzahl von Lichtquellen eingeschaltet, die den Verkehrsraum ausleuchtet. Die Voll-Fernlichtverteilung findet Anwendung, wenn sich kein weiteres Verkehrsobjekt im Vorfeld des Fahrzeuges befindet. Bei der Teil-Fernlichtverteilung ist eine verminderte Anzahl von Lichtquellen eingeschaltet, so dass nicht das gesamte Vorfeld, sondern nur das um einen Entblendungsbereich verminderte Vorfeld ausgeleuchtet wird. In dem Entblendungsbereich dieser Lichtverteilung befindet sich ein Verkehrsobjekt, beispielsweise ein vorausfahrendes Fahrzeug oder ein entgegenkommendes Fahrzeug, das nicht geblendet werden soll.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist das flächige Streuoptikelement ein transparentes Substrat und eine Anzahl von unregelmäßig oder regelmäßig verteilt angeordneten Streuzellen auf, die in einem bestimmen Flächenabschnitt unterschiedlich ausgebildet sind. Die Streuzellen können eine gleiche und/oder ungleiche Konturierung aufweisen und sind auf einer Flachseite des Substrats angeordnet. Hierdurch erfolgt eine kontrollierte Homogenisierung bzw. „Durchmischung“ der Lichtstrahlen. Vorzugsweise ist das Streuoptikelement als gesondertes Bauteil ausgeführt, so dass es leicht austauschbar bzw. ein Nachrüsten in bereits vorhandenen Beleuchtungsvorrichtungen gewährleistet ist. Die leichte Austauschbarkeit des Streuoptikelementes ermöglicht insbesondere, die Kompensationswirkung an die weiteren verwendeten optischen Mittel der Optikeinheit anzupassen.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung weisen die Streuzellen des Streuoptikelementes eine Dimension von weniger als 1 mm in Richtung der Substratebene auf. Die Streuzellen sind vorzugsweise als Prismenkörper ausgebildet, die in bestimmten oder unbestimmten Abständen zueinander eine unterschiedliche Erhebung aufweisen.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Streuzellen matrixartig und mit einer gleichen Randkontur versehen auf dem Substrat angeordnet. Auf diese Weise verläuft die Streuzellenverteilung regelmäßig, was die Herstellung des Streuoptikelementes vereinfacht.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung können die Streuflächen auch als kugelförmige Vertiefungen ausgebildet sein, die sich an der einen Flachseite des Substrats erstrecken.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung mit eingezeichneten Lichtbündeln,
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2 eine vergrößerte Teildraufsicht auf eine Oberfläche eines lichtquellennah angeordneten flächigen Streuoptikelementes nach einer ersten Ausführungsform,
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3 eine vergrößerte perspektivische Darstellung eines Abschnitts des Streuoptikelementes gemäß 2,
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4 eine schematische Seitenansicht eines Teils eines Streuoptikelementes nach einer zweiten Ausführungsform und
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5 eine Lichtverteilung der Beleuchtungsvorrichtung, wobei lediglich eine Vier-Chip-LED-Lichtquelle eingeschaltet ist.
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Eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung kann vorzugsweise zur Erzeugung einer Fernlichtverteilung eingesetzt werden. Bevorzugt wird die Beleuchtungsvorrichtung zur Erzeugung einer dynamischen Fernlichtverteilung eingesetzt, wobei verkehrssituationsabhängig einzelne Lichtquellen 1 aus- bzw. eingeschaltet werden. Befindet sich eine maximale Anzahl von Lichtquellen 1 mittels einer nicht dargestellten Ansteuereinheit im eingeschalteten Zustand, kann eine Voll-Fernlichtverteilung erzeugt werden, bei der die Lichtquellen 1 zu Lichtflecken 2 abgebildet werden, die den Verkehrsraum vollständig ausleuchten, s. 5. Befindet sich ein Verkehrsobjekt, beispielsweise ein vorausfahrendes Fahrzeug oder ein entgegenkommendes Fahrzeug, in dem Vorfeld des die Beleuchtungsvorrichtung aufweisenden Fahrzeugs, werden in Abhängigkeit von durch Detektiermittel erkannten Änderungen der aktuellen Lage dieses Verkehrsobjektes Lichtquellen 1 ab- bzw. zugeschaltet, so dass lediglich eine Teil-Fernlichtverteilung erzeugt wird. Diese weist einen Entblendungsbereich auf, der nicht ausgeleuchtet wird und in dem sich das andere Verkehrsobjekt befindet. Hierdurch wird eine unerwünschte Blendung des im Vorfeld befindlichen Verkehrsobjektes verhindert.
