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Die Erfindung betrifft ein Lichtmodul für einen Kraftfahrzeug-Scheinwerfer, umfassend:
- – wenigstens eine Laserlichtquelle zur Ausstrahlung eines Primärlichtbündels in einen Primärraumwinkelbereich um eine Primärstrahlachse;
- – ein Photolumineszenzelement, welches derart angeordnet ist, dass das mit der Laserlichtquelle ausgestrahlte Primärlichtbündel auf das Photolumineszenzelement trifft, und welches derart ausgebildet ist, dass durch das auftreffende Primärlichtbündel eine Sekundärlichtverteilung unter Ausnutzung von Photolumineszenz über eine Abstrahlfläche des Photolumineszenzelements ausstrahlbar ist;
- – eine Abstrahloptikeinrichtung, welche derart ausgebildet ist, dass die Sekundärlichtverteilung in eine Abstrahllichtverteilung des Lichtmoduls umformbar ist; und
- – wenigstens eine Detektionseinrichtung, welche derart ausgebildet und angeordnet ist, dass sie detektiert, wenn die Sekundärlichtverteilung eine kritische Änderung erfährt. Im Stand der Technik wird insbesondere die Strahlungsintensität der Sekundärlichtverteilung erfasst.
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Laserlichtquellen, insbesondere Halbleiterlaser, bieten eine Reihe von vorteilhaften Eigenschaften, wie z.B. eine vergleichsweise kleine lichtaussendende Fläche, hohe Strahlungsintensitäten. Optische Systeme für Laserlicht können daher mit kleineren Brennweiten aufgebaut werden, als optische Systeme für weniger stark kollimierte Lichtbündel von zum Beispiel Glühlampen oder Leuchtdioden (LEDs). Die optischen Systeme für Laserlicht lassen sich daher mit geringem Bauraum realisieren.
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Die Lichterzeugung mit laserangeregten fluoreszierenden Leuchtstoffen ermöglicht die Realisierung von kompakten weißen Lichtquellen mit hoher Leuchtdichte. Mit dieser Technik können Kfz-Scheinwerfer mit extrem hoher Beleuchtungsstärke, geringen geometrischen Abmessungen, hoher Effizienz und Reichweiten von über 500 m realisiert werden.
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In der Regel wird das Laserlicht mit einer Optik auf einen Photolumineszenzkonverter gerichtet. Der Konverter verwandelt das kohärente Laserlicht in diffuses und weitgehend inkohärentes weißes Licht. Als Konverter werden typischerweise Lumineszenzfarbstoffe verwendet, die der Laser zur Emission von Fluoreszenzlicht anregt. Die Mischung aus Laser- und Fluoreszenzlicht ergibt das gewünschte weiße Licht.
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Probleme bei der Nutzung von Laserlichtquellen für Kfz-Scheinwerfer ergeben sich insbesondere daraus, dass Laser im Wesentlichen kohärentes, monochromatisches Licht oder Licht in einem engen Wellenlängenbereich ausstrahlen. Bei den typischen hohen Strahlungsintensitäten von Laserlichtquellen ist solches Licht potenziell gefährlich, insbesondere für das menschliche Auge. Dies gilt vor allem bei Strahlungsleistungen von einigen Watt, wie sie im Bereich der Kfz-Beleuchtung erwünscht ist. Im Straßenverkehr muss eine Blendung der Verkehrsteilnehmer aus Sicherheitsgründen vermieden werden.
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Ein weiteres Problem besteht darin, dass für das abgestrahlte Licht eines Kfz-Scheinwerfers meist weißes Mischlicht erwünscht oder gesetzlich vorgeschrieben ist. Es sind daher Maßnahmen zur Umwandlung in geeignetes Licht zu treffen.
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Zur Umwandlung von monochromatischem Licht in polychromatisches oder weißes Licht ist im Bereich der weißen Leuchtdioden (LEDs) oder Lumineszenzkonversions-LEDs die Verwendung von Photolumineszenzkonvertern oder Photolumineszenzelementen bekannt. Diese weisen meist einen Photolumineszenzfarbstoff auf. Das Licht einer üblicherweise farbiges (z.B. blaues) Licht ausstrahlenden LED regt den Photolumineszenzfarbstoff zur Photolumineszenz an, wodurch der Photolumineszenzfarbstoff selbst Licht einer anderen Wellenlänge (z.B. gelb) abgibt. Auf diese Weise kann zumindest ein Teil des eingestrahlten Lichts eines Wellenlängenbereichs in Licht eines anderen Wellenlängenbereichs umgewandelt werden. In der Regel wird ein weiterer Anteil des eingestrahlten Lichts durch das Photolumineszenzelement gestreut. Das gestreute Licht und das durch Photolumineszenz ausgestrahlte Licht können sich dann additiv überlagern und führen z.B. zu weißem Mischlicht.
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Bei Verwendung des erläuterten Prinzips der Photolumineszenz-Konversion für Kfz-Scheinwerfer mit Laserlichtquelle kommt dem Photolumineszenzelement sicherheitsrelevante Bedeutung zu. Wird das Photolumineszenzelement zerstört oder z.B. durch mechanische Einflüsse oder einen Unfall aus dem Strahlengang der Laserlichtquelle entfernt, so können potenziell gefährliche Laserstrahlen ohne Umwandlung in das gewünschte Mischlicht aus dem Scheinwerfer austreten. Bei solchen Störfällen müssen daher Maßnahmen ergriffen werden, um eine Gefährdung der Verkehrsteilnehmer durch Laserstrahlen zu vermeiden. Voraussetzung hierfür ist, dass bei dem Scheinwerfer überprüft werden kann, ob sich das Photolumineszenzelement wie gefordert im Strahlengang der Laserlichtquelle befindet.
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Um eine Beschädigung des Konverters zu detektieren und den Laser gegebenenfalls abzuschalten, sind aus dem Stand der Technik verschiedene Konzepte bekannt. Nachteile dieser Konzepte sind, dass sie zusätzliche optische Komponenten benötigen und nicht sehr empfindlich sind, d.h. kleine Beschädigungen nicht zuverlässig detektieren können.
