DE102014116507A1

DE102014116507A1 - Beleuchtungsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102014116507A1
Application number: DE102014116507.1A
Authority: DE
Inventors: Stefan Brückner; Stefan Eberhardt
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2014-11-12
Filing date: 2014-11-12
Publication date: 2016-05-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung (1) eines Kraftfahrzeugs, umfassend mindestens eine Laserlichtquelle (2), die während des Betriebs kohärentes Laserlicht (3) emittieren kann, wobei die Beleuchtungsvorrichtung (1) Mittel zur Bewegung der mindestens einen Laserlichtquelle (2) umfasst, die so ausgebildet sind, dass durch die Bewegung der mindestens einen Laserlichtquelle (2) bei einer Streuung des Laserlichts (3) an einer optisch rauen Oberfläche (50) eines Objekts (5) ein zeitlich veränderliches Speckle-Muster erzeugbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs, umfassend mindestens eine Laserlichtquelle, die während des Betriebs kohärentes Laserlicht emittieren kann.
In der Kraftfahrzeugbeleuchtungstechnik werden als Lichtquellen in zunehmendem Maße Laserlichtquellen eingesetzt. Derartige Laserlichtquellen weisen gegenüber herkömmlichen Glühlampen, Gasentladungslampen oder Leuchtdioden einige lichttechnische Vorteile auf. Zu nennen ist in diesem Zusammenhang insbesondere eine höhere Leuchtdichte, die zu einer verbesserten Ausleuchtung der Umgebung des Kraftfahrzeugs beitragen kann. Im Gegensatz zu Glühlampen, Gasentladungslampen oder Leuchtdioden emittieren Laserlichtquellen monochromatisches Licht, welches sich überdies durch seine Kohärenz auszeichnet.
Es zeigt sich, dass die Insassen eines Kraftfahrzeugs in typischen Fahr- und Beleuchtungssituationen unter Umständen keine visuellen Unterschiede zwischen herkömmlichen Beleuchtungsvorrichtungen (insbesondere Beleuchtungsvorrichtungen mit Leuchtdioden) und Beleuchtungsvorrichtungen mit Laserlichtquellen wahrnehmen.
Die vorliegende Erfindung macht es sich daher zur Aufgabe, eine Beleuchtungsvorrichtung der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die eine visuelle Differenzierung gegenüber herkömmlichen, nicht laserbasierten Beleuchtungsvorrichtungen ermöglicht.
Die Lösung dieser Aufgabe liefert eine gattungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Beleuchtungsvorrichtung Mittel zur Bewegung der mindestens einen Laserlichtquelle umfasst, die so ausgebildet sind, dass durch die Bewegung der mindestens einen Laserlichtquelle bei einer Streuung des Laserlichts an einer optisch rauen Oberfläche eines Objekts ein zeitlich veränderliches Speckle-Muster erzeugbar ist. Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass bei einer Beleuchtung einer optisch rauen Oberfläche eines Objekts mit kohärentem Laserlicht so genannte Speckle-Muster beobachtet werden können. Eine Oberfläche ist als optisch rau anzusehen, wenn die Unebenheiten der Oberfläche unter parallel auftreffenden Laserstrahlen einen Weglängenunterschied zwischen einem Viertel der Wellenlänge (λ/4) und der halben Kohärenzlänge (λ_c/2) der Laserstrahlen hervorrufen können. Speckle-Muster entstehen dadurch, dass die kohärenten Wellen des Laserlichts an Unebenheiten der Oberfläche diffus gestreut werden. Die von der optisch rauen Oberfläche gestreuten Wellen interferieren im Fernfeld miteinander und bilden dadurch das Speckle-Muster, welches helle und dunkle Bereiche aufweist. Die Amplituden und Phasen der Laserlichtwellen weisen dabei eine zufällige Verteilung auf. Bei feststehender Laserlichtquelle ergibt sich bei feststehender Position eines Betrachters ein statisches Speckle-Muster. Um eine stärkere visuelle Betonung des Speckle-Musters zu erreichen, ist die Beleuchtungsvorrichtung erfindungsgemäß so ausgebildet, dass bei feststehender Position des Betrachters eine zeitliche Änderung des Speckle-Musters wahrgenommen werden kann. In diesem Zusammenhang kann auch von einem dynamischen (zeitlich veränderlichen) Speckle-Effekt gesprochen werden. Diese zeitliche Änderung des Speckle-Musters wird durch die Bewegung der Laserlichtquelle bewirkt. Die Bewegung kann zum Beispiel eine Schwingungsbewegung sein.