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Zur Erzeugung einer solchen Voll-Fernlichtverteilung bzw. Teil-Fernlichtverteilung weist die Beleuchtungsvorrichtung zum einen matrixartig in einem Feld 3 angeordnete LED-Lichtquellen 1 auf. Alternativ können diese Lichtquellen auch als OLED-Lichtquellen oder andere halbleiterbasierende Lichtquellen ausgebildet sein. Vorzugsweise sind die Lichtquellen 1 auf einem oder mehrere Chips verteilt angeordnet, so dass die Lichtquellen 1 örtlich voneinander getrennt auf dem LED-Feld 3 angeordnet sind.
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Ferner weist die Beleuchtungsvorrichtung eine Optikeinheit 4 auf. Die Optikeinheit 4 weist ein erstes Linsenelement 5 und ein in Hauptabstrahlrichtung H vor demselben angeordnetes zweites Linsenelement 6 auf. Mittels der beiden Linsenelemente 5, 6 werden die von den Lichtquellen 1 jeweils abgestrahlten Lichtbündel 7 so geformt, dass die vorgegebene Fernlichtverteilung erzeugt wird. Hierbei ist das erste Linsenelement 5 und das zweite Linsenelement 6 derart konturiert berechnet worden, dass die abgebildeten Lichtflecken 2 jeweils horizontale Hell-/Dunkelgrenzen 8 und vertikale Hell-/Dunkelgrenzen 9 aufweisen. Zwischen benachbarten Lichtflecken 2 besteht keine Lücke, so dass horizontale Hell-/Dunkelgrenzen 8 bzw. vertikale Hell-/Dunkelgrenzen 9 benachbarter Lichtflecken 2 zusammenfallen.
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Nach einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform der Erfindung kann die Optikeinheit 4 statt zwei Linsenelemente 5, 6 auch lediglich ein einziges Linsenelement aufweisen, das die gleiche Funktion ausübt wie die beiden Linsenelemente 5, 6.
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Das erste Linsenelement 5 und das zweite Linsenelement 6 weisen Korrekturmittel auf zur Vergleichmäßigung von durch die Lichtquellen 1 erzeugten Leuchtanteilen der Lichtverteilung. Die Leuchtanteile sind in der 5 exemplarisch als Lichtflecken 2 wiedergegeben. Die Linsenelemente 5, 6 ermöglichen somit eine Korrigierung der Lichtverteilung dahingehend, dass die abgebildeten Lichtflecken 2 ohne Lücken unmittelbar aneinanderliegen oder sich überlappen.
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In Hauptabstrahlrichtung H hinter der Optikeinheit 4 ist ein flächiges Streuoptikelement 10 angeordnet, und zwar in der Nähe des LED-Feldes 3. Beispielsweise kann das Streuoptikelement 10 in einem kleinen Abstand zu den Lichtquellen 1 des Feldes 3 angeordnet sein. Es befindet sich zwischen dem LED-Feld 3 und dem ersten Linsenelement 5. In 1 ist eine Erstreckungsebene E des Streuoptikelements 10 eingezeichnet.
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Alternativ kann das flächige Streuoptikelement 10 auch unmittelbar an den Lichtquellen 1 angeordnet sein, wenn diese eine flächige Struktur aufweisen.
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Vorzugsweise ist das flächige Streuoptikelement 10 eben ausgebildet.
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Das flächige Streuoptikelement 10 weist eine quasi-stochastische Struktur auf, die durch eine Mehrzahl von auf einem transparenten Substrat 11 angeordneten Streuzellen 12 gebildet werden. Die Streuzellen 12 sind nach einer ersten Ausführungsform gemäß den 2 und 3 als sich aus der Ebene des Substrats 11 erhebende flache Prismenkörper ausgebildet, die jeweils eine abgeschrägte Oberseite 14 aufweisen. Die Oberseiten 14 der Streuzellen 12 sind jeweils um einen relativ kleinen Winkel geneigt zu einer Flachseite 15 des Substrats 11 angeordnet. Die Streuzellen 12 sind matrixartig bzw. gitterförmig und mit einer gleichen Randkontur 16 versehen auf dem Substrat 11 angeordnet. Die Randkontur 16 ist viereckförmig und/oder quadratisch ausgebildet. Die Streuzellen 12 weisen eine Erstreckung in der Ebene des Substrats 11 von weniger als 1 mm auf.
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Das transparente Substrat 11 weist eine Dicke auf, die kleiner oder gleich 1 mm ist.
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Die Mehrzahl von Streuzellen 12 sind in einem Flächenabschnitt des Substrats 11 mit unterschiedlich geneigten Oberseiten 14 verteilt angeordnet, wobei sich die Neigung der Oberseiten 14 in unterschiedlichen Richtungen erstreckt. Die schrägen Oberseiten 14 benachbarter Streuzellen 12 sind in unterschiedlicher Richtung geneigt ausgebildet. Diese Streuzellen 12 mit unterschiedlich orientierten und erhabenen Oberseiten 14 sind quasi-stochastisch verteilt über das Substrat 11 angeordnet.