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Zur Lösung dieser Probleme ist aus der
DE 10 2012 220 481 A1 ein Lichtmodul der eingangs genannten Art bekannt, das zur Erhöhung der Betriebssicherheit eines Scheinwerfers mit Laserlichtquelle ein Detektorelement aufweist, das zur Erhöhung der Betriebssicherheit einen Austritt von gefährlichem Laserlicht aus dem Scheinwerfer erkennt. Detektoren im Scheinwerfer messen die Intensität des Primärlichts, also Laserlicht, das vom Konverter weder gestreut noch konvertiert wurde, und des Sekundärlichts, also des konvertierten und/oder gestreuten Laserlichts, das zusammen mit dem nicht konvertierten Anteil Licht einer weißen Farbe ergibt. Durch Analyse der Detektorsignale soll eine Beschädigung des Photolumineszenzelements bzw. ein Fehler der Laserlichtquelle detektiert werden und der Laserbetrieb gegebenenfalls unterbrochen werden. Die Analyse basiert auf der Annahme, dass die Primärlichtintensität signifikant zunimmt, wenn das Photolumineszenzelement und/oder die Laserlichtquelle beschädigt ist.
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Nachteilig bei dem aus der DE'481 bekannten Lichtmodul ist es, dass eine geringfügige Beschädigung des Photolumineszenzelements, bspw. ein kleines Loch in dem Photolumineszenzkonverter, nicht zuverlässig erkannt werden kann, da in diesem Fall die relative Änderung der verwendeten Detektorsignale gering ist. Ein Grund dafür ist, dass bei der Primärlichtdetektion immer auch ein Anteil an Sekundärlicht mitgemessen wird. Da die Primärlichtintensität im Bereich von einigen Watt liegt, kann in dem ausgesandten Licht des Scheinwerfers ein Primärlichtanteil von 1% für umstehende Personen bereits potentiell gefährlich sein und sollte deshalb verhindert werden.
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Außerdem funktioniert das in der DE'481 angewandte Detektionsverfahren nur dann gut, wenn der Laserstrahl eine geringe Konvergenz aufweist, d.h. nicht auf die Abstrahlfläche des Konverters fokussiert ist, so dass im Falle eines defekten Konverters ein signifikanter Anteil des Primärlichts auf den Detektor fallen kann und so eine Signaländerung verursacht, die stärker als das Rauschen des Detektors ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein Sicherheitskonzept für Scheinwerfer mit einer Laserlichtquelle bereitzustellen, das auch eine geringfügige Beschädigung des Konverters zuverlässig detektieren kann und bei Gefahr die Laserlichtquelle detektiert. Das Konzept soll über eine hohe Betriebssicherheit verfügen und gleichzeitig aber nur geringe zusätzliche Kosten verursachen und die Effizienz nicht oder nur wenig beeinträchtigen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Lichtmodul gemäß Anspruch 1 gelöst, bei dem im Strahlengang nach dem Photolumineszenzelement in der Sekundärlichtverteilung eine Lochblende angeordnet ist, welche zumindest einen Teil der Abstrahlfläche des Photolumineszenzelements nach Art einer Lochbildkamera (sog. pinhole camera) auf einem Detektorelement der wenigstens einen Detektionseinrichtung abbildet.
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Das Lichtmodul umfasst wenigstens eine Laserlichtquelle zur Ausstrahlung eines Primärlichtbündels in einen Primärraumwinkelbereich um eine Primärstrahlachse. Im Strahlengang folgend ist ein Photolumineszenzelement vorgesehen, welches derart angeordnet ist, dass das mit der Laserlichtquelle ausstrahlbare Primärlichtbündel auf das Photolumineszenzelement trifft, und welches derart ausgebildet ist, dass durch das auftreffende Primärlichtbündel eine Sekundärlichtverteilung unter Ausnutzung von Photolumineszenz ausstrahlbar ist. Ferner ist eine Abstrahloptikeinrichtung zur Umformung der Sekundärlichtverteilung in eine Abstrahllichtverteilung des Lichtmoduls vorgesehen. Das Lichtmodul weist wenigstens eine Detektionseinrichtung auf, mittels welcher feststellbar ist, wenn die Strahlungsintensität von Lichtbündeln der Sekundärlichtverteilung von einem vorgegebenen Sollwert signifikant abweicht oder, allgemeiner gesagt, eine kritische Änderung erfährt.
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Das Photolumineszenzelement dient zur Umwandlung des Laserlichts in das Licht der Sekundärlichtverteilung. Das kollimierte, kohärente und damit potenziell gefährliche Laserlicht wird in ein zumindest teilweise diffuses, inkohärentes, polychromatisches oder weißes Mischlicht umgewandelt, welches das Gefährdungspotenzial von Laserlicht im Wesentlichen nicht mehr aufweist. Die Ausstrahlung der Sekundärlichtverteilung erfolgt insbesondere durch teilweise Umwandlung des Primärlichtbündels über Photolumineszenz und durch teilweise (insbesondere diffuse und/oder inkohärente) Streuung des Primärlichtbündels am Photolumineszenzelement. Das umgewandelte Licht mit veränderter Wellenlänge kann sich mit dem an dem Photolumineszenzelement gestreuten Licht additiv zu z.B. weißem Licht mischen.
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Im störungsfreien Normalfall ergibt sich daher folgender Strahlengang: Ausgehend von der als Primärlichtquelle wirkenden Laserlichtquelle verläuft ein Primärlichtbündel (Laserlicht) in dem Primärraumwinkelbereich um die Primärstrahlachse. Dabei kann die Laserlichtquelle neben der eigentlich lichterzeugenden Einrichtung (z.B. optisch aktive Fläche einer Laserdiode) auch Strahlformungsmittel oder Strahlführungsmittel umfassen, welche das Primärlichtbündel in den Primärraumwinkelbereich um die Primärstrahlachse lenken. Beispielsweise kann die Laserlichtquelle eine Laserdiode und einen Primärlichtleiter (z.B. Glasfaser) umfassen, in welchen das von der Laserdiode ausgestrahlte Licht einkoppelbar ist und in den Primärraumwinkelbereich um die Primärstrahlachse geführt wird.