Vorzugsweise kann die Beleuchtungsvorrichtung eine optische Strahlbeeinflussungseinrichtung umfassen, die in Ausbreitungsrichtung des Laserlichts hinter der Laserlichtquelle angeordnet ist und mindestens ein optisches Strahlbeeinflussungsmittel aufweist, welches das Laserlicht optisch beeinflussen kann. Das mindestens eine optische Strahlbeeinflussungsmittel kann insbesondere lichtreflektierend, lichtbrechend oder lichtstreuend ausgebildet sein.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass die Beleuchtungsvorrichtung Mittel zur Bewegung der optischen Strahlbeeinflussungseinrichtung und/oder des mindestens einen optischen Strahlbeeinflussungsmittels umfasst, die so ausgebildet sind, dass durch die Bewegung der optischen Strahlbeeinflussungseinrichtung und/oder des mindestens einen optischen Strahlbeeinflussungsmittels bei einer Streuung des Laserlichts an einer optisch rauen Oberfläche eines Objekts ein zeitlich veränderliches Speckle-Muster erzeugbar ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Mittel mindestens einen Aktor umfassen, der an die Laserlichtquelle angeschlossen ist. Der Aktor kann vorzugsweise an eine Steuerungseinrichtung angeschlossen sein, mittels derer eine gezielte Ansteuerung des Aktors möglich ist, um die Laserlichtquelle zur Erzeugung des dynamischen Speckle-Musters gezielt bewegen zu können.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Mittel einen ersten Aktor, der an die Laserlichtquelle und einen zweiten Aktor, der an die optische Strahlbeeinflussungseinrichtung oder an das mindestens eine optische Strahlbeeinflussungsmittel angeschlossen ist, umfassen. Die Aktoren sind vorzugsweise an eine gemeinsame Steuerungseinrichtung angeschlossen, welche die Aktoren gezielt ansteuern kann, um die Laserlichtquelle sowie die gesamte optische Strahlbeeinflussungseinrichtung oder das mindestens eine bewegbare optische Strahlbeeinflussungsmittel zur Erzeugung des dynamischen Speckle-Musters in definierter Weise gezielt bewegen zu können.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die optische Strahlbeeinflussungseinrichtung eine Mehrzahl optischer Strahlbeeinflussungsmittel umfasst, von denen zumindest eines bewegbar ausgebildet ist. Durch das Vorsehen und die Auswahl mehrerer optischer Strahlbeeinflussungsmittel kann die Abstrahlcharakteristik der Beleuchtungsvorrichtung gezielt an den jeweiligen Verwendungszweck angepasst werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass der mindestens eine Aktor piezoelektrisch ausgeführt ist. Es hat sich gezeigt, dass für eine Dynamisierung des Speckle-Effekts bereits relativ geringe Bewegungen ausreichend sind, die mittels eines piezoelektrischen Aktors sehr präzise ausgeführt werden können. Der piezoelektrische Aktor kann insbesondere eine Anzahl übereinander gestapelter Piezoelemente umfassen.
In einer alternativen Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass der mindestens eine Aktor elektrostatisch ausgeführt ist. Mittels eines elektrostatischen Aktors wird eine Kraft, die von einem elektrischen Feld auf eine Ladung ausgeübt wird, in eine Bewegung umgesetzt.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, dass der mindestens eine Aktor elektrodynamisch ausgeführt ist.
In einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltungsvariante wird vorgeschlagen, dass die Beleuchtungsvorrichtung zumindest ein Auflagermittel umfasst, um das die Laserlichtquelle oder die optische Strahlbeeinflussungseinrichtung oder das mindestens eine optische Strahlbeeinflussungsmittel schwenkbar ist. Es hat sich gezeigt, dass bereits geringe Ablenkwinkel ausreichend sind, um eine Dynamisierung des Speckle-Musters zu bewirken, die zu einer verbesserten visuellen Wahrnehmung des Vorhandenseins einer Laserlichtquelle in der Beleuchtungsvorrichtung führt.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende 1, die eine schematisch stark vereinfachte Ansicht einer Beleuchtungsvorrichtung 1 eines Kraftfahrzeugs zeigt.
Die Beleuchtungsvorrichtung 1 umfasst eine Laserlichtquelle 2, die während des Betriebs kohärentes, monochromatisches Laserlicht 3 emittieren kann, und eine optische Strahlbeeinflussungseinrichtung 4, die in Strahlausbreitungsrichtung hinter der Laserlichtquelle 2 angeordnet ist und das Laserlicht 3 optisch beeinflussen kann.
