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Die Erfindung betrifft einen Scheinwerfer für ein Kraftfahrzeug, mit einer Lichtquelle zum Ausstrahlen eines Primärlichtstrahls einer ersten Wellenlängenverteilung, mit einem Konverterelement zum Konvertieren des Primärlichtstrahls in eine Sekundärlichtstrahlung mit höherer Wellenlänge, mit einem Reflektorelement zum Reflektieren der Sekundärlichtstrahlen in eine vorbestimmte Richtung und mit einem optischen Absorptionselement.
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Durch moderne Scheinwerfer, insbesondere Laserscheinwerfer, wird es im Kraftfahrzeugbereich ermöglicht, hohe Leuchtdichten bereitzustellen. Dadurch kann die optische Effizienz eines optischen Systems verbessert werden, beispielsweise durch die kleine Etendue von laserbasierten Lichtquellen. Das Funktionsprinzip derartiger moderner Scheinwerfer, beispielsweise von Laserscheinwerfern, beruht hier auf einer Wellenlängenumwandlung mit einem fluoreszierenden Konverterelement, welches beispielsweise mit einem blauen Laser beleuchtet und zum Lichtabstrahlen angeregt wird. Um bei einem Bruch des Konverterelements zu verhindern, dass Anregungslicht, beispielsweise blaue Laserstrahlung, aus dem System austritt und zum Beispiel Menschen vorübergehend oder dauerhaft blendet, kann als eine mögliche Sicherheitsmaßnahme ein Strahlabsorber als optisches Absorptionselement in dem System vorgesehen sein.
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So beschreibt die
DE 10 2012 220 481 A1 ein Lichtmodul für einen Kraftfahrzeugscheinwerfer mit einer Laserlichtquelle, welche ein Primärlichtbündel abstrahlt, mit einem Photolumineszenzelement, welches von dem Primärlichtbündel angestrahlt wird und durch welches das auftreffende Primärlichtbündel unter Ausnutzung von Photolumineszenz in eine Sekundärlichtverteilung umgewandelt wird, sowie mit einer Abstrahloptikeinrichtung, welche die Sekundärlichtverteilung in eine Abstrahllichtverteilung des Lichtmoduls umformt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Scheinwerfer mit einer erhöhten optischen Effizienz für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
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Ein erfindungsgemäßer Scheinwerfer für ein Kraftfahrzeug umfasst eine Lichtquelle zum Ausstrahlen eines Primärlichtstrahls, ein Konverterelement zum Konvertieren des Primärlichtstrahls in eine Sekundärlichtstrahlung mit höherer Wellenlänge, ein Reflektorelement zum Reflektieren der Sekundärlichtstrahlung in eine vorbestimmte Raumrichtung und ein optisches Absorptionselement. Der Primärlichtstrahl weist dabei eine erste Wellenlängenverteilung auf und die Sekundärlichtstrahlung eine von der ersten Wellenlängenverteilung verschiedene zweite Wellenlängenverteilung. Bei dem Konverterelement kann es sich um ein fluoreszierendes Konverterelement handeln, beispielsweise um ein Konverterelement, welches Cer dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat enthält, um den Primärlichtstrahl in die Sekundärlichtstrahlung zu konvertieren. Das Konverterelement wird auch mit dem englischen Begriff „phosphor” bezeichnet. Das Konverterelement ist im Strahlweg des Primärlichtstrahls zwischen Lichtquelle und Reflektorelement angeordnet und das optische Absorptionselement in einer Verlängerung des Primärlichtstrahls durch das Konverterelement hindurch.