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Das von der Laserlichtquelle ausgestrahlte Primärlichtbündel trifft im störungsfreien Normalfall auf das Photolumineszenzelement. Dieses gibt durch Anregung zur Photolumineszenz und/oder durch Streuung die Sekundärlichtverteilung ab. Die Lichtstrahlen der Sekundärlichtverteilung treffen auf die Abstrahloptikeinrichtung und werden von dieser in die, vorzugsweise um eine Hauptabstrahlrichtung des Lichtmoduls konzentrierte, Abstrahllichtverteilung umgeformt (d.h. umlenkt und/oder reflektiert und/oder projiziert). Die Abstrahloptikeinrichtung kann als eine Reflektoranordnung mit wenigstens einem Reflektor, z.B. einem parabolischen Reflektor, ausgebildet sein. Ebenso ist es möglich, dass die Abstrahloptikeinrichtung als eine Projektionseinrichtung, z.B. umfassend eine Projektionslinse, ausgebildet ist. Denkbar sind auch Kombinationen von wenigstens einem Reflektor und wenigstens einer Projektionslinse.
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Insofern wirkt das Photolumineszenzelement für die Abstrahloptikeinrichtung als die eigentliche Lichtquelle, deren Sekundärlichtverteilung das Gefährdungspotenzial von Laserlicht im Wesentlichen nicht mehr aufweist. Das potenziell gefährliche Laserlicht im Primärlichtbündel gelangt daher nicht direkt in die Abstrahllichtverteilung. Das Photolumineszenzelement gewährleistet somit im Normalbetrieb die Einhaltung der eingangs geschilderten Sicherheitsanforderungen.
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Im Gegensatz zu herkömmlichen Sicherheitsvorrichtungen für Laser-Lichtquellen, bei denen der Primärstrahl im Fehlerfall tatsächlich absorbiert werden soll, wird bei der vorliegenden Erfindung der Fehlerfall nur detektiert. Das bedeutet, dass die Lochblende nicht auf der Primärstrahlachse liegen muss. Es ist vielmehr ausreichend, wenn die Lochblende an einer beliebigen Stelle angeordnet ist, so dass sie Lichtstrahlen der Sekundärverteilung empfängt und die Abstrahlfläche des Photolumineszenzelements auf dem Detektorelement der wenigstens einen Detektionseinrichtung abbildet und eine Änderung der Strahlungsverteilung detektieren kann. Die Detektionseinrichtung ermöglicht es, im Betrieb des Lichtmoduls eine außergewöhnliche Änderung der Strahlungsverteilung im Strahlengang nach dem Photolumineszenzelement zu erkennen. Diese kann ein Hinweis darauf sein, dass das Photolumineszenzelement z.B. aufgrund mechanischer Einflüsse, Materialermüdung, eines Unfalls oder Konstruktionsfehlers nicht mehr in gewünschter Weise oder im gewünschten Umfang im Strahlengang des Primärlichtbündels angeordnet ist (z.B. zerbrochen oder verschoben ist).
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Es können dann Maßnahmen getroffen werden, um eine Gefährdung der Verkehrsteilnehmer durch Laserstrahlen zu vermeiden. Insbesondere kann bei Feststellung einer Anomalität die Laserlichtquelle deaktiviert oder deren Leistung reduziert werden. Das erfindungsgemäße Lichtmodul macht daher Laserlichtquellen für Kfz-Scheinwerfer unter Einhaltung der Sicherheitsanforderungen nutzbar. Durch Deaktivierung der Laserlichtquelle nach Detektion eines Störfalls kann außerdem verhindert werden, dass durch den nicht ordnungsgemäß auf das Photolumineszenzelement treffenden Laserstrahl eine Beschädigung der Bauteile des Lichtmoduls oder z.B. eine Entzündung des Lichtmoduls auftritt. So kann nicht nur eine Gefährdung von Verkehrsteilnehmern durch den Laserstrahl, sondern auch ein weitergehender Schaden am Lichtmodul verhindert werden.
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Das Loch der Lochblende des erfindungsgemäßen Lichtmoduls hat einen Durchmesser von bspw. lediglich 100 µm. Ein Laserstrahl hat jedoch einen Querschnitt von bis zu ca. 1 mm, so dass das Loch in der Regel nicht groß genug ist, den Laserstrahl mit seiner gesamten Breite sicher und vollständig aufzunehmen und zu absorbieren. Daher eignet sich das Loch der Lochblende nicht als zusätzliche Sicherheitsmaßnahme, um den Laserstrahl im Fehlerfall unschädlich zu machen.
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Der Strahlengang nach dem Photolumineszenzelement wird in einen Kontrollstrahlengang für ein Kontrolllichtbündel und einen Sekundärlichtstrahlengang für die Sekundärlichtverteilung (zumindest virtuell) aufgeteilt. Der Kontrollstrahlengang umfasst das Licht der Abstrahlfläche des Photolumineszenzelements, das durch die Lochblende auf das Detektorelement der Detektionseinrichtung projiziert wird. Das Licht des Kontrollstrahlengangs tritt also nicht einfach durch ein Loch hindurch, sondern wird durch die Lochblende abgebildet. Die Projektion der Abstrahlfläche auf dem Detektorelement ist umgedreht im Vergleich zu der Abstrahlfläche selbst. Die Detektionseinrichtung überwacht eine Änderung der Strahlungsverteilung im Kontrollstrahlengang. Die Sekundärlichtverteilung speist die Abstrahllichtverteilung des Lichtmoduls. Da das Photolumineszenzelement eine im Vergleich zu dem Primärlichtbündel wenig kollimierte und stärker diffuse und homogene Sekundärlichtverteilung abgibt, wird nur ein geringer Teil der Leistung der Laserlichtquelle auf dem Detektorelement abgebildet. Im Normalbetrieb ist daher der Einfluss der wenigstens einen Detektionseinrichtung auf die Abstrahllichtverteilung vernachlässigbar.
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Allgemein ist die Detektionseinrichtung zur Erkennung einer Änderung der Strahlungsverteilung eingerichtet, welche im Strahlengang nach dem Photolumineszenzelement verlaufen. Der Sicherheitsgrenzwert bzw. das Sicherheitskriterium kann so gewählt sein, dass eine Gefährdung der Verkehrsteilnehmer durch Blendung oder durch Laserlicht vermieden werden kann.
