DE102015224880A1 - Headlamp for lighting - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Scheinwerfer zur Beleuchtung, mit einer Pumpstrahlungsquelle (1) zur Emission von Pumpstrahlung und einem beabstandet dazu angeordneten Leuchtstoffelement (6) zur zumindest teilweisen Konversion der Pumpstrahlung in ein Konversionslicht, wobei ein Strahlenbündel (2) mit der Pumpstrahlung auf eine Einstrahlfläche (5) des Leuchtstoffelements (6) fällt, welches auf diese Anregung hin an einer Abstrahlfläche (7) ein Strahlenbündel (8) mit einem Beleuchtungslicht emittiert, das zumindest anteilig das Konversionslicht enthält, und wobei eines der Strahlenbündel (2, 8) einen Flüssigkristallmodulator (4) zur Strahlbündelformung durchsetzt.The present invention relates to a headlight for illumination, comprising a pump radiation source (1) for emitting pump radiation and a phosphor element (6) spaced therefrom for at least partial conversion of the pump radiation into a conversion light, wherein a radiation beam (2) with the pump radiation onto an irradiation surface (5) of the phosphor element (6) which, in response to this excitation, emits on a radiating surface (7) a beam (8) with an illuminating light which at least partially contains the conversion light, and wherein one of the radiation beams (2, 8) is a liquid crystal modulator (4) interspersed for beam forming.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Scheinwerfer mit einer Pumpstrahlungsquelle zur Emission von Pumpstrahlung und einem beabstandet dazu angeordneten Leuchtstoffelement zur zumindest teilweisen Konversion der Pumpstrahlung in ein Konversionslicht.The present invention relates to a headlamp with a pump radiation source for emitting pump radiation and a phosphor element arranged at a distance therefrom for the at least partial conversion of the pump radiation into a conversion light.
Stand der TechnikState of the art
Mit der Kombination aus einer Pumpstrahlungsquelle hoher Leistungsdichte, bspw. einem UV-Strahlung oder blaues Licht emittierenden Laser, und einem beabstandet dazu angeordneten Leuchtstoffelement lassen sich Lichtquellen hoher Leuchtdichte realisieren. Das Leuchtstoffelement konvertiert die Pumpstrahlung zumindest teilweise, emittiert auf die Anregung hin also ein Konversionslicht. Dieses kann dann für sich oder auch in Mischung mit einem nicht konvertierten Teil der Pumpstrahlung das Beleuchtungslicht bilden.With the combination of a pump radiation source of high power density, for example, a UV radiation or blue light emitting laser, and a spaced-apart thereto arranged phosphor element can be realized light sources high luminance. The phosphor element at least partially converts the pump radiation, thus emitting a conversion light in response to the excitation. This can then form the illumination light on its own or as a mixture with an unconverted part of the pump radiation.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, einen besonders vorteilhaften Scheinwerfer mit Pumpstrahlungsquelle und Leuchtstoffelement anzugeben.The present invention is based on the technical problem of specifying a particularly advantageous headlight with pump radiation source and phosphor element.
Erfindungsgemäß löst diese Aufgabe ein Scheinwerfer zur Beleuchtung, welcher aufweist: eine Pumpstrahlungsquelle zur Emission von Pumpstrahlung; ein zu der Pumpstrahlungsquelle beabstandet angeordnetes Leuchtstoffelement zur zumindest teilweisen Konversion der Pumpstrahlung in ein Konversionslicht; einen Flüssigkristallmodulator mit einer Vielzahl Segmente, deren Transmissionsgrad jeweils einstellbar ist, wobei ein Strahlenbündel mit der Pumpstrahlung auf eine Einstrahlfläche des Leuchtstoffelements fällt, welches auf diese Anregung hin an einer Abstrahlfläche ein Strahlenbündel mit einem Beleuchtungslicht emittiert, das zumindest anteilig das Konversionslicht enthält, und wobei eines der Strahlenbündel den Flüssigkristallmodulator zur Strahlbündelformung durchsetzt.According to the invention, this object is achieved by a headlight for illumination, which comprises: a pump radiation source for emitting pump radiation; a phosphor element arranged at a distance from the pump radiation source for the at least partial conversion of the pump radiation into a conversion light; a liquid crystal modulator having a plurality of segments whose transmittance is adjustable in each case, wherein a beam with the pump radiation falls on a Einstrahlfläche the phosphor element which emits to this excitation out at a radiating surface a beam with an illumination light which at least partially contains the conversion light, and wherein one of the beams passes through the liquid crystal modulator for beam shaping.
Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei in der Darstellung nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verfahrens- bzw. Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen.Preferred embodiments are to be found in the dependent claims and the entire disclosure, wherein the presentation does not always distinguish in detail between device and method or use aspects; In any case, implicitly, the disclosure must be read with regard to all categories of claims.
Der erfindungsgemäße Scheinwerfer weist einen Flüssigkristallmodulator zur Strahlbündelformung auf, welcher entweder dem Leuchtstoffelement vorgelagert zur Anpassung des Strahlenbündels mit der Pumpstrahlung (Pumpstrahlungs-Strahlenbündel) oder nachgelagert zur Anpassung des Strahlenbündels mit dem Beleuchtungslicht (Beleuchtungslicht-Strahlenbündel) angeordnet ist. Je nach Anordnung ergeben sich unterschiedliche Vorteile, siehe unten im Detail. Ein genereller Vorteil des von dem entsprechenden Strahlenbündel durchsetzten, also in Transmission betriebenen Flüssigkristallmodulators ist bspw. der damit mögliche, kompakte Gesamtaufbau. So kann der Flüssigkristallmodulator relativ nahe am Leuchtstoffelement angeordnet werden, etwa auch ohne eine gesonderte Optik dazwischen; wäre hingegen ein reflektiver Flächenlichtmodulator, wie bspw. ein Mikrospiegelarray, vorgesehen, wären die optischen Pfade schon an sich länger und wäre auch eine Optik erforderlich, um bspw. von dem divergent abgegebenen Beleuchtungslicht einen möglichst großen Teil über den reflektiven Flächenlichtmodulator zu führen.The headlight according to the invention has a liquid crystal modulator for beam shaping, which is arranged either upstream of the phosphor element for adapting the radiation beam to the pump radiation (pump radiation beam) or downstream for adapting the radiation beam to the illumination light (illumination light beam). Depending on the arrangement, there are different advantages, see below in detail. A general advantage of the penetrated by the corresponding beam, so operated in transmission liquid crystal modulator is, for example, the thus possible, compact overall design. Thus, the liquid crystal modulator can be arranged relatively close to the phosphor element, even without a separate optics in between; If, on the other hand, a reflective area light modulator, such as a micromirror array, were provided, the optical paths would be longer in themselves and an optical system would also be required in order, for example, to guide as much of the divergently emitted illumination light over the reflective area light modulator.
