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Die Erfindung geht von einem Scheinwerfermodul nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs aus.
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Stand der Technik
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Scheinwerfer aus dem Bereich der Kraftfahrzeugtechnik ermöglichen die Wahl zwischen mehreren, fest definierten Lichtverteilungen, wie zum Beispiel Abblendlicht, Fernlicht und Nebellicht. Zunehmend finden sogenannte adaptive Scheinwerfersysteme Verbreitung, die die Auswahl an Lichtverteilungen erweitern und beispielsweise dynamisches Kurvenlicht, Autobahn-, Stadt- und Schlechtwetterlicht ermöglichen. Die Auswahl der Lichtverteilungen kann dabei situationsbedingt vom Kraftfahrzeug-System vorgenommen werden.
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Eine Weiterentwicklung im Bereich der Fahrzeugbeleuchtung stellen sogenannte aktive Scheinwerfer dar. Diese sind nicht auf vordefinierte Lichtverteilungen beschränkt, sondern ermöglichen, ähnlich wie ein Projektor, eine beliebige Lichtverteilung im Raum vor dem Fahrzeug. Mit solch einem System ist es beispielsweise möglich, entgegenkommende und vorausfahrende Fahrzeuge innerhalb des eigenen Fernlichtkegels auszublenden, auch als sogenanntes blendfreies Fernlicht bezeichnet, oder auch mögliche Gefahrenquellen durch direkte Beleuchtung für den Fahrer hervorzuheben.
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Solche aktiven Scheinwerfer können im Wesentlichen auf zwei prinzipielle Weisen realisiert werden. Bei subtraktiven Systemen wird der gesamte erzeugte Lichtstrom über eine Matrix optisch aktiver Elemente, zum Beispiel LCD, LCoS, DMD, geleitet. Helle Bereiche werden dadurch erzeugt, dass der Lichtstrom durchgelassen wird. Für dunkle Bereiche wird der Lichtstrom mittels der optisch akiven Elemente, beispielsweise LCD oder LCoS, absorbiert oder, beispielsweise mittels DMD, in Richtung eines Absorbers abgelenkt. Bei subtraktiven Systemen finden die Erzeugung des Lichtes und dessen variable Verteilung im Raum in unterschiedlichen Bauteilen statt. Aus diesem Grund limitiert die Leistungsdichte der Lichtquelle nicht die Auflösung des Systems. Kleinbauende Systeme mit relativ hohen Auflösungen lassen sich daher erreichen. Prinzipbedingt sind die optischen Verluste in einem subtraktiven System höher als bei einem additiven System.
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Additive Systeme beleuchten die Szenerie über Matrixanordnungen von Lichtquellen, beispielsweise LED, bei denen sich die einzelnen Lichtquellen je nach Bedarf ein- und ausschalten lassen. Bei einem idealen additiven System wird also immer die gesamte erzeugte Lichtmenge genutzt. Die notwendige Entwärmung der Lichtquellenmatrix limitiert bei einem solchen System typischerweise die Baugröße, die maximale Helligkeit und/oder die erreichbare Auflösung.
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Eine Möglichkeit, Lichterzeugung und -verteilung in einem additiven aktiven Scheinwerfersystem räumlich voneinander zu trennen ist die Verwendung eines mit elektromagnetischer Strahlung, zum Beispiel Laserstrahlung, anregbaren Leuchtstoffes. Der Leuchtstoff wird hierbei mit der anregenden Strahlung abgerastert und danach mit Hilfe einer Projektionsoptik abgebildet. Das Prinzip ist beispielsweise in der
DE 10 2010 028 949 A1 dargestellt.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Scheinwerfermodul mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs bietet den Vorteil eines erhöhten räumlichen Auflösungsvermögens des von ihm abgestrahlten Lichts, eines verbesserten Kontrasts sowie einer gesteigerter Lichtausbeute. Zur Erzielung einer vergleichbaren Helligkeit am gewünschten Beleuchtungszielort ist damit im Vergleich zur Lösung gemäß dem Stand der Technik eine geringere Energiezufuhr erforderlich. Zudem erzeugt das System weniger Abwärme, so dass der Aufwand zur Kühlung des Systems verringert werden kann.