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Wie erläutert, wird ein Störfall dadurch erkannt, dass die Detektionseinrichtung eine Änderung der Strahlungsverteilung über einen Sicherheitsgrenzwert hinaus erkennt. Um dies zu erreichen, ist die Detektionseinrichtung vorzugsweise empfindlich im Bereich der Wellenlänge des von der Laserlichtquelle ausgestrahlten Primärlichtbündels ausgebildet.
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Da die Abstrahlfläche auf den Detektor abgebildet wird kann nun, wenn der Detektor dazu eingerichtet ist, auf verschiedene Arten überprüft werden, ob eine kritische Veränderung des Photolumineszenzelements vorliegt. Zunächst kann es sein, dass ein Intensitätsgrenzwert überschritten wird (z.B. wenn der im Fehlerfall unkonvertierte Laserstrahl in die Detektoröffnung fällt). Vorzugsweise wird in einer einfachen Detektorausführung jedoch die Unterschreitung eines vorzugebenden Intensitätsgrenzwertes überprüft, denn im Fehlerfall wird weniger konvertierte Sekundärstrahlung erzeugt und der unkonvertierte Laserstrahl fällt nicht durch das Loch. Allgemein wird also die Abweichung vom Grenzwert überprüft. Das eigentliche Potential der ortsaufgelösten Detektion wird jedoch erst ausgeschöpft wenn ortsaufgelöst für verschiedene Bereiche der Abstrahlfläche jeweils ein Sollwert vorgegeben wird von dem der detektierte Istwert nur um einen bestimmten Wert abweichen darf. So kann man feststellen, ob irgendwo lokal auf dem Photolumineszenzelement ein kritischer Defekt existiert und die Steuerung des Lasers je nach Lage des Defektes durchführen. Zusätzlich kann man auch für die Summe aller ortsaufgelösten Detektionswerte einen eigenen Grenzwert mit erlaubter Abweichung vorgeben. Zur Optimierung der Detektorempfindlichkeit kann die Detektoreinrichtung mit einem Spektralfilter versehen sein, so dass ein Spektralanteil der Fluoreszenzstrahlung oder ein Spektralanteil der unkonvertierten Laserstrahlung am besten detektiert wird.
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Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Konzept, zumindest einen Teilbereich der Abstrahlfläche des Photolumineszenzelements mittels einer Lochbildkamera auf einem Detektorelement einer Detektionseinrichtung abzubilden. Lochbildkameras sind wegen ihrer geringen Lichtstärke für viele Anwendungen ungeeignet. Wegen der hohen Leuchtdichte des Konverters ist die Lochbildkamera für die vorgeschlagene Anwendung aber bestens geeignet.
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Außer durch eine Detektionseinrichtung, die vorzugsweise mindestens zwei Segmente aufweist, muss ein normaler Laserscheinwerfer nur durch eine Lochblende (Apertur) mit einem Durchmesser von vorzugsweise zwischen 10 und 100 µm, vorzugsweise von etwa 50 µm, ergänzt werden. Die Detektionseinrichtung mit den mindestens zwei Segmenten kann bspw. einen Quadrantendetektor (jeweils ein Quadrant bildet ein Segment der Detektionseinrichtung) oder eine CCD- oder CMOS-Kamera mit mindestens zwei Pixeln umfassen (jeweils mindestens ein Pixel bildet ein Segment der Detektionseinrichtung). Bei einer als Reflektor ausgebildeten Abstrahloptikeinrichtung kann das Loch der Lochblende bspw. direkt in den Reflektor eingebracht werden. Durch den geringen Durchmesser der Lochblende sind die Strahlungsverluste durch die Lochblende in dem vom Scheinwerfer ausgesandten, zur Erzeugung einer resultierenden Lichtverteilung genutzten Licht vernachlässigbar gering. Das Detektorelement ist dann vorzugsweise derart hinter dem Reflektor positioniert, dass die Abstrahlfläche des Photolumineszenzelements optimal auf dem Detektorelement der Detektionseinrichtung abgebildet wird.
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Zur Abschätzung der Energie, die von dem Konverter durch die Lochblende auf das Detektorelement fällt, können folgende Annahmen getroffen werden: Abstrahlfläche des Konverters, Lochblende und Detektorelement der Detektionseinrichtung seien 20 mm voneinander entfernt. Der Durchmesser des Lochs betrage etwa 100 µm. Wird der Konverter mit 1,5 W angeregt, strahlt er bei 33% Verlust 1 W Strahlung mit einer nahezu lambertschen Strahlungsverteilung aus. Unter diesen Annahmen fallen etwa 6 µW auf das Detektorelement der Detektionseinrichtung, die bei einer angenommenen typischen Integrationszeit von 0,1 s leicht mit Halbleiterdetektoren detektiert werden können.
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Die Auflösung der Lochbildkamera lässt sich mit Hilfe der "geometrischen Optik" abschätzen. Allgemein bildet eine Lochbildkamera umso schärfer ab, je kleiner das Loch ist. Eine punktförmige Laser-Lichtquelle in der Objektebene, d.h. auf der Abstrahlfläche des Konverters, wird als Kreis mit Durchmesser d auf dem Detektorelement abgebildet. Die Abstrahlfläche des Konverters hat den Abstand a und das Detektorelement der Detektionseinrichtung den Abstand b zur Lochblende. "d" ergibt sich aus den Abständen a und b und der Lochblende mit Durchmesser r aus d = (r/a)·(a + b). Für r = 50 µm und a = b = 20 mm ergibt sich d = 100 µm. Diese rein geometrische Betrachtung ist für kleine Löcher, wie sie hier verwendet werden, näherungsweise richtig und muss für eine genauer Abschätzung durch die Wellenoptik ersetzt werden, bei der Beugungseffekte berücksichtigt werden.