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Das Streuoptikelement 10 bewirkt hierdurch eine solche begrenzte Streuung, dass für das von den Lichtquellen 1 abgestrahlte Lichtbündel 7 die Korrektur eines Farbsaumes eintritt. Auf diese Weise kann eine Homogenisierung hinsichtlich der Farbe erfolgen. Die hierdurch bewirkte Streuung ist so klein, dass eine Beeinträchtigung bzw. Aufweichung der horizontalen Hell-/Dunkelgrenze 8 und der vertikalen Hell-/Dunkelgrenze 9 der Lichtflecken 2 nicht eintritt.
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Nach einer alternativen Ausführungsform der Erfindung gemäß 4 kann das Streuoptikelement 10 Streuzellen 17 aufweisen, die als kugelförmige Vertiefung in einer Flachseite 18 des Substrats 11 ausgebildet sind. Die Wölbung der kugelförmigen Vertiefung 17 ist so ausgeführt, dass ein Lichtstrahl L eines Lichtbündels 7 der Lichtquelle 1 um eine Lateralablage y_stoch abgelenkt wird.
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Die Bedeutung der Lateralablage y_stoch des erfindungsgemäßen Streuoptikelementes
10 wird nachfolgend anhand von Gleichungen zu einem in einer Aperturebene angeordneten refraktiv-optischen Element, das nicht Gegenstand der Erfindung ist, aufgezeigt. Die Gleichung für das Gesamtsystem in linearer Näherung lautet wie folgt:
wobei
- y0 und β0
- Ort bzw. Winkel eines Lichtstrahls in der Brennebene,
- y3 und β3
- Ort und Winkel eines Lichtstrahls auf einer Testwand im Abstand d der Beleuchtungsvorrichtung,
- f
- Brennweite der Beleuchtungsvorrichtung, n der Brechungsindex ist.
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δ ist der mit dem refaktiv-optischen Element eingestellte Störungswinkel, der lautet: δ = ±f
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Für den resultierenden Winkel β
3 ergibt sich:
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Für das erfindungsgemäße Streuoptikelement
10, das die Lichtverteilung in der Brennebene der Optikeinheit
4 beeinflusst, ergibt sich eine Gleichung linearer Näherung in Matrixschreibweise:
y_stoch ist die gewünschte Lateralablage des Lichtstrahls. Für den Winkel der Lichtverteilung ergibt sich demnach:
β3 = – 1 / f(y0 + ystoch)
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Es ist zu entnehmen, dass der Einfluss der Lateralablage (Stellgröße) y_stoch auf die Lichtverteilung mit der Brennweite der Optikeinheit 4 skaliert. Anders ist es bei der Verwendung des refraktiv-optischen Elementes in der Aperturebene. Dort skaliert der Einfluss der entsprechenden „Stellgröße“ mit dem Brechungsindex n des für das refraktiv-optische Element verwendeten Materials bzw. es kann der kombinierte Ausdruck aus Ablenkungswinkel δ und Brechungsindex n als „Stellgröße“ aufgefasst werden.
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Nach der Erfindung wird eine quasi-stochastische oder stochastische Störung der Ortslichtverteilung in der Brennebene vorgenommen. Diese wird durch das nachgeschaltete Linsenelement 5, 6 mit hoher Präzision in eine Störung der Winkelverteilung umgesetzt. Hierdurch wird die gewünschte Homogenisierung hinsichtlich der Farbe auf der Straße bewirkt.
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Nach einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann das Streuoptikelement 10 statt einer quasi-stochastischen Struktur auch eine stochastische Struktur aufweisen.
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Die Streuzellen
12 bzw.
17 sind vorzugsweise auf einer dem Feld
3 der Lichtquellen
1 abgewandten Seite des Streuoptikelementes
10 angeordnet. Bezugszeichenliste
1 | Lichtquelle |
2 | Lichtflecken |
3 | Feld |
4 | Optikeinheit |
5 | Linsenelement |
6 | Linsenelement |
7 | Lichtbündel |
8 | horizontale Hell-/Dunkelgrenze |
9 | vertikale Hell-/Dunkelgrenze |
10 | Streuoptikelement |
11 | Substrat |
12 | Streuzellen |
14 | abgeschrägte Oberseite |
15 | Flachseite |
16 | Randkontur |
17 | Streuzellen |
18 | Flachseiten |
H | Hauptabstrahlrichtung |
L | Lichtstrahl |
E | Erstreckungsebene |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010027322 A1 [0002]
- EP 0221416 B1 [0002]