DE102015015360A1

DE102015015360A1 - Scheinwerfer für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102015015360A1
Application number: DE102015015360.9A
Authority: DE
Inventors: Rouven HABERKORN; Justus ILLIUM; Philipp Roeckl; Gregor KRIEG
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-11-27
Filing date: 2015-11-27
Publication date: 2017-06-01
Also published as: CN106813183A; US20170152999A1; US10429022B2

Abstract

Ein Scheinwerfer für ein Kraftfahrzeug umfasst eine Lichtquelle (1), eine Projektionslinse (4), ein eine chromatische Aberration der Projektionslinse korrigierendes optisches Element (6, 11, 12, 13) und eine zwischen der Lichtquelle (1) und der Projektionslinse (4) angeordneten Blende (5), an der das korrigierende optische Element (6, 11, 12, 13) beabstandet von der Projektionslinse (4) montiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Scheinwerfer für ein Kraftfahrzeug mit Mitteln zur Unterdrückung eines Farbsaumes an einer Hell-Dunkel-Grenze einer Lichtverteilung des Scheinwerfers.
Ein solcher Farbsaum ist zurückzuführen auf die chromatische Aberration, einen bekannten Abbildungsfehler optischer Systeme, der mit der Abhängigkeit der Brechzahl der optischen Werkstoffe von der Wellenlänge des hindurchtretenden Lichts zusammenhängt. In bildgebenden optischen Systemen wie Mikroskopen, Teleskopen und Kameras werden zur Unterdrückung der chromatischen Aberration seit langem sogenannte Achromate oder Apochromate eingesetzt, Linsensysteme, bei denen die Werkstoffe mehrerer dicht hintereinander montierter Linsen so aufeinander abgestimmt sind, dass das Linsensystem exakt übereinstimmende Brennweiten an zwei oder drei Wellenlängen des sichtbaren Spektrums aufweist.
Bei der Konstruktion von Scheinwerfern hat die chromatische Aberration bislang wenig Aufmerksamkeit erfahren, da die herkömmlicherweise verwendeten Glühfadenlichtquellen an ihren Rändern eine kontinuierlich abnehmende Helligkeit aufweisen und chromatische Aberration an den Rändern der mit ihrer Hilfe projizierten Lichtkegel kaum sichtbar wird. Sichtbar wird eine chromatische Dispersion hier allenfalls an der Kante einer Blende, die einen Teil des Lichtstroms blockiert.
Ein Fahrzeugscheinwerfer, bei dem ein Achromat, zur Unterdrückung eines Farbsaums an einer Blendenkante eingesetzt wird, ist aus DE 10 2010 046 626 A1 bekannt. In dem Achromaten sind eine Projektionslinse, eine Zerstreuungslinse und einem mit einem transparenten Medium gefüllten Zwischenraum zu einer Baueinheit verbunden. Der Zwischenraum vereinfacht die Fertigung der Linsen des Achromaten, da die einander zugewandten Linsenoberflächen nicht exakt gleiche Krümmungen aufweisen müssen, im Gegenzug verkompliziert sich jedoch dessen Zusammenbau, da die Linsen unabhängig voneinander gehaltert und der Zwischenraum zwischen ihnen abgedichtet werden muss.
Eine Aufgabe der Erfindung ist, einen Fahrzeugscheinwerfer mit Korrektur der chromatischen Aberration zu schaffen, der kostengünstig und einfach zu fertigen ist.
Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einem Scheinwerfer für ein Kraftfahrzeug mit einer Lichtquelle, einer Projektionslinse, einem eine chromatische Aberration der Projektionslinse korrigierenden optischen Element und einer zwischen der Lichtquelle und der Projektionslinse angeordneten Blende das korrigierende optische Element beabstandet von der Projektionslinse an der Blende montiert ist.
Das korrigierende optische Element kann in an sich bekannter Weise aus einem Flintglas bestehen. Aus gewichts- und fertigungstechnischen Gründen ist ein transparenter Kunststoff, insbesondere Polycarbonat, als Werkstoff für das korrigierende optische Element bevorzugt.