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Bei Reduzierung des Durchmessers r treten verstärkt Beugungseffekte auf, die eine weitere Reduktion der Auflösung verhindern. Bei einem Durchmesser r der Apertur der Lochblende von 50 µm ergibt sich eine Halbwertsbreite (FWHM) des Spots von etwa 170 µm, was dem Durchmesser d des auf dem Detektorelement abgebildeten Spot entspricht. Aus diesen Berechnungen ergibt sich der geeignete Durchmesser für die Apertur im Bereich zwischen 10 µm und 100 µm, womit Defekte auf der Abstrahlfläche bzw. im Konverter in der Größenordnung von 100 µm detektiert werden können.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Lochblende Teil einer Optikeinrichtung der Detektionseinrichtung ist. Die Detektionseinrichtung mit ihrer als Lochblende ausgebildeten Optikeinrichtung bildet also eine Lochbildkamera, welche zumindest einen Teilbereich der Abstrahlfläche des Photolumineszenzelements auf dem Detektorelement der Detektionseinrichtung abbildet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Detektorelement wenigstens zwei separate Segmente zur Detektion der Strahlungsintensitäten von mindestens zwei unterschiedlichen Teilbereichen der Abstrahlfläche des Photolumineszenzelements aufweist. Mittels einer geeigneten Auswerteelektronik können die verschiedenen Detektorsignale, welche jeweils die Strahlungsintensität eines bestimmten lokal begrenzten Teilbereichs der Abstrahlfläche des Photolumineszenzelements repräsentieren, derart verarbeitet werden, dass eine besonders zuverlässige, empfindliche und hochauflösende Detektion von zu hohen Strahlungsintensitäten und damit von einer defekten Laserlichtquelle und/oder Photolumineszenzkonverters möglich ist. Das Detektorelement weist vorzugsweise einen Quadrantendetektor oder eine CCD-Kamera oder eine CMOS-Kamera mit mindestens zwei Pixeln auf. Dabei detektiert jeweils ein Quadrant bzw. mindestens ein Pixel die Strahlungsintensität in einem bestimmten Teilbereich der Abstrahlfläche des Photolumineszenzelements.
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Das Lichtmodul weist vorzugsweise eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Laserlichtquelle zur Lichtabgabe, insbesondere zur Aktivierung und Deaktivierung der Laserlichtquelle, auf. Die Steuereinrichtung wirkt insbesondere mit der Detektionseinrichtung derart zusammen, dass die Laserlichtquelle deaktiviert wird, wenn mittels der Detektionseinrichtung eine Überschreitung des Sicherheitsgrenzwertes festgestellt wird.
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Aus der Summe der Detektorsegmente (Summe aller Helligkeitswerte) kann ein Referenzwert bestimmt werden, um die Werte der Segmente zu normieren. Eine besonders zuverlässige Überwachung wird dadurch gewährleistet, dass die Steuereinrichtung zusätzlich zur Änderung der Strahlungsverteilung eine Abweichung von der Referenzstrahlungsintensität, welche sich aus einer Summe aller Helligkeitswerte der Detektionseinrichtung ergibt, bestimmt. Überschreitet die Abweichung eine vorgegebene Schwelle wird der Laser über die Steuereinrichtung abgeschaltet. Diese beiden überwachten Größen werden weiter unten mit als G_1 und G_2 bezeichneten Grenzwerten verglichen.
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Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung derart eingerichtet, dass die Lichtabgabe unterbunden werden kann, wenn die Differenz zwischen einer mit der Detektionseinrichtung messbaren Strahlungsintensität und der Referenzstrahlungsintensität einen vorgebbaren Differenzhöchstwert überschreitet. Dieser kann z.B. gleich oder geringfügig oberhalb einer charakteristischen Intensitätsdifferenz gewählt werden, welche sich bei ordnungsgemäßer Wirkung des Photolumineszenzelements im Betrieb der Laserlichtquelle einstellt. Der Differenzhöchstwert kann vorzugsweise in der Steuereinrichtung hinterlegt werden. Durch die genannten Ausgestaltungen wird auf einfache Weise eine Abstimmung des Sicherheitsgrenzwertes auf die Referenzstrahlungsintensität ermöglicht.
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Die Steuereinrichtung kann außerdem dazu eingerichtet sein, Signale von weiteren Sensoren eines Kfz auszuwerten, deren Messergebnisse auf einen Unfall hinweisen können, wobei die Laserlichtquelle im Falle eines auf einen Unfall hinweisenden Signals deaktiviert wird. Geeignete Sensorsignale sind beispielsweise die eines Airbag-Auslösesensors, oder die Signale von Beschleunigungssensoren eines ABS- und/oder ESP-Systems.
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Es wird ferner vorgeschlagen, dass die Abstrahloptikeinrichtung eine Reflektorfläche umfasst, welche einen Durchbruch aufweist, der als die Lochblende dient. Die Detektionseinrichtung ist dann derart ausgebildet, dass die Detektion hinsichtlich der Überschreitung des Sicherheitsgrenzwertes für solche (Kontroll-)Lichtbündel erfolgen kann, welche durch den Durchbruch als Abbildung der Abstrahlfläche des Photolumineszenzelements auf dem Detektorelement hindurchstrahlen. Das Loch wird also direkt bei der Herstellung des Detektors eingebaut. Bei dieser Ausgestaltung wird das Kontrolllichtbündel (das Licht der Projektion der Abstrahlfläche auf dem Detektorelement) aus der Sekundärlichtverteilung entfernt und nicht in die Abstrahllichtverteilung umgeformt.
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Das Photolumineszenzelement weist vorzugsweise wenigstens eine Lichtdurchtrittsfläche (z.B. Lichteintrittsfläche und Lichtaustrittsfläche), eine Schicht mit Konvertermaterial sowie eine Reflexionsfläche auf. Beispielsweise ist das Photolumineszenzelement plattenartig ausgebildet, wobei eine Lichtdurchtrittsfläche und Reflexionsfläche einander gegenüberliegen. An der Reflexionsfläche werden solche Lichtstrahlen reflektiert, die durch die Lichtdurchtrittsfläche treten und welche dann die Reflexionsfläche direkt oder nach Streuung im Konvertermaterial erreichen, oder Fluoreszenzlichtstrahlen, die erst im Konvertermaterial entstehen. In einer anderen Ausgestaltung entfällt die Reflexionsfläche und wird vorzugsweise durch einen transparenten Träger, auf dem das Konvertermaterial aufgebracht ist, ersetzt.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, anhand derer die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen der Erfindung näher beschrieben und erläutert sind. Es zeigen:
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1 eine Skizze eines erfindungsgemäßen Lichtmoduls mit einem reflektierenden Photolumineszenzelement;
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2 eine Skizze eines erfindungsgemäßen Lichtmoduls mit einem transmittierenden Photolumineszenzelement;
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3 eine Skizze eines weiteren erfindungsgemäßen Lichtmoduls mit einem transmittierenden Photolumineszenzelement zur Erläuterung eines Verfahrens zur Auswertung von Detektorsignalen;
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4 eine Skizze zur Berechnung einer Auflösung des Detektorelements bei Verwendung einer Lochblende mit einer Apertur vom Durchmesser r; und
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5 ein Beugungsbild eines Laserstrahls an einer Lochblende mit einer Apertur von 50 µm Durchmesser.