Die optische Strahlbeeinflussungseinrichtung 4 umfasst in an sich bekannter Weise eine Anzahl optischer Strahlbeeinflussungsmittel 40, 41, 42, die die Abstrahlcharakteristik der Beleuchtungsvorrichtung 1 beeinflussen können. Die Art, Anzahl und Anordnung der optischen Strahlbeeinflussungsmittel 40, 41, 42 können gezielt an den konkreten Beleuchtungszweck der Beleuchtungsvorrichtung 1 angepasst werden. Die optischen Strahlbeeinflussungsmittel 40, 41, 42 können zum Beispiel Reflexionsflächen, Reflektoren, lichtbrechende Elemente, insbesondere Linsen, oder lichtstreuende Elemente, insbesondere Streuscheiben, sein. Durch eine entsprechende Auswahl der optischen Strahlbeeinflussungsmittel 40, 41, 42 kann die Abstrahlcharakteristik der Beleuchtungsvorrichtung 1 gezielt beeinflusst werden.
Wenn das kohärente Laserlicht 3 mit einer optisch rauen Oberfläche 50 eines Objekts 5 in Wechselwirkung tritt und dabei gestreut wird, entsteht ein für den Betrachter des mit der Beleuchtungsvorrichtung 1 ausgestatteten Kraftfahrzeugs visuell wahrnehmbares Speckle-Muster. Die physikalische Ursache für ein derartiges Speckle-Muster liegt darin, dass die kohärenten Wellen des Laserlichts 3 an Unebenheiten der Oberfläche 5 diffus gestreut werden. Die von der optisch rauen Oberfläche 50 gestreuten Wellen interferieren im Fernfeld miteinander und bilden dadurch ein Speckle-Muster mit hellen und dunklen Bereichen. Die Amplituden und Phasen der Laserlichtwellen weisen dabei eine zufällige Verteilung auf. Bei feststehender Laserlichtquelle 2 und feststehender Strahlbeeinflussungseinrichtung 4 ergibt sich ein feststehendes (statisches) Speckle-Muster. In diesem Zusammenhang kann auch von einem statischen Speckle-Effekt gesprochen werden. Das bedeutet, dass bei feststehender Position eines Betrachters (ohne Kopfbewegung) ein statisches Speckle-Muster visuell wahrgenommen wird.
Um eine stärkere visuelle Betonung des Speckle-Musters zu erreichen, ist die Beleuchtungsvorrichtung 1 so ausgebildet, dass bei feststehender Position des Betrachters eine zeitliche Änderung des Speckle-Musters erzeugt und von einem Betrachter wahrgenommen werden kann. In diesem Zusammenhang kann auch von einem dynamischen (zeitlich veränderlichen) Speckle-Effekt gesprochen werden.
Eine zeitliche Änderung des Speckle-Musters wird in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch erreicht, dass die Laserlichtquelle 2 während ihres Betriebs bewegt wird. Vorliegend ist die Laserlichtquelle 2 in der Nähe eines vorderen Abschnitts auf einem Auflagermittel 6 angeordnet, um das sie verschwenkt werden kann. Ein hinterer Abschnitt der Laserlichtquelle 2 ist auf einem Aktor 7 angeordnet, der die Schwenkbewegung der Laserlichtquelle 2 bewirken kann. Der Aktor 7 ist in diesem Ausführungsbeispiel piezoelektrisch ausgebildet und weist eine Anzahl übereinander gestapelter Piezoelemente 70 auf. Der Aktor 7 ist an eine Steuerungseinrichtung 8 angeschlossen, die so ausgebildet ist, dass sie die Piezoelemente 70 mit einer elektrischen Spannung versorgen kann. Die Piezoelemente 70 verformen sich auf Grund der an ihnen anliegenden elektrischen Spannung elastisch und bewirken dadurch die Schwenkbewegung der Laserlichtquelle 2 um das Auflagermittel 6 in der vorstehend beschriebenen Weise. Dadurch wird eine zeitliche Änderung des Speckle-Musters erhalten. Da für die Dynamisierung des Speckle-Effekts, welche die zeitliche, visuell wahrnehmbare Änderung des Speckle-Musters 6 bewirkt, bereits relativ kleine Schwenkwinkel der Laserlichtquelle 2 und damit verbunden relativ kleine Ablenkwinkel des Laserlichts 3 ausreichend sind, eignet sich ein piezoelektrisch ausgeführter Aktor 7 besonders gut für diesen Anwendungszweck. Durch eine Änderung der elektrischen Spannung, die auf Piezoelemente 70 des Aktors 7 einwirkt, kann die Laserlichtquelle 2 sehr präzise in der gewünschten Weise bewegt werden. Beispielsweise kann mit Hilfe des Aktors 7 eine Art Schwingungsbewegung der Laserlichtquelle 2 erzeugt werden. Andere Antriebsprinzipien, auf denen der Aktor 7 basiert, sind ebenfalls grundsätzlich denkbar. So ist es zum Beispiel möglich, dass der Aktor 7 elektrostatisch oder auch elektrodynamisch ausgeführt ist.