Der „Flüssigkristallmodulator“ entspricht in seinem Aufbau einer Flüssigkristallanzeige (Liquid Crystal Display, LCD), auch als LCD-Display bezeichnet. Er ist aus einer Vielzahl Segmente, bspw. mindestens 100, 500, 1.000, 5.000, 10.000 bzw. 30.000 Segmenten und (davon unabhängig) nicht mehr als 1·108, 1·107 bzw. 1·106 Segmenten (jeweils in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt), aufgebaut, wobei der Transmissionsgrad der Segmente jeweils einstellbar ist, bspw. digital zwischen „transmissiv“ und „sperrend“ oder auch mehrstufig bzw. stufenlos. Trotz dieser an sich gesonderten Einstellbarkeit können mehrere Segmente schaltungstechnisch zusammengefasst sein. Die Segmente sind bevorzugt matrixförmig in einem regelmäßigen Raster angeordnet. Aufgrund der hohen, mit einem LCD-Panel bzw. -Display erzielbaren Pixeldichte, bspw. in derzeit handelsüblichen LCD-Displays von bis zu 550 dpi (dots per inch), kann eine hohe Bestrahlungspunktdichte auf dem Leuchtstoffelement erzielt werden. Somit lässt sich ein Nutzlicht-Abstrahlungsmuster mit hoher Orts-Auflösung erreichen.The "liquid crystal modulator" corresponds in structure to a liquid crystal display (LCD), also referred to as an LCD display. It is made up of a plurality of segments, for example at least 100, 500, 1,000, 5,000, 10,000 or 30,000 segments and (independently thereof) not more than 1 × 10 8 , 1 × 10 7 or 1 × 10 6 segments (each in the order of naming increasingly preferred), constructed, wherein the transmittance of the segments is in each case adjustable, for example. Digitally between "transmissive" and "blocking" or even multi-stage or continuously. Despite this seperate adjustability, several segments can be combined in terms of circuitry. The segments are preferably arranged in matrix form in a regular grid. Due to the high pixel density which can be achieved with an LCD panel or display, for example in currently commercially available LCD displays of up to 550 dpi (dots per inch), a high irradiation spot density can be achieved on the phosphor element. Thus, a Nutzlicht radiation pattern can be achieved with high spatial resolution.
Ein Grundprinzip von Flüssigkristallanzeigen ist, dass die Flüssigkristalle die Polarisationsrichtung von Licht beeinflussen und ihre Ausrichtung je Segment mit einer angelegten elektrischen Spannung beeinflusst werden kann. Zur technischen Umsetzung gibt es dann im Einzelnen unterschiedliche Möglichkeiten, wobei auf die kommerziell verfügbaren LCD-Bauformen zurückgegriffen werden kann. Eine Austrittsfläche des Flüssigkristallmodulators bildet in der Regel ein Polarisator, der das Licht bzw. die Strahlung dann eben in Abhängigkeit von der mit den Flüssigkristallen eingestellten Polarisationsrichtung passieren lässt oder sperrt.A basic principle of liquid crystal displays is that the liquid crystals affect the polarization direction of light and their orientation per segment can be influenced by an applied electrical voltage. For technical implementation, there are then in detail different possibilities, whereby the commercially available LCD designs can be used. As a rule, an exit surface of the liquid-crystal modulator forms a polarizer, which then allows the light or the radiation to pass or block just as a function of the polarization direction set with the liquid crystals.
Der Flüssigkristallmodulator wird in Transmission betrieben, eine Eintrittsfläche, an welcher das jeweilige Strahlenbündel in den Flüssigkristallmodulator eintritt, liegt also einer Austrittsfläche, an welcher es dann wieder austritt, entgegengesetzt. Auch für das Leuchtstoffelement ist ein Betrieb in Transmission bevorzugt, liegen also die Einstrahl- und die Abstrahlfläche bevorzugt einander entgegengesetzt. The liquid crystal modulator is operated in transmission, an entrance surface, at which the respective beam enters the liquid crystal modulator, thus lies opposite an exit surface at which it then emerges again. Operation in transmission is also preferred for the phosphor element, that is to say that the irradiation and the emission surface are preferably opposite to one another.