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Für identische oder einander entsprechende Bauteile oder Merkmale sind in der nachfolgenden Beschreibung und in den Figuren jeweils dieselben Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Lichtmodul 10 mit einer Laserlichtquelle 12 zur Verwendung in einem Kraftfahrzeugscheinwerfer zur Erzeugung einer vorgegebenen Lichtverteilung, bspw. Abblendlicht, Fernlicht, Kurvenlicht, oder eine beliebige dynamische Lichtverteilung. Die Laserlichtquelle 12 strahlt ein Primärlichtbündel 14 an bspw. blauem Laserlicht aus, welches um eine mit Pfeilspitzen angedeutete Primärstrahlachse 16 in einem kleinen Primärraumwinkelbereich konzentriert ist (d.h. ein Laserlichtbündel mit einer typischen, geringen Divergenz).
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In dem in der 1 dargestellten Normalbetrieb trifft das Laserlicht des Primärlichtbündels 14 über eine wahlweise vorgesehene Strahlformungsoptik 13 auf ein Photolumineszenzelement 18, welches im Strahlengang des Primärlichtbündels 14 der Laserlichtquelle 12 angeordnet ist. Das Photolumineszenzelement 18 ist dazu eingerichtet, das Laserlicht des Primärlichtbündels 14 teilweise zu streuen und teilweise mittels Photolumineszenz in (inkohärentes) Licht einer von dem Laserlicht abweichenden Wellenlänge umzuwandeln. Für die vorliegenden Anwendungen kann das Photolumineszenzelement 18 z.B. einen plattenartigen Träger aufweisen, welcher einen Photolumineszenzfarbstoff aufweist und teilweise lichtstreuend wirken kann. Mit dem Bezugszeichen 19 ist ein Reflektor des Konverters 18 bezeichnet.
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Durch das auftreffende Primärlichtbündel 14 wird daher das Photolumineszenzelement 18 zur Ausstrahlung einer Sekundärlichtverteilung 20 veranlasst, welche einen im Vergleich zu dem Primärraumwinkelbereich deutlich größeren Sekundärraumwinkelbereich ausfüllt. Das Licht der Sekundärlichtverteilung 20 ist vorzugsweise inkohärent, polychromatisch oder weiß und weist die potenziell gefährlichen Eigenschaften von Laserlicht nicht mehr auf. Das weiße Licht der Sekundärlichtverteilung 20 wird also aus einer Mischung von Fluoreszenz und gestreutem Laserlicht erzeugt.
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Das Lichtmodul 10 umfasst eine Abstrahloptikeinrichtung 22, welche im dargestellten Beispiel eine im Wesentlichen parabolisch gewölbte Reflektorfläche 24 aufweist. Die Abstrahloptikeinrichtung 22 ist dazu eingerichtet, die Sekundärlichtverteilung 20 in eine im Wesentlichen um eine Hauptabstrahlrichtung 26 des Lichtmoduls 10 konzentrierte Abstrahllichtverteilung 28 des Lichtmoduls 10 umzuformen (hier: umzulenken). Das weiße Licht der Sekundärlichtverteilung 20 wird über die Abstrahloptikeinrichtung 22 als Abstrahllichtverteilung 28 durch eine Abdeckscheibe (nicht dargestellt) des Scheinwerfers oder eine Projektionslinse 29 in die Hauptabstrahlrichtung 26 abgestrahlt. Auf diese Weise kann bspw. ein Abblendlicht mit +/–40° Seitenstreuung als Abstrahllichtverteilung 28 erzeugt werden.
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Die Reflektorfläche 24 der Abstrahloptikeinrichtung 22 ist im dargestellten Beispiel derart gewölbt, dass ein Brennpunkt 30 definiert ist (d.h. dass ein von dem Brennpunkt 30 ausgehendes, gedachtes, divergierendes Lichtbündel von der Reflektorfläche 24 in ein Parallellichtbündel umgelenkt wird). Der Brennpunkt 30 liegt vorzugsweise im optisch aktiven Bereich des Photolumineszenzelements 18, insbesondere auf einer Abstrahlfläche des Elements 18.
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Die Reflektorfläche 24 weist einen Durchbruch 32 auf, der als Loch einer Lochblende dient. Über das Loch 32 wird zumindest ein Teilbereich der Abstrahlfläche 17 des Photolumineszenzelements 18 nach Art einer Lochbildkamera auf einem Detektorelement 11 einer Detektionseinrichtung 9 abgebildet, was durch einen gestrichelten Pfeil 34 veranschaulicht ist. Der Durchbruch 32 ist derart angeordnet und in seiner Ausdehnung (Durchmesser) bemessen, dass er die genannte Abbildung bewirkt. Das Loch 32 weist vorzugsweise einen Durchmesser von 10 µm bis 100 µm auf. Im Rahmen der Abbildung gelangt also ein relativ kleiner Teil des von der Abstrahlfläche 17 ausgesandten weißen Lichts durch das Loch 32 auf das Detektorelement 11. Dieses durch den Durchbruch 32 hindurchstrahlende Licht wird somit nicht in die Abstrahllichtverteilung 28 umgeformt.
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Durch die Ausgestaltung der Detektionseinrichtung 9 als Lochbildkamera kann eine besonders hohe Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Auflösung bei der Detektion eines Defekts oder eines Fehlers des Photolumineszenzelements 18 erzielt werden. Obwohl Lochbildkameras in der Regel eine geringe Lichtstärke aufweisen, sind sie in dem vorliegenden Fall ausnahmsweise gut geeignet, da die Abstrahlfläche 17 des Photolumineszenzelements 18 eine hohe Leuchtdichte aufweist. Zwischen dem Loch 32 und dem Detektorelement 11 kann ein Farbfilter 36 angeordnet sein, der z.B. nur Laserlicht des Primärstrahlbündels 14 oder nur Fluoreszenzlicht transmittiert, um die Empfindlichkeit weiter zu erhöhen.