Alternativ oder zusätzlich kann die Beleuchtungsvorrichtung 1 auch so ausgebildet sein, dass zumindest eines der optischen Strahlbeeinflussungsmittel 40, 41, 42 der optischen Strahlbeeinflussungseinrichtung 4 derart bewegt werden kann, dass diese Bewegung ebenfalls zu einer zeitlichen Änderung des Speckle-Musters führt. In diesem Fall weist die Beleuchtungsvorrichtung 1 mindestens einen weiteren Aktor auf, der an das betreffende bewegbare optische Strahlbeeinflussungsmittel 40, 41, 42 angeschlossen ist und die Bewegung desselben bewirken kann. Der Aktor ist vorzugsweise ebenfalls an die Steuerungseinrichtung 8 angeschlossen und kann zum Beispiel piezoelektrisch, elektrostatisch oder elektrodynamisch ausgeführt sein.
Es besteht auch die Möglichkeit, dass die gesamte Strahlbeeinflussungseinrichtung 4 relativ zu dem von der Laserlichtquelle 2 emittierten Laserlicht 3 bewegbar ausgeführt ist, um eine zeitliche Änderung des Speckle-Musters zu bewirken. Beispielsweise können die optischen Strahlbeeinflussungsmittel 40, 41, 42 in einem Gehäuse untergebracht sein, das mittels eines Aktors, der vorzugsweise an die Steuerungseinrichtung 8 angeschlossen ist, bewegt werden kann.

Claims

Beleuchtungsvorrichtung (1) eines Kraftfahrzeugs, umfassend mindestens eine Laserlichtquelle (2), die während des Betriebs kohärentes Laserlicht (3) emittieren kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsvorrichtung (1) Mittel zur Bewegung der mindestens einen Laserlichtquelle (2) umfasst, die so ausgebildet sind, dass durch die Bewegung der mindestens einen Laserlichtquelle (2) bei einer Streuung des Laserlichts (3) an einer optisch rauen Oberfläche (50) eines Objekts (5) ein zeitlich veränderliches Speckle-Muster erzeugbar ist.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsvorrichtung (1) eine optische Strahlbeeinflussungseinrichtung (4) umfasst, die in Ausbreitungsrichtung des Laserlichts (3) hinter der Laserlichtquelle (2) angeordnet ist und mindestens ein optisches Strahlbeeinflussungsmittel (40, 41, 42) aufweist, welches das Laserlicht (3) optisch beeinflussen kann.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsvorrichtung (1) Mittel zur Bewegung der optischen Strahlbeeinflussungseinrichtung (4) und/oder des mindestens einen optischen Strahlbeeinflussungsmittels (40, 41, 42) umfasst, die so ausgebildet sind, dass durch die Bewegung der optischen Strahlbeeinflussungseinrichtung (4) und/oder des mindestens einen optischen Strahlbeeinflussungsmittels (40, 41, 42) bei einer Streuung des Laserlichts (3) an einer optisch rauen Oberfläche (50) eines Objekts (5) ein zeitlich veränderliches Speckle-Muster erzeugbar ist.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel mindestens einen Aktor (7) umfassen, der an die Laserlichtquelle (2) angeschlossen ist.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel einen ersten Aktor (7), der an die Laserlichtquelle (2) und einen zweiten Aktor, der an die optische Strahlbeeinflussungseinrichtung (4) oder an das mindestens eine optische Strahlbeeinflussungsmittel (40, 41, 42) angeschlossen ist, umfassen.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Strahlbeeinflussungseinrichtung (4) eine Mehrzahl optischer Strahlbeeinflussungsmittel (40, 41, 42) umfasst, von denen zumindest eines bewegbar ausgebildet ist.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel eine Steuerungseinrichtung (8) zur Steuerung der Bewegung der mindestens einen Laserlichtquelle (2) und/oder der optischen Strahlbeeinflussungseinrichtung (4) und/oder des mindestens einen optischen Strahlbeeinflussungsmittels (40, 41, 42) umfassen.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Aktor (7) piezoelektrisch ausgeführt ist.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Aktor (7) eine Anzahl übereinander gestapelter Piezoelemente (70) umfasst.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Aktor (7) elektrostatisch oder elektrodynamisch ausgeführt ist.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsvorrichtung (1) zumindest ein Auflagermittel (6) umfasst, um das die Laserlichtquelle (2) oder die optische Strahlbeeinflussungseinrichtung (4) oder das mindestens eine optische Strahlbeeinflussungsmittel (40, 41, 42) schwenkbar ist.