Entsprechend kann die Projektionslinse aus einem Kronglas oder einem zweiten transparenten Kunststoff, wie etwa Polymethylmethacrylat, bestehen.
Wenn das korrigierende optische Element wie oben erwähnt aus Kunststoff gefertigt ist, können es und die Blende aneinander angespritzt sein. Dies ermöglicht eine sowohl kostengünstige als auch präzise Fertigung der aus Blende und korrigierendem optischem Element zusammengesetzten Baugruppe.
Die Blende kann eine sich in Richtung der optischen Achse der Projektionslinse erstreckende Schulter aufweisen, auf der das korrigierende optische Element angebracht ist. Dies erlaubt eine Anbringung des korrigierenden optischen Elements sowohl durch Anspritzen als auch auf anderem Wege, wie etwa durch Verkleben.
Einer weiteren Alternative zufolge kann das korrigierende optische Element, etwa in Form einer Folie, auf einer von der Lichtquelle durchstrahlten transparenten Platte aufgebracht sein, die einteilig mit der Blende ausgebildet ist.
Einer noch weitergehenden Vereinfachung zufolge ist das korrigierende optische Element als solches einteilig mit der Blende gefertigt.
Die Blende kann diesen letztgenannten Alternativen zufolge eine lichtundurchlässige Schicht umfassen, die auf einem transparenten Trägermaterial angeordnet oder in einem transparenten Trägermaterial eingebettet ist. Dieses Trägermaterial kann dann auch die transparente Platte oder das korrigierende optische Element bilden.
Als korrigierendes optisches Element kommt eine Zerstreuungslinse in Betracht.
Eine hochpräzise Korrektur der chromatischen Dispersion bei gleichzeitiger Gewichtsreduktion ist mit einem mikrostrukturierten diffraktiven optischen Element als korrigierendes optisches Element möglich.
Wenn ein Reflektor angeordnet ist, um Licht der Lichtquelle auf die Projektionslinse zu lenken, und ein Brennpunkt des Reflektors zwischen dem Reflektor und der Projektionslinse liegt, kann das zwischen der Lichtquelle und der Projektionslinse angeordnete korrigierende optische Element vorteilhafterweise kleinere Abmessungen als die Projektionslinse haben.
Als Lichtquelle des Scheinwerfers sollte wenigstens eine LED vorgesehen sein, da deren relativ geringe Wärmeerzeugung die Verwendung von Kunststoffen für die Blende und das korrigierende optische Element erleichtert.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Fahrzeugscheinwerfer gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;
2 einen schematischen Längsschnitt durch einen Fahrzeugscheinwerfer gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung; und
3 einen schematischen Längsschnitt durch einen Fahrzeugscheinwerfer gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung.
Der in 1 im Längsschnitt gezeigte Scheinwerfer umfasst als Lichtquelle 1 eine Weißlicht-LED, die auf einem in etwa in etwa horizontal orientierten, Abwärme der Lichtquelle 1 ableitenden Träger 2 montiert ist. Die Lichtquelle 1 emittiert in Richtung ihrer Oberflächennormalen, im Wesentlichen aufwärts, gegen einen konkaven Reflektor 3. Der Reflektor 3 lenkt das Licht nach vorne, in Richtung einer Projektionslinse 4, um und erzeugt dabei ein Bild der Lichtquelle in einer Bildebene F innerhalb des Scheinwerfers. In der Bildebene F liegen eine Blende 5 sowie der Brennpunkt eines Linsensystems, das von der Projektionslinse 4 und einer Zerstreuungslinse 6 gebildet ist, so dass die Kontur der Blende 5 von dem Linsensystem scharf in die Ferne projiziert wird und ein Lichtkegel erzeugt wird, der durch eine scharfe obere Begrenzung eine Blendung des Gegenverkehrs vermeidet.