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Die Detektionseinrichtung 9 ist grundsätzlich dazu eingerichtet, eine Änderung der von der Detektionseinrichtung 9 erfassten Strahlungsverteilung über einen Sicherheitsgrenzwert hinaus zu erfassen. Vorteilhaft ist jedoch insbesondere, wenn die Detektionseinrichtung 9 zur Messung der absoluten Strahlungsintensität der erfassten Lichtbündel (Licht von der Abbildung der Abstrahlfläche 17 auf dem Detektorelement 11) ausgebildet ist.
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Insofern wird der Strahlengang nach dem Photolumineszenzelement 18 in einen Kontrollstrahlengang für ein Kontrolllichtbündel 34, sowie in einem Sekundärlichtstrahlengang für die Sekundärlichtverteilung 20 aufgeteilt. Die Detektionseinrichtung 9 ist dazu eingerichtet, eine kritische Veränderung der Strahlungsverteilung auf dem Photolumineszenzelement mit Hilfe des Kontrolllichtbündels 34 zu detektieren. Das Kontrolllichtbündel 34 umfasst Licht von der Abbildung eines Teilbereichs oder der gesamten Abstrahlfläche 17 des Photolumineszenzelements 18 auf dem Detektorelement 11 der Detektionseinrichtung 9. Bei der Abbildung durch das Loch 32 wird das in eine Richtung orientierte Bild 38 des Teilbereichs oder der gesamten Abstrahlfläche 17 des Photolumineszenzelements 18 in ein in umgekehrter Richtung orientiertes Abbild 40 invertiert (vgl. 4).
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Das Lichtmodul 10 weist eine Steuereinrichtung 42 auf, mittels welcher die Leistung der Laserlichtquelle 12 variiert werden kann, insbesondere die Laserlichtquelle 12 aktivierbar und deaktivierbar ist. Hierzu kann die Steuereinrichtung 42 eine Schalteinrichtung 44 ansteuern, um beispielsweise eine Spannungsversorgung der Laserlichtquelle 12 zu unterbrechen oder herzustellen.
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Die Überwachung der Strahlungsintensität in dem Kontrolllichtbündel 34 ermöglicht eine Feststellung, ob sich das Photolumineszenzelement 18 ordnungsgemäß im Strahlengang der Laserlichtquelle 12 befindet und seine Funktion ausübt. In dem in der 1 dargestellten störungsfreien Normalbetrieb des Lichtmoduls 10 besteht das Kontrolllichtbündel 34 aus Lichtstrahlen der Sekundärlichtverteilung 20, welche im Strahlengang nach dem Photolumineszenzelement 18 verlaufen. Auf das Kontrolllichtbündel 34 entfällt nur ein vergleichsweise geringer Anteil der Strahlungsleistung der Sekundärlichtverteilung 20, welche letztlich die Abstrahllichtverteilung 28 des Lichtmoduls 10 speist.
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Mit der Detektionseinrichtung 9 ist erkennbar, wenn die erfasste Strahlungsverteilung eine kritische Veränderung erfährt. Die Steuereinrichtung 40 ist dann derart ausgebildet, dass die Laserlichtquelle 12 deaktiviert wird, wenn die Veränderung der Strahlungsverteilung des Kontrolllichtbündels 34 einen Sicherheitsgrenzwert überschreitet.
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Zur Abschätzung der Energie die vom Photolumineszenzkonverter 18 durch die Lochblende 32 auf das Detektorelement 11 fällt, können folgende Annahmen beispielhaft getroffen werden: Konverter 18 und Detektorelement 11 sind jeweils 20 mm von der Lochblende 32 entfernt. Der Durchmesser des Lochs 32 beträgt 100 µm. Wenn der Konverter 18 mit 1,5 W angeregt wird, so strahlt er bei 33 % Verlust 1,0 W Strahlung 20 mit einer nahezu lambertschen Verteilung ab. Unter diesen Annahmen fallen etwa 6 µW auf das Detektorelement 11, die bei einer Integrationszeit von 0,1 s leicht mit Halbleiterdetektoren detektiert werden können.
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Die Auflösung der Lochbildkamera (Detektionseinrichtung 9) lässt sich mit Hilfe der "geometrischen Optik" anhand 4 abschätzen. Eine punktförmige Lichtquelle 17' (in Form eines Teilbereichs der Lichtaustrittsfläche 17 des Konverters 18) in der Objektebene wird als Kreis 11' mit Durchmesser d auf dem Detektorelement 11 abgebildet. Der Durchmesser d des Kreises 11' ergibt sich aus den Abständen a und b und der Lochblende 32 mit Durchmesser r aus d = (r/a)·(a + b). Für r = 50 µm und a = b = 20 mm ergibt sich der Durchmesser d = 100 µm.
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Bei Reduzierung des Durchmessers r des Lochs 32 treten verstärkt Beugungseffekte auf, die eine weitere Reduktion der Auflösung verhindern. 5 zeigt die Beugungseffekte für 4 für r = 50 µm. Die Halbwertsbreite (FWHM) des Spots der Bestrahlungsstärke aus 5 beträgt etwa 170 µm und entspricht dem Durchmesser d des Kreises 11' auf dem Detektorelement 11. 5 zeigt also, dass ein Beugungsbild eines Laserstrahls an einem Loch 32 mit 50 µm Durchmesser einen Durchmesser von etwa 170 µm hat.