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Um die optische Effizienz des Scheinwerfers zu erhöhen, umfasst das Absorptionselement einen optischen Spiegel, der auf Grund seiner optischen Eigenschaften den größten Teil des Lichts der ersten Wellenlängenverteilung absorbiert und/oder transmittiert und den größten Teil des Lichts der zweiten Wellenlänge reflektiert. Insbesondere kann der optische Spiegel auch im Wesentlichen vollständig Licht der ersten Wellenlängenverteilung absorbieren und/oder transmittieren und Licht der zweiten Wellenlänge reflektieren. Im Falle eines beschädigten oder zerstörten Konverterelements trifft der Primärlichtstrahl auf das Absorptionselement und wird so von diesem absorbiert und/oder transmittiert. Das hat den Vorteil, dass in einem Regelbetrieb, in welchem das Konverterelement unbeschädigt ist, der größte Teil von der Sekundärlichtstrahlung, welche auf das Absorptionselement bzw. den optischen Spiegel trifft, an diesem reflektiert wird und somit für den eigentlichen Zweck des Scheinwerfers nutzbar ist. Lediglich die Wellenlängenanteile der Sekundärlichtstrahlung, welche der ersten Wellenlängenverteilung entsprechen, also beispielsweise Blauanteile, werden von dem optischen Spiegel geschluckt, also absorbiert oder transmittiert. Damit findet auch die Sekundärlichtstrahlung, welche auf das Absorptionselement trifft, im Gegensatz zum Stand der Technik noch eine optische Verwendung, womit die optische Effizienz des Scheinwerfers erhöht ist. Gleichzeitig ist bei einem beschädigten oder gebrochenen Konverterelement verhindert, dass der Primärlichtstrahl den Scheinwerfer in eine für die Sekundärlichtstrahlung vorgesehene Richtung verläßt, beispielsweise in Richtung einer Straße oder eines Betrachters, der durch den Primärlichtstrahl gefährdet werden könnte. Damit ist ein sicherer Betrieb ohne die Gefahr eines Blendens auch im Falle eines beschädigten oder gebrochenen Konverterelements möglich. Bei gleichbleibender Sicherheit im Fehlerfall des Konverterelements wird also ein geringerer Leistungsverlust in einem fehlerfreien Normalbetrieb erzielt. Insbesondere werden die Lumen des Scheinwerfers und insbesondere das Maximum der Beleuchtungsstärke von dem Absorptionselement oder dem optischen Spiegel, also beispielsweise durch den Verlust eines Teils des blauen Lichts, nur geringfügig verkleinert.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der optische Spiegel ein dichroitischer Spiegel ist. Der dichroitische Spiegel kann ein optischer Interferenzspiegel sein. Das hat den Vorteil, dass über ein Nutzen von Interferenzeffekten das Licht wellenlängenabhängig gefiltert werden kann und so ein sehr genaues Einstellen von reflektierten und transmittierten bzw. absorbierten Wellenlängen möglich ist. Gerade wenn der Primärlichtstrahl eine sehr scharfe Wellenlängenverteilung aufweist, beispielsweise wenn es sich dabei um ein schmalbandiges Licht wie einen Laserstrahl handelt, kann der optische Spiegel so präzise auf die Wellenlänge des Primärlichtstrahls eingestellt werden, sodass er mit hoher Genauigkeit das Licht des Primärlichtstrahles absorbiert bzw. transmittiert und Licht von im Wesentlichen allen anderen Wellenlängen, insbesondere im sichtbaren Bereich, reflektiert und so durch den Scheinwerfer nutzbar macht. Auch hier wird die optische Effizienz also verbessert.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die zweite Wellenlängenverteilung zum größten Teil, insbesondere ausschließlich, Wellenlängen umfasst welche größer als 450 nm oder 455 nm, insbesondere größer als 470 nm oder auch, wiederum insbesondere, größer als 500 nm sind. Das hat den Vorteil, dass das Absorptionselement auf ein Reflektieren der Sekundärlichtstrahlung hin optimiert werden kann und gleichzeitig die Sekundärlichtstrahlung, welche vorgesehenerweise in einem Betrieb des Scheinwerfers diesen zur Erfüllung seines Zweckes verlässt, ein für ein menschliches Auge angenehmes Beleuchten realisiert.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erste Wellenlängenverteilung zum größten Teil, insbesondere ausschließlich, Wellenlängen umfasst, welche kleiner als 450 nm oder 455 nm, alternativ auch kleiner als 470 nm, und wiederum alternativ kleiner als 500 nm sind. Die beiden letztgenannten Alternativwerte sind hier vorteilhaft, wenn der Grenzwert für die zweite Wellenlängenverteilung, wie im obigen Absatz beschrieben, 470 nm oder 500 nm beträgt. Gerade in Verbindung mit der Ausführungsform des vorherigen Absatzes ergibt sich hier der Vorteil, dass die beiden Wellenlängenverteilungen besonders leicht und mit einer hohen optischen Effizienz separiert werden können. Insbesondere ist vorgesehen, dass die erste Wellenlängenverteilung ein monochromatisches Licht charakterisiert. Das hat den Vorteil, dass ein Anpassen des optischen Spiegels im Sinne einer hohen optischen Effizienz besonders leicht zu erzielen ist, indem dann der optische Spiegel genau das monochromatische Licht der ersten Wellenlängenverteilung absorbiert bzw. transmittiert und jegliches andere Licht reflektiert, welches so zum Beleuchten einer Umgebung des Scheinwerfers nutzbar ist. Die Verwendung von Licht mit einer geringen Wellenlänge für den Primärlichtstrahl ermöglicht ein Konvertieren des Primärlichtstrahls in eine weiße Sekundärlichtstrahlung.