1 zeigt stark überzeichnet anhand von zwei von der Lichtquelle 1 ausgehenden Strahlen R1, R2 eine chromatische Aufspaltung in der Zerstreuungslinse, die dazu führt, dass der – als durchgezogene Linie gezeichnete langwellige Anteil R1r bzw. R2r in größerer Entfernung von der optischen Achse A auf die Projektionslinse 4 trifft als der – gestrichelt dargestellte – kurzwellige Anteil R1b, R2b. An der Projektionslinse 4 führt der vergrößerte Abstand des langwelligen Anteils von der optischen Achse A dazu, dass der Winkel zwischen den Oberflächen an denjenigen Punkten an Vorder- und Rückseite der Projektionslinse 4, durch die der langwellige Anteil R1r bzw. R2r hindurchtritt, größer als der entsprechende Winkel an den Durchtrittspunkten des kurzwelligen Anteils R1b bzw. R2b ist. Der größere Winkel hat wiederum zur Folge, dass der langwellige Anteil stärker abgelenkt wird als der kurzwellige, so dass beide sich jenseits der Projektionslinse 4 parallel ausbreiten.
Die Blende 5 hat in der Ausgestaltung der 1 die Form einer Platte aus lichtundurchlässigem Material wie etwa einem durchgefärbten Kunststoff, die auf der optischen Achse A des Linsensystems senkrecht steht, deren untere Kante an einem nicht dargestellten Gehäuse des Scheinwerfers verankert ist und deren obere Kante im Strahl des Scheinwerfers, jenseits der Projektionslinse 4, einen oberen Rand des Abblend- oder Fernlichtkegels festlegt. Die Blende 5 und die Zerstreuungslinse 6 bilden eine Blendenbaugruppe 7, indem die Zerstreuungslinse 6 auf einer von der Platte in Richtung der optischen Achse A des Linsensystems abstehenden Schulter 8 zwischen der Bildebene F und der Projektionslinse 4 montiert ist. Die Zerstreuungslinse 6 ist mit der Projektionslinse 4 nur indirekt, über die Blende 5 und das Gehäuse des Scheinwerfers, verbunden. Die Zerstreuungslinse 6 kann aus Glas, insbesondere Flintglas, bestehen und an der Blende 5 durch Klebung befestigt sein. Wenn die Zerstreuungslinse 6 und die Blende 5 aus Kunststoff gefertigt sind, kommt auch eine Befestigung der Zerstreuungslinse 6 an der Blende 5 durch Schweißen, insbesondere Ultraschallschweißen, in Betracht.
Die Ausgestaltung der 2 unterscheidet sich von der in 1 gezeigten nur im Aufbau der Blendenbaugruppe 7. Sie umfasst hier eine Platte 9 aus transparentem Kunststoff, vorzugsweise Polycarbonat, von der ein Teil die Blende 5 bildet, indem er an seiner der Lichtquelle 1 zugewandten, in der Bildebene F liegenden Seite mit einem opaken, vorzugsweise reflektierenden Überzug 10 versehen ist. Der Überzug 10 kann z. B. aus Aluminium bestehen. Zum Schutz seines Reflexionsvermögens kann der reflektierende Überzug 10 wiederum mit einem Überzug aus transparentem Kunststoff überzogen sein, er kann auch wie die Datenträgerfolie einer CD in den transparenten Kunststoff eingebettet sein.
Ein von dem Überzug 10 freier Bereich der Platte 9 kreuzt den Weg des Lichts vom Reflektor 3 zur Projektionslinse 4. An der vom Reflektor 3 abgewandten Seite dieses freien Bereichs, zwischen der Bildebene F und der Projektionslinse 4, ist ein diffraktives optisches Element 11 angebracht. Das diffraktive optische Element 11 ist hier eine Folie aus transparentem Kunststoff, in dem auf photolithographischem Wege Mikrostrukturen gebildet sind, die durch örtlich unterschiedliche Schichtdicken oder Brechungsindices die Wellenfront des hindurchtretenden Lichtes formen. Das diffraktive optische Element 11 kann im Wesentlichen das Brechungsverhalten einer Zerstreuungslinse aufweisen.
Der in 3 gezeigten Ausgestaltung zufolge ist wie in 2 Kernstück der Blendenbaugruppe 7 eine Platte 9 aus transparentem Kunststoff, von der ein die Blende 5 bildender Teil an seiner der Lichtquelle 1 zugewandten Seite mit einem opaken Überzug 10 versehen ist. Ein diffraktives optisches Element 12 ist unmittelbar in der der Projektionslinse 4 zugewandten Oberfläche der Platte 9 gebildet.