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Dies wird mit einem Scheinwerfermodul erreicht, welches einen Leuchtstoff, der mittels elektromagnetischer Strahlung zur Lichtemission anregbar ist, eine Strahlungsquelle zur Anregung des mindestens einen Leuchtstoffs und eine Trägervorrichtung für den Leuchtstoff umfasst, bei dem eine Oberfläche der Trägervorrichtung eine Struktur mit Vertiefungen aufweist und bei dem der Leuchtstoff in den Vertiefungen der Oberfläche der Trägervorrichtung angeordnet ist. Die Vertiefungen dienen als Reflektoren, und bündeln das von dem Leuchtstoff abgegebene Licht.
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Das erfindungsgemäße Scheinwerfermodul kann vorteilhaft im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik, dort insbesondere als Bestandteil eines aktiven Fahrlichts, wie im Abschnitt Stand der Technik beschrieben, also in einem Fahrzeug-Scheinwerfer eingesetzt werden. Weitere vorteilhafte Einsatzmöglichkeiten sind beispielsweise Scheinwerfer für die Bühnenbeleuchtung, Arbeitsplatzbeleuchtungen, Wohnraumbeleuchtungen und Andere.
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Vorteilhaft weisen die Vertiefungen der Leuchtstoff-Trägervorrichtung jeweils eine reflektierende Oberfläche auf, auf die der Leuchtstoff aufgebracht ist. Damit wird eine Absorption von Teilen des vom Leuchtstoff erzeugten Lichts durch die Trägervorrichtung verringert und damit die Lichtausbeute erhöht und die Abwärme des Systems, die ansonsten möglicherweise durch gesonderte Kühlmaßnahmen abgeführt werden müsste, verringert. Vorteilhaft kann die reflektierende Oberfläche der Vertiefungen durch eine in die Vertiefung eingebrachte reflektierende Schicht gebildet werden. Alternativ wäre auch eine Politur zur Herstellung einer reflektierenden Oberfläche der Vertiefungen denkbar.
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Vorteilhaft weisen die den Leuchtstoff enthaltenden Vertiefungen der Oberfläche der Trägervorrichtung eine ellipsoide Form auf. Diese Form ist besonders zur Bündelung des von dem Leuchtstoff diffus, also ungerichtet abgestrahlten Lichts geeignet.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert. Es zeigen
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1 eine schematische Darstellung des zum Verständnis der Erfindung wesentlichen Teils eines Scheinwerfermoduls gemäß dem Stand der Technik und
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2 eine schematische Darstellung des erfindungswesentlichen Teils des erfindungsgemäßen Scheinwerfermoduls.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In
1 ist in schematischer Darstellung der zum Verständnis der Erfindung wesentliche Teil eines Scheinwerfermoduls
10 gemäß dem Stand der Technik und wie beispielsweise in
DE 10 2010 028 949 A1 im Detail beschrieben, gezeigt.
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Dieses Scheinwerfermodul 10 umfasst eine Strahlungsquelle 12, die zur Abgabe von elektromagnetischer Strahlung, im vorliegenden Fall von Laserlicht, im vorliegenden Fall blauem Laserlicht, ausgebildet ist. Beispielsweise kann die Strahlungsquelle 12 eine Laserdiode sein. Die Strahlungsquelle 12 gibt die Strahlung, hier das Laserlicht gerichtet und gebündelt, also in Form eines Laserstrahls ab. Die Strahlung der Strahlungsquelle 12 trifft auf eine Strahllenkungsvorrichtung 14, die einen Spiegel, bevorzugt eine Mikrospiegelvorrichtung umfasst. Der Mikrospiegel ist, wie mit den beiden Doppelpfeilen angedeutet, als in Reaktion auf eine elektrische Ansteuerung in zwei Raumachsen verschwenkbarer Mikrospiegel ausgebildet. Somit kann der auftreffende Laserlichtstrahl in Abhängigkeit der elektrischen Ansteuerung der des Mikrospiegels in eine gewünschte Richtung abgelenkt werden. Statt eines einzigen in zwei Raumachsen verschwenkbaren Mikrospiegels können auch zwei Mikrospiegel verwendet werden, die in jeweils einer Raumrichtung schwenkbar sind. Sofern keine vertikale Auflösung benötigt wird, wäre auch ein einachsiger Spiegel möglich.