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Lichtquelle eine Laserlichtquelle umfasst und der Primärlichtstrahl ein Laserlicht einer vorgegebenen Wellenlänge umfasst. Das hat den Vorteil, dass der eine besonders hohe Leuchtdichte erreicht werden kann und eine vorgegebene Wellenlänge besonders präzise einstellbar ist. Entsprechend kann auch der optische Spiegel sehr genau auf ein Transmittieren bzw. Absorbieren des Primärlichtstrahls und ein Reflektieren des restlichen Lichtes eingestellt werden, sodass die optische Effizienz des Scheinwerfers verbessert ist. Aufgrund der hohen Leuchtdichte kann der Primärlichtstrahl auch einen geringen Durchmesser aufweisen und das Absorptionselement klein ausgeführt sein.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Absorptionselement eine lochartige Strahlfalle umfasst und der optische Spiegel in einer Verlängerung des Primärlichtstrahls zwischen dem Konverterelement und der Strahlfalle angeordnet ist. Das hat den Vorteil, dass ein von dem optischen Spiegel transmittiertes Licht nicht in einer entgegengesetzten Richtung erneut den optischen Spiegel transmittieren kann. Somit ist ein Rückeintritt eines transmittierten Primärlichtstrahls oder eines Anteils davon in einen Bereich zwischen dem optischen Spiegel und dem Konverterelement ausgeschlossen und eine hohe Sicherheit erreicht.
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In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der optische Spiegel an dem Reflektorelement angeordnet ist. Hinter dem Spiegel kann dann in dem Reflektorelement die lochartige Strahlfalle realisiert sein. Das hat den Vorteil, dass der optische Spiegel besonders leicht an eine Geometrie des Reflektorelements angepasst werden kann, sodass der optische Spiegel bzw. das Absorptionselement eine möglichst geringe Fläche des Reflektorelementes verdeckt. Damit kann das Reflektorelement mehr der Sekundärlichtstrahlung reflektieren, was die optische Effizienz des Systems verbessert.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass eine reflektierende Oberfläche des optischen Spiegels an eine reflektierende Oberfläche des Reflektorelements bündig angrenzt, sodass die reflektierende Oberfläche des Reflektorelements durch die reflektierende Oberfläche des optischen Spiegels stetig fortgeführt wird. Es kann somit durch den optischen Spiegel eine Geometrie des Reflektorelements aufgegriffen werden, beispielsweise kann eine reflektierende Oberfläche des Reflektorelements eine parabolische Geometrie aufweisen, welche dann durch die reflektierende Oberfläche des optischen Spiegels aufgegriffen wird, sodass die durch die parabolische Form gewünschte Lichtverteilung durch den optischen Spiegel nicht gestört wird, sondern erhalten bleibt. Das hat den Vorteil, dass in einem Normalbetrieb mit intaktem Konverterelement für die Wellenlängen, welche von dem optischen Spiegel reflektiert werden, der optische Spiegel unsichtbar, das heißt ununterscheidbar von dem restlichen Reflektorelement ist, sodass eine erwünschte Lichtverteilung der Sekundärlichtstrahlung durch den optischen Spiegel kaum gestört ist, da sich lediglich deren Farbe in dem Bereich des optischen Spiegels leicht verändert.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine geometrische Ausdehnung des optischen Spiegels senkrecht zu einer Verlängerung des Primärlichtstrahls an einen Durchmesser des Primärlichtstrahls angepasst ist. Der optische Spiegel kann also an den Durchmesser des Primärlichtstrahles am Ort des optischen Spiegels bei einem beschädigten oder nicht vorhandenen Konverterelement angepasst sein. Er kann damit in der geringstmöglichen Größe ausgeführt sein, in welcher noch der vollständige Primärlichtstrahl auf ihn trifft. Er kann auch an das Strahlprofil des Primärlichtstrahls angepasst sein, und beispielsweise einen Randbereich des Primärstrahls, in welchem nur noch eine sehr geringe, z. B. blaue, Strahlung vorhanden ist, nicht abdecken. Das hat den Vorteil, dass ein ggf. störender Farbeffekt, welcher möglicherweise aufgrund der Absorptionseigenschaften des optischen Spiegels bei intaktem Konverterelement in einem von dem Scheinwerfer ausgestrahlten Licht zu sehen ist, minimiert ist.
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Die Erfindung umfasst auch ein Kraftfahrzeug mit einem Scheinwerfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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Alle vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder aber in Alleinstellung verwendbar ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittdarstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines Scheinwerfers mit einem intakten Konverterelement; und
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2 eine schematische Schnittdarstellung des Scheinwerfers aus 1 mit einem beschädigten Konverterelement.
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In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines Scheinwerfers für ein Kraftfahrzeug. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist auf die Darstellung nicht erfindungsrelevanter Komponenten, die im Rahmen der üblichen fachmännischen Ausgestaltung eines Scheinwerfers liegen, verzichtet. Der Scheinwerfer 1 weist hier eine Lichtquelle 2 auf, welche vorliegend als Laserlichtquelle ausgeführt ist. Sie emittiert einen Primärlichtstrahl 3 mit hier einer vorbestimmten Wellenlänge, beispielsweise 450 nm oder 400 nm. Im gezeigten Beispiel wird der Primärlichtstrahl 3 von einem Umlenkelement 4, beispielsweise einem Spiegel, auf ein Fokussierelement 5, beispielsweise eine Linse, gelenkt. Dieses Fokussierelement 5 fokussiert den Primärlichtstrahl 3 in einem Brennpunkt 6. In diesem Brennpunkt ist vorliegend ein Konverterelement 7 angeordnet. In Strahlrichtung des Primärstrahls 3 hinter dem Konverterelement 7 ist ein Reflektorelement 9 sowie ein optisches Absorptionselement 10 mit einem optischen Spiegel 11 angeordnet.
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Das Konverterelement 7 konvertiert den Primärlichtstrahl 3 in eine Sekundärlichtstrahlung 8, welche im Vergleich zu dem Primärlichtstrahl 3 eine größere Wellenlänge aufweist und vorliegend von dem Konverterelement 7 diffus in eine Vielzahl von Raumrichtungen emittiert wird. Die Sekundärlichtstrahlung 8 trifft in Folge auf das Reflektorelement 9 sowie das optische Absorptionselement 10 mit dem optischen Spiegel 11. Das Reflektorelement 9 weist im gezeigten Beispiel eine dem Konverterelement 7 zugewandte reflektierende Oberfläche 12 auf, welche hier die Form eines Parabelabschnitts bzw. in der dreidimensionalen Ausführung eines Parabolspiegelsegments hat. Der Brennpunkt des Fokussierelements 5 ist vorliegend zugleich auch der Brennpunkt 6 des Parabolspiegelsegments, sodass hier über das in dem Brennpunkt 6 angeordnete Konverterelement 7 die diffus abgestrahlte Sekundärlichtstrahlung 8 effizient in eine vorgegebene Richtung x, vorliegend beispielsweise eine Fahrtrichtung eines Kraftfahrzeugs, gelenkt wird.
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Das Absorptionselement 10 ist hier an dem Reflektorelement 9 angeordnet, und zwar in der direkten Verlängerung des auf das Konverterelement 7 treffenden Primärlichtstrahls 3. Das Absorptionselement 10 umfasst einen optischen Spiegel 11, welcher hier als dichroitischer Spiegel ausgeführt ist, sowie in diesem Beispiel eine lochartige Strahlfalle 13. Der optische Spiegel 11 transmittiert über Interferenzeffekte Licht einer ersten Wellenlängenverteilung und reflektiert entsprechend Licht einer zweiten Wellenlängenverteilung. Vorliegend ist der optische Spiegel 11 so ausgeführt, dass er ein Licht mit einer Wellenlänge, wie sie der Primärlichtstrahl 3 aufweist, transmittiert und im Wesentlichen alle anderen Wellenlängen reflektiert. Eine reflektierende Oberfläche 14 des optischen Spiegels 11 grenzt hier bündig an die reflektierende Oberfläche 12 des Reflektorelements 9 an, sodass im gezeigten Beispiel die parabolspiegelartige, im Allgemeinen die geometrische, Form des Reflektorelements 9 bzw. dessen reflektierender Oberfläche 14 durch den optischen Spiegel 11 fortgesetzt wird. Dadurch werden von dem optischen Spiegel 11 verursachte optische Aberrationen in dem von dem Scheinwerfer 1 abgestrahlten Licht vermieden. In dem fehlerfreien Normalbetrieb mit intaktem Konverterelement 7 wird also durch das Absorptionselement 10, genauer durch die reflektierende Oberfläche 14 des optischen Spiegels 11, die auf die Oberfläche 14 treffende Sekundärlichtstrahlung 8 in nahezu identischer Weise wie von der reflektierenden Oberfläche 12 des Reflektorelements 9 reflektiert und somit ebenfalls in die vorgegebene Richtung x abgelenkt und einer Nutzung zugeführt. Die optische Effizienz des Scheinwerfers 1 liegt somit abgesehen von vorliegend dem Blauanteil nahe einer idealen optischen Effizienz, welche erreicht würde, wenn das Reflektorelement 9 kein Absorptionselement 10 aufweisen würde, sondern durchgängig mit der reflektierenden Oberfläche 12 gestaltet wäre.
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In 2 ist der Scheinwerfer von 1 mit einem beschädigten, hier gebrochenen, Konverterelement 7 dargestellt. Da das Konverterelement 7 gebrochen ist, wird der Primärstrahl 3 von dem Konverterelement 7 hier nicht mehr in die Sekundärstrahlung 8 (1) konvertiert. Der Primärstrahl 3 trifft vielmehr in seiner Verlängerung durch das gebrochene Konverterelement 7 hindurch auf das optische Absorptionselement 10. Dieses ist in seinen Abmessungen in gezeigtem Beispiel an einen Durchmesser des Primärlichtstrahls 3 am Auftreffort auf das optische Absorptionselement 10 angepasst, sodass der Primärlichtstrahl 3 vollständig auf das optische Absorptionselement 10 trifft und nicht auf das Reflektorelement 9. Da die reflektierende Oberfläche 14 des optischen Spiegels 11, vorliegend aufgrund von Interferenzeffekten, den Primärlichtstrahl 3 transmittiert bzw. absorbiert, jedoch nicht oder nur minimal reflektiert, gelangt der Primärlichtstrahl 3 in die in der Strahlrichtung betrachtet hinter dem optischen Spiegel 11 gelegene lochartige Strahlfalle 13, wodurch ein Wiedereintritt, beispielsweise durch ein erneutes Reflektieren und Transmittieren durch den optischen Spiegel 11 hindurch, in einen Innenraum 15 des Scheinwerfers 1, in welchen sich das Konverterelement 7 befindet und welcher zumindest teilweise durch die reflektierende Oberfläche 12 des Konverterelements 9 begrenzt wird, ausgeschlossen. Somit ist sichergestellt, dass der Primärlichtstrahl 3 nicht in die für die Sekundärstrahlung 8 vorbestimmte Richtung x von dem Scheinwerfer 1 abgestrahlt wird und dass der Primärlichtstrahl 3 auch bei einem gebrochenen Konverterelement 7 nicht zu einer Blendung von weiteren Verkehrsteilnehmern führt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012220481 A1 [0003]