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Aus diesen Berechnungen ergibt sich, dass geeignete Durchmesser für die Apertur der Lochblende 32 im Bereich zwischen 10 µm und 100 µm liegen, damit Defekte des Konverters 18 in der Größenordnung von 100 µm noch detektiert werden können. Dies ist eine wesentlich feinere Auflösung als im Stand der Technik.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel bei dem ein transmittierender Photolumineszenzkonverter 18 (statt des reflektierenden Konverters 18 aus 1) eingesetzt wird. Ein oder mehrere Laserlichtquellen 12a, 12b bestrahlen den gemeinsamen Konverter 18 über Strahlformungsoptiken 13a, 13b auf der Unterseite. Weißes Mischlicht 20 wird von der gegenüberliegenden Abstrahlfläche 17 abgestrahlt und von dem Reflektor 22 bzw. der Reflektorfläche 24 als Abstrahllichtverteilung 28 in die Hauptabstrahlrichtung 26 umgelenkt. Die Lochblende 32, welche zur Abbildung der Abstrahlfläche 17 des Konverters 18 oder eines Teilbereichs 17' davon auf das Detektionselement 11 dient, liegt in dieser Ausführungsform in der Strahlrichtung um die mit den Pfeilspitzen angedeutete Primärstrahlachse 16a, 16b der Laserlichtquellen 12a, 12b. Sie könnte aber auch außerhalb der Primärstrahlachse 16a, 16b liegen.
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Im Strahlengang der Abstrahllichtverteilung 28 kann eine Blende 46 mit einer im Wesentlichen horizontalen Oberkante 48 vorgesehen sein, die von der Projektionsoptik 29 zur Erzeugung einer im Wesentlichen horizontalen Helldunkelgrenze der resultierenden Lichtverteilung, bspw. für Abblendlicht oder Nebellicht, auf die Fahrbahn vor das Kraftfahrzeug projiziert wird.
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Die Auswertung der Detektorsignale des Detektorelements 11 erfolgt mit Hilfe einer Auswerteelektronik 50, die bspw. als eine Software in Form eines Computerprogramms ausgebildet ist, das auf einem Mikroprozessor der Steuereinrichtung 42 ablauffähig und zur Ausführung der Auswertung ausgebildet ist, wenn es auf dem Mikroprozessor abläuft. Die Auswerteelektronik 50 kann die Stromversorgung der Laserlichtquelle 12; 12a, 12b bei Gefahr unterbrechen, bspw. mittels einer Schalteinrichtung 44. Die Auswerteelektronik 50 ist schematisch in 3 dargestellt.
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Das Detektorelement 11 ist in diesem Beispiel als ein Quadranten-Detektor mit vier Segmenten i ausgebildet. Jedes Segment i kann bspw. durch eines oder mehrere Pixel einer CCD- oder CMOS-Kamera gebildet werden. Jedes Segment i liefert einen zugeordneten Helligkeitswert H_i. Dieser Wert ist proportional zur Beleuchtungsstärke des auf dem Segment i des Detektorelements 11 abgebildeten Teilbereichs 17' der Abstrahlfläche 17 des Photolumineszenzelements 18. Der Helligkeitswert wird mit der Summe aller Helligkeitswerte H = H_1 + H_2 + ... normiert und ergibt für jedes Segment den normierten Wert N_i = H_i/H.
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Nach einer endgültigen Justage des Scheinwerfersmoduls 10 wird in einem typischen Betriebszustand für jedes Segment i ein normierter Sollwert S_i gemessen. Die Bestimmung kann analog zur Bestimmung von N_i erfolgen. Diese Sollwerte S_i dienen als Referenzwerte und werden in der Auswerteelektronik 50 gespeichert.
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Zur Detektion einer Beschädigung des Konverters 18 oder einer Verschiebung des Laserstrahls 14 auf dem Konverter 18 wird die normierte Abweichung A_i der normierten Werte N_i von den Sollwerten S_i bestimmt (A_i = Betrag(S_i – N_i)m, wobei die Potenz m ist vorzugsweise ein Wert zwischen 1 und 3. Typischerweise wird m = 2 gewählt, was in etwa der Standardabweichung entspricht. Sobald die Summe aller Abweichungen A_i einen vorgegebenen Grenzwert G überschreitet, wird der aktuelle Zustand als Fehler gewertet und die Laserlichtquelle 12; 12a, 12b abgeschaltet, d.h. falls A_1 + A_2 + A_3 + ... > G erfüllt ist.
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Zur weiteren Verbesserung der Zuverlässigkeit wird zusätzlich die Summe H der Helligkeitswerte überwacht. Überschreitet bzw. unterschreitet die Summe H vorgegebene Grenzwerte G_1 bzw. G_2, so kann die Laserlichtquelle 12; 12a, 12b ebenfalls abgeschaltet werden. Dies kann z.B. auftreten, wenn die Laserlichtquelle 12; 12a, 12b so stark dejustiert ist, dass der Laserstrahl 14; 14a, 14b nicht mehr auf das Detektorelement 11 fällt oder der Photolumineszenzkonverter 18 vollständig zerstört ist und in Folge dessen die Intensität des (z.B. blauen) Laserlichts 14; 14a, 14b stark zunimmt.
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Eine Möglichkeit zur Bestimmung der Grenzwerte G_1 und G_2 ist bspw. folgende: Nach der Montage werden in einem typischen Betriebsmodus des Scheinwerfers die Werte H_i gemessen und daraus
G_1 = 0,8 SUM (H_i) und G_2 = 1,2 SUM (H_i), für alle i,
bestimmt.
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Weitere Möglichkeiten zur Ausgestaltung der Erfindung ergeben sich bspw. durch zwei oder mehr Lochblenden 32 im Reflektor 22 bzw. in der Reflektorfläche 24 mit jeweils zugeordnetem Detektorelementen 11, die den Konverter 18 unter verschiedenen Winkeln betrachten. Damit kann die Empfindlichkeit verbessert werden. Die Konverter 18 können unterschiedliche Filter (z.B. Filter 19 in 1) aufweisen, so dass zusätzlich auch die Wellenlänge bzw. Farbe des Lichts festgestellt bzw. gemessen werden kann. Die vorliegende Erfindung kann mit allen Arten von mit Halbleitern angeregten Weißlichtquellen eingesetzt werden.
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Anstelle des direkten Gebrauchs des Reflektorlochs 32 für eine Lochkamera, kann es vorteilhaft sein, das Kameraloch durch ein kleines Einsatzteil zu realisieren, das in den Durchbruch 32 des Reflektors 22 eingesetzt ist. Das Einsatzteil kann sich ggf. genauer und reproduzierbarer fertigen lassen und vor dem Fixieren am Reflektor 22 ggf. noch ausgerichtet werden. Auch könnte man so noch die Position des Loches 32 zum Konverter 18 vergrößern, so dass man eine bessere Kameraauflösung erhält.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012220481 A1 [0010]