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Die von der Strahllenkungsvorrichtung 14 abgelenkte Strahlung der Strahlungsquelle 12 trifft auf einen mittels elektromagnetischer Strahlung, hier beispielsweise blauem Laserlicht, anregbaren Leuchtstoff 20, der auf einer Trägervorrichtung 18 angeordnet ist. Die Trägervorrichtung 18 besteht vorzugsweise aus hoch wärmeleitfähigem Material, beispielsweise einer geeigneten Keramik, wie Keramik beispielsweise aus polykristalliner Aluminiumoxidkeramik (PCA) oder aus Saphir. Die Strahllenkungsvorrichtung 14 ermöglicht die Umlenkung des von der Strahlungsquelle 12 erzeugten Strahlungs-Strahls auf einen beliebigen Punkt der Oberfläche des Leuchtstoffs 20. Die in der Figur nicht separat dargestellte Ansteuerung der Strahllenkungsvorrichtung 14 ist dazu ausgebildet, die von der Strahlungsquelle 12 abgegebene Strahlung derart abzulenken, dass zeitlich nacheinander unterschiedliche Bereiche des Leuchtstoffs 20 angeregt werden.
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Ähnlich etwa dem zeilenweisen Bildaufbau bei einer Bildröhre eines Fernsehgeräts bei dem das menschliche Auge durch ein geeignetes zeitliches und räumliches Ansteuermuster ein flächiges Bild wahrnimmt, wird erfindungsgemäß auch das Ansteuermuster der Strahllenkungsvorrichtung 14 ausgeführt, sodass aus einem Zusammenspiel von zeitlichem Auflösungsvermögen des menschlichen Auges und Reaktionszeiten des Leuchtstoffs 20 das menschliche Auge ein stetiges Leuchten des Scheinwerfermoduls ohne Flimmern oder dergleichen wahrnimmt.
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Infolge der Anregung mittels der elektromagnetischen Strahlung 13 gibt der Leuchtstoff Licht 21 ab. Die Lichtabgabe ist dabei bei der Lösung gemäß dem Stand der Technik nicht gebündelt, sondern diffus. Durch geeignete Ablenkungsschemata ergeben sich die gewünschten Lichtverteilungen des Scheinwerfermoduls und des das Scheinwerfermodul aufweisenden Scheinwerfers beispielsweise eines Kraftfahrzeugs.
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Bezüglich des Aufbaus und der Funktionsweise des beschriebenen Scheinwerfermoduls sowie eines geeigneten Leuchtstoffs wird auf die
DE 10 2010 028 949 A1 verwiesen, deren Offenbarungsgehalt hiermit in die vorliegende Patentanmeldung einbezogen wird.
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In 2 ist in schematischer Darstellung der erfindungswesentliche Teil eines erfindungsgemäßen Scheinwerfermoduls 10 gezeigt. Im Gegensatz zu dem Scheinwerfermodul 10 gemäß 1 weist die Trägervorrichtung 18 des erfindungsgemäßen Scheinwerfermoduls 10 eine strukturierte Oberfläche 19 auf, welche Vertiefungen 17 umfasst. Die Struktur kann vorteilhaft eine Mikrostruktur sein.
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Die genaue Form der einzelnen Mikroreflektoren kann beispielsweise mittels optischer Simulation bestimmt werden. Sie sollte derart beschaffen sein, dass sie das abgestrahlte Licht kollimiert. Die Mikroreflektoren eignen sich vor allem für eine vorderseitige Anregung, wie sie in
2 dargestellt ist. Anstelle von Mikroreflektoren können auch Mikrooptiken eingesetzt werden, die sich für eine für eine rückseitige Anregung eignen, wie sie auch in der
DE 10 2010 028 949 A1 beschrieben ist.
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Die Mikrostrukturen sollten größer als die Wellenlänge des verwendeten Laserlichts (450 nm) und kleiner als 1 mm sein. Idealerweise sollten die Strukturgrößen zwischen 1 µm und 100 µm liegen.
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Zur Herstellung der Mikrostruktur stehen prinzipiell stehen alle Möglichkeiten der flächigen Mikrostrukturierung zur Verfügung. Am vielversprechensten erscheinen allerdings Prägeverfahren wie zum Beispiel. Mikro- und Nanoimprintverfahren. Auch Ablationsverfahren, wie zum Beispiel Laserablation, mit anschließender chemischer oder physikalischer Glättung kommen in Frage.