Wie bereits eingangs erwähnt, ist als Pumpstrahlungsquelle vorzugsweise ein Laser vorgesehen, der bspw. UV-Strahlung oder vorzugsweise blaues Licht als Pumpstrahlung emittiert. „Laser“ kann dabei sowohl auf eine einzelne Laserquelle als auch auf eine Anordnung mit mehreren Laserquellen zu lesen sein, als Laserquelle ist eine Laserdiode bevorzugt. Im Falle mehrerer Laserquellen können sich diese im Allgemeinen auch in ihrer Dominantwellenlänge unterscheiden, bevorzugt ist diese für sämtliche Laserquellen gleich, besonders bevorzugt sind die Laserquellen baugleich.As already mentioned, a laser is preferably provided as a pumping radiation source which, for example, emits UV radiation or preferably blue light as pumping radiation. "Laser" can be read both on a single laser source as well as on an arrangement with multiple laser sources, as the laser source, a laser diode is preferred. In the case of a plurality of laser sources, these can generally also differ in their dominant wavelength, this is preferably the same for all laser sources, particularly preferably the laser sources are identical.
Die Konversion ist bevorzugt eine Down-Konversion, das Konversionslicht ist also längerwellig als die Pumpstrahlung; das Konversionslicht hat zumindest einen überwiegenden Anteil im sichtbaren Spektralbereich, bevorzugt liegt es insgesamt im Sichtbaren. Im Falle einer Vollkonversion bildet das Konversionslicht alleine das Beleuchtungslicht, im bevorzugten Fall einer Teilkonversion bildet es anteilig gemeinsam mit einem nicht konvertierten Teil der Pumpstrahlung das Beleuchtungslicht. Das Beleuchtungslicht ist bevorzugt Weißlicht.The conversion is preferably a down-conversion, so the conversion light is longer wavelength than the pump radiation; the conversion light has at least a predominant share in the visible spectral range, preferably it is overall in the visible. In the case of a full conversion, the conversion light alone forms the illumination light, in the preferred case of a partial conversion it proportionally forms the illumination light together with an unconverted part of the pump radiation. The illumination light is preferably white light.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform, welche eben die Variante „vorgelagerte Anordnung“ betrifft, durchsetzt das Pumpstrahlungs-Strahlenbündel den Flüssigkristallmodulator bevor es auf das Leuchtstoffelement trifft. Ein Vorteil dieser Anordnung kann bspw. darin bestehen, dass die Pumpstrahlung vorzugsweise bereits polarisiert ist, also in polarisierter Form emittiert wird, was möglichen Effizienzverlusten durch eine anderenfalls dem Flüssigkristallmodulator vorgelagert erforderliche Polarisation vorbeugen helfen kann (siehe
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Scheinwerfer dann dazu eingerichtet, dass das Pumpstrahlungs-Strahlenbündel ortsunveränderlich auf die Eintrittsfläche des Flüssigkristallmodulators fällt, wobei über die Einstellung des Transmissionsgrads der Segmente unterschiedliche Anregungsmuster auf der Einstrahlfläche des Leuchtstoffelements erzeugt werden können. Indem auf der Einstrahlfläche ein Anregungsmuster erzeugt wird, wird dann auch das Beleuchtungslicht an der Abstrahlfläche mit einem entsprechenden Muster abgegeben, wobei bevorzugt mit einer Optik (siehe unten im Detail) an unterschiedlichen Stellen der Abstrahlfläche abgegebenes Beleuchtungslicht in unterschiedliche Raumrichtungen gelenkt wird.In a preferred embodiment, the headlamp is then set up so that the pump radiation beam falls immovably on the entrance surface of the liquid crystal modulator, whereby different excitation patterns can be generated on the irradiation surface of the phosphor element by adjusting the transmittance of the segments. By generating an excitation pattern on the irradiation surface, the illuminating light at the emission surface is then also emitted with a corresponding pattern, preferably with an optic (see below in detail) illuminating light emitted at different points of the emission surface being directed in different spatial directions.