Der Ausgestaltung der 4 zufolge ist eine Zerstreuungslinse 13 einteilig mit der Platte 9 aus transparentem Kunststoff spritzgeformt. Der opake Überzug 10 der Blende 5 ist durch Einlegen einer opaken In-Mold-Decoration-Folie in die Spritzform der Platte 8 erhalten.
Es versteht sich, dass die obige detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen zwar bestimmte exemplarische Ausgestaltungen der Erfindung darstellen, dass sie aber nur zur Veranschaulichung gedacht sind und nicht als den Umfang der Erfindung einschränkend ausgelegt werden sollen. Diverse Abwandlungen der beschriebenen Ausgestaltungen sind möglich, ohne den Rahmen der nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalenzbereich zu verlassen. Insbesondere gehen aus dieser Beschreibung und den Figuren auch Merkmale der Ausführungsbeispiele hervor, die nicht in den Ansprüchen erwähnt sind. Solche Merkmale können auch in anderen als den hier spezifisch offenbarten Kombinationen auftreten. Die Tatsache, dass mehrere solche Merkmale in einem gleichen Satz oder in einer anderen Art von Textzusammenhang miteinander erwähnt sind, rechtfertigt daher nicht den Schluss, dass sie nur in der spezifisch offenbarten Kombination auftreten können; stattdessen ist grundsätzlich davon auszugehen, dass von mehreren solchen Merkmalen auch einzelne weggelassen oder abgewandelt werden können, sofern dies die Funktionsfähigkeit der Erfindung nicht in Frage stellt.
Bezugszeichenliste

1: Linchtquelle
2: Träger
3: Reflektor
4: Projektionslinse
5: Blende
6: Zerstreuungslinse
7: Blendenbaugruppe
8: Schulter
9: Platte
10: Überzug
11: diffraktives optisches Element
12: diffraktives optisches Element
13: Zerstreuungslinse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010046626 A1 [0004]

Claims

Scheinwerfer für ein Kraftfahrzeug mit einer Lichtquelle (1), einer Projektionslinse (4), einem eine chromatische Aberration der Projektionslinse korrigierenden optischen Element (6, 11, 12, 13) und einer zwischen der Lichtquelle (1) und der Projektionslinse (4) angeordneten Blende (5), bei dem das korrigierende optische Element (6, 11, 12, 13) beabstandet von der Projektionslinse (4) an der Blende (5) montiert ist.
Scheinwerfer nach Anspruch 1, bei dem das korrigierende optische Element (6, 11, 12, 13) aus einem transparenten Kunststoff, insbesondere Polycarbonat, gefertigt ist.
Scheinwerfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das korrigierende optische Element (12, 13) und die Blende (5) aneinander angespritzt sind.
Scheinwerfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Blende (5) eine sich in Richtung der optischen Achse (A) der Projektionslinse (4) erstreckende Schulter (8) aufweist, auf der das korrigierende optische Element (6) angebracht ist.
Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Blende (5) mit einer von der Lichtquelle (1) durchstrahlten transparenten Platte (9) einteilig ist, auf der das korrigierende optische Element (11, 12, 13) angebracht ist
Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem das korrigierende optische Element (11, 12) einteilig mit der Blende (5) gefertigt ist.
Scheinwerfer nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die Blende (5) eine lichtundurchlässige Schicht (10) umfasst, die auf einem transparenten Trägermaterial angeordnet oder in einem transparenten Trägermaterial eingebettet ist.
Scheinwerfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das korrigierende optische Element eine Zerstreuungslinse (6, 13) ist.
Scheinwerfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das korrigierende optische Element ein mikrostrukturiertes diffraktives optisches Element (11, 12) ist.
Scheinwerfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Reflektor (3) angeordnet ist, um Licht der Lichtquelle auf die Projektionslinse (4) zu lenken, und ein Brennpunkt des Reflektors (3) zwischen dem Reflektor (3) und der Projektionslinse (4) liegt.
Scheinwerfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Lichtquelle (1) wenigstens eine LED umfasst.