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In den Vertiefungen 17 der Oberfläche 19 der Trägervorrichtung 18 ist der elektromagnetisch anregbare Leuchtstoff 20 eingebracht. Vorzugsweise befindet sich der Leuchtstoff 20 dabei ausschließlich innerhalb der Vertiefungen 17. Durch die Anregungsquelle 12, hier den Laser 12, angeregt gibt der Leuchtstoff 20 diffuses, also ungerichtetes Licht ab. Der Teil des Lichts, der in Richtung des Bodens 171 oder der Wandungen 172 der Vertiefungen 17 abgestrahlt wird, wird vom Boden 171 oder den Wandungen 172 zumindest teilweise reflektiert. Zur Verminderung einer Absorption von Teilen des in Richtung Boden oder Wandungen der Vertiefungen 17 abgestrahlten Lichts und damit zu Erhöhung des Reflexionsgrades weisen die Vertiefungen 17 eine Verspiegelung 15 auf. Diese kann durch Politur der Vertiefungen erfolgen. Alternativ kann bevorzugt auch eine reflektierende Schicht 15 eingebracht sein. Die reflektierende Schicht kann beispielsweise aus metallischem Material mit hoher Reflektivität, wie beispielsweise Silber (Ag) oder Aluminium (Al) oder dielektrischen Schichten oder Schichtstapeln aus Materialien, welche keine oder nur eine sehr geringe Absorption bei der Laserwellenlänge aufweisen wie beispielsweise Siliziumnitrid (SiN), Siliziumdioxid (SiO2), Titandioxid (TiO2).
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Zum Einbringen oder Herstellen der reflektierenden Schicht können bekannte Verfahren, wie Aufdampfen, beispielsweise thermisches Verdampfen, Elektronen- oder Ionenstrahlverdampfen, Physical Vapor Deposition (PVD) Methoden, wie zum Beispiel Sputtern oder Pulsed Laser Deposition (PLD), Abscheidung aus der Gasphase zum Beispiel Chemical Vapor Deposition (CVD), Plasma Enhanced CVD (PECVD) oder elektrochemische Abscheidung aus einer Lösung verwandt werden.
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Der Leuchtstoff besteht aus einem optisch aktiven Leuchtstoffpulver, das in ein geeignetes Matrixmaterial eingebettet ist. Das Matrixmaterial sollte im relevanten Wellenlängenbereich optisch transparent sein, einen geeigneten Brechnungsindex aufweisen und eine ausreichende thermische Leitfähigkeit zur Abfuhr der Abwärme aufweisen. Typische Matrixmaterialien sind Kunststoffe wie Polymere und Polycarbonate, Glas, Silikon, oder ähnliches. Das Gemisch aus Leuchtstoffpulver und Matrixmaterial kann vor der endgültigen Aushärtung in Form einer Flüssigkeit, eines Gels oder einer Paste vorliegen und in dieser Form auf das strukturierte Trägersubstrat aufgebracht werden.
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Aus den Vertiefungen 17 tritt durch die Wandungen 172 und den Boden 171 reflektiertes und direkt von dem Leuchtstoff 20 aus der Vertiefung 17 heraus abgestrahltes Licht 21 aus. Dieses weist gegenüber dem Stand der Technik eine geringere Divergenz auf. Durch eine geeignete Formgebung der Vertiefungen kann das aus den Vertiefungen 17 austretende Licht weiter gebündelt werden. Dazu weisen die Vertiefungen 17 vorzugsweise einen ellipsoiden Querschnitt auf. Dieser Querschnitt hat sich für die Bündelung diffus abgestrahlten Lichts als vorteilhaft erwiesen. Alternativ kann auch die Form eines Mikro-Freiformreflektors verwendet werden. Ein Freiformreflektor ist ein Reflektor, dessen Form keiner mathematisch definierbaren Figur entspricht. Makroskopische Freiformreflektoren sind an sich bekannt und werden in vielen Kraftfahrzeugen als Hauptoptik in Klarglasscheinwerfern verwendet.
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Zum weiteren Aufbau und Funktionsweise des erfindungsgemäßen Scheinwerfermoduls wird auf die Beschreibung im Zusammenhang mit
1 sowie die Offenbarung der
DE 10 2010 028 949 A1 verwiesen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010028949 A1 [0006, 0015, 0020, 0022, 0029]