Im Ergebnis können so mit unterschiedlichen Anregungsmustern unterschiedliche Raumwinkelbereiche mit Beleuchtungslicht versorgt werden, oder eben nicht. Ein Beispiel für ein bevorzugtes Anwendungsgebiet sind Kraftfahrzeug-Frontscheinwerfer, wobei dann bspw. in einem ersten Betriebszustand „Fernlicht“ an der gesamten Abstrahlfläche Beleuchtungslicht emittiert wird, wozu entsprechend die gesamte Einstrahlfläche mit Pumpstrahlung bestrahlt wird, also sämtliche Segmente des Flüssigkristallmodulators transmissiv geschaltet sind. In einem zweiten Betriebszustand „Abblendlicht“ kann dann die Beleuchtungslichtabgabe für einen Teil der Abstrahlfläche weggeschaltet werden, indem entsprechende Segmente des Flüssigkristallmodulators sperrend geschaltet werden, womit dann nur noch ein Abblendlichtkegel mit Beleuchtungslicht versorgt wird.As a result, with different excitation patterns different solid angle ranges can be supplied with illumination light, or just not. An example of a preferred field of application are motor vehicle headlights, wherein, for example, illumination light is emitted in a first operating state "high beam" on the entire radiating surface, for which purpose the entire radiating surface is irradiated with pump radiation, ie all segments of the liquid crystal modulator are switched transmissively. In a second operating state "dipped beam" can then be switched off the illumination light output for a portion of the radiating surface by blocking respective segments of the liquid crystal modulator are switched off, which then only a low beam is supplied with illumination light.
Soweit generell von einem „Eingerichtetsein“ des Scheinwerfers die Rede ist, meint dies bspw., dass sich im Betrieb des Scheinwerfers die Pumpstrahlung / das Beleuchtungslicht entsprechend ausbreitet und/oder der Flüssigkristallmodulator entsprechend beschaltet ist. Soweit es also um die Strahlführung geht, sind die einzelnen Komponenten dann also derart relativ zueinander angeordnet, dass sich die Strahlenbündel entsprechend ausbreiten. Für den Betrieb des Flüssigkristallmodulators weist der Scheinwerfer in der Regel eine Steuereinheit auf, welcher die Beschaltung der Segmente (transmissiv/sperrend) steuert.As far as a "set up" of the headlamp is generally mentioned, this means, for example, that the pump radiation / illumination light propagates correspondingly during operation of the headlamp and / or the liquid crystal modulator is correspondingly connected. So far as it goes to the beam guide, the individual components are then so arranged relative to each other, that spread the beam accordingly. For the operation of the liquid crystal modulator, the headlight usually has a control unit which controls the wiring of the segments (transmissive / blocking).
Bei einer bevorzugten Ausführungsform, welche ebenfalls die „vorgelagerte Anordnung“ betrifft, ist in dem Pfad der Pumpstrahlung zwischen dem Flüssigkristallmodulator und dem Leuchtstoffelement ein reflektives, einstellbares Umlenkmittel angeordnet. Hierbei kann es sich bspw. um ein Mikrospiegelarray (Digital Mirror Device, DMD), einen reflektiven Flüssigkristallmodulator (Liquid Crystal on Silicon, LCoS) oder einen Mikroscannerspiegel (Scanning Mirror) handeln. Mit dem Umlenkmittel wird das eigentliche Anregungsmuster auf der Einstrahlfläche des Leuchtstoffelements erzeugt, bspw. indem das Pumpstrahlungs-Strahlenbündel mit einem Mikroscannerspiegel als Umlenkmittel über die Einstrahlfläche bewegt wird.In a preferred embodiment, which also relates to the "upstream arrangement", a reflective, adjustable deflecting means is arranged in the path of the pump radiation between the liquid crystal modulator and the phosphor element. This may be, for example, a micromirror array (digital mirror device, DMD), a reflective liquid crystal modulator (LCoS) or a microscanner mirror (scanning mirror). The deflection element is used to generate the actual excitation pattern on the irradiation surface of the phosphor element, for example by moving the pump radiation beam with a microscope scanner mirror as deflection means over the irradiation surface.
Der dem Umlenkmittel vorgelagerte Flüssigkristallmodulator kann in Verbindung mit dem Mikroscannerspiegel einerseits das Pumpstrahlungs-Strahlenbündel im Gesamten in Abhängigkeit von der jeweiligen Position auf der Einstrahlfläche zu- und wegschalten, sodass sich das Anregungsmuster dann im zeitlichen Verlauf mit der scannenden Bewegung ergibt. Andererseits kann der Flüssigkristallmodulator bspw. auch die Funktion einer adaptiven Blende übernehmen, also das Pumpstrahlungs-Strahlenbündel bspw. in Abhängigkeit von einem jeweiligen Betriebszustand des Umlenkmittels unterschiedlich begrenzen.The liquid crystal modulator upstream of the deflecting means, in conjunction with the microscanner mirror, on the one hand can switch the pump radiation beam bundle on and off as a function of the respective position on the irradiation surface, so that the excitation pattern then results in the course of the scanning movement. On the other hand, the Liquid crystal modulator, for example, also take over the function of an adaptive diaphragm, that is, differentially delimit the pump radiation beam, for example, as a function of a respective operating state of the deflection means.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform, welche wiederum die „vorgelagerte Anordnung“ betrifft, wird das Pumpstrahlungs-Strahlenbündel über die Eintrittsfläche des Flüssigkristallmodulators bewegt und dessen Beschaltung zumindest zeitweilig mit dieser Bewegung synchronisiert. Das Pumpstrahlungs-Strahlenbündel wird also bspw. scannend über die Eintrittsfläche bewegt, wobei sich ein Transmissionsfenster, in dem die Segmente transmissiv geschaltet sind, mitbewegt (außerhalb des Transmissionsfensters sind die Segmente sperrend). Das Transmissionsfenster ist bevorzugt etwas kleiner als ein mit dem Pumpstrahlungs-Strahlenbündel auf der Eintrittsfläche erzeugter Spot, funktional entspricht diese Anordnung also gewissermaßen einer mit dem Spot mitbewegten Blende.In a preferred embodiment, which in turn relates to the "upstream arrangement", the pump radiation beam is moved over the entrance surface of the liquid crystal modulator and its circuitry synchronized at least temporarily with this movement. The pump radiation beam is thus, for example, scanned over the entrance surface moves, with a transmission window in which the segments are connected transmissively moves (outside the transmission window, the segments are blocking). The transmission window is preferably somewhat smaller than a spot generated by the pump radiation beam on the entrance surface, so functionally, this arrangement corresponds to a certain extent to a diaphragm moving along with the spot.
Eine solche mitbewegte Blende kann bspw. insoweit vorteilhaft sein, als der Spot in der Regel keinen scharf begrenzten Rand hat, sondern die Intensität mit einem gewissen Verlauf abfällt, bspw. mit einem Gauß- oder Lorentz-förmigen Profil. Beleuchtungslichtseitig kann sich dies bildlich gesprochen in einem „verwaschenen“ Hell-Dunkel-Übergang zeigen und bspw. eine Abgabe von Beleuchtungslicht in Raumrichtungen zur Folge haben, die eigentlich nicht mehr versorgt werden sollen (vgl. das Beispiel „Abblendlicht“). Die Erfinder haben festgestellt, dass der Effekt eines solchen „Verwaschens“ bei einem bewegten Pumpstrahlungs-Strahlenbündel im Besonderen zum Tragen kommen kann, weil insbesondere das menschliche Auge bzw. die menschliche Perzeption zeitlich über die Abstrahlung von Nutzlicht von nebeneinander liegenden Beleuchtungspunkten des Leuchtstoffelements integriert und somit die Gauß- oder Lorentz-förmigen Ausläufer der sich bewegenden Nutzlichtabstrahlungsprofile von nebeneinander liegenden Beleuchtungspunkten des Leuchtstoffelements als verwaschenen Spot und damit als Unschärfe wahrnimmt.Such a moving diaphragm can, for example, be advantageous insofar as the spot as a rule has no sharply delimited edge, but the intensity drops with a certain course, for example with a Gauss or Lorentz-shaped profile. Illuminated light side, this can figuratively speaking show in a "washed-out" light-dark transition and, for example, have a delivery of illumination light in spatial directions result, which should actually no longer be supplied (see the example "low beam"). The inventors have found that the effect of such "blurring" in a moving pump radiation beam can in particular come to fruition because, in particular, the human eye or human perception integrates over time the radiation of useful light from adjacent illumination spots of the phosphor element Thus, the Gauss or Lorentz-shaped foothills of the moving Nutzlichtabstrahlungsprofile of adjacent illumination points of the phosphor element perceives as a blurred spot and thus as blurring.
Das mitbewegte Transmissionsfenster hat bevorzugt eine um mindestens 5 %, weiter bevorzugt mindestens 10 %, kleinere mittlere Erstreckung als der Spot auf der Eintrittsfläche, wobei mögliche Obergrenzen bspw. bei höchstens 40 % bzw. 30 % liegen. Die „mittlere Erstreckung“ wird jeweils als Mittelwert der kleinsten und größten Erstreckung über die Eintrittsfläche genommen und entspricht im bevorzugten Fall einer Kreisgeometrie dem Kreisdurchmesser.The mitbewegte transmission window preferably has a by at least 5%, more preferably at least 10%, smaller average extent than the spot on the entrance surface, with possible upper limits, for example, at most 40% or 30%. The "average extent" is taken in each case as the mean value of the smallest and largest extension over the entry surface and, in the preferred case of a circular geometry, corresponds to the circle diameter.
In bevorzugter Ausgestaltung des über die Eintrittsfläche des Flüssigkristallmodulators bewegten Pumpstrahlungs-Strahlenbündels wird dieses dem Flüssigkristallmodulator vorgelagert über einen Mikroscannerspiegel geführt. dieser ist zwischen unterschiedlichen Spiegelstellungen verkippbar, und das Pumpstrahlungs-Strahlenbündel kann mit diesem Verkippen über die Eintrittsfläche bewegt werden, bspw. zeilen- bzw. matrixförmig. Die Spiegelfläche des Mikroscannerspiegels wird dabei im Gesamten verkippt.In a preferred embodiment of the moving over the entrance surface of the liquid crystal modulator pump radiation beam this is the liquid crystal modulator preceded by a microscanner mirror. this is tiltable between different mirror positions, and the pump radiation beam can be moved with this tilting over the entrance surface, for example. Line or matrix-shaped. The mirror surface of the microscanner mirror is tilted as a whole.
Bislang wurde vorrangig die Variante „vorgelagerte Anordnung“ diskutiert, bei welcher das Pumpstrahlungs-Strahlenbündel den Flüssigkristallmodulator durchsetzt; nachstehend wird nun schwerpunktmäßig die „nachgelagerte Anordnung“ dargestellt. Im Allgemeinen kann der Scheinwerfer auch mehrere Flüssigkristallmodulatoren aufweisen, kann also einer dem Leuchtstoffelement vor- und ein anderer nachgelagert angeordnet sein; bevorzugt weist der Scheinwerfer genau einen Flüssigkristallmodulator auf. Alternativ zu dem transmissiven Flüssigkristallmodulator haben die Erfinder auch, wie bereits eingangs erwähnt, über reflektive Flächenlichtmodulatoren nachgedacht, bspw. ein DMD oder ein LCoS. Wenngleich diese reflektiven Flächenlichtmodulatoren vorliegend nicht Anspruchsgegenstand sind, sollen entsprechende Aufbauten mit Pumpstrahlungsquelle, beabstandet dazu angeordnetem Leuchtstoffelement und reflektivem Flächenlichtmodulator gleichwohl ausdrücklich offenbart sein.So far, the variant "upstream arrangement" was discussed with priority, in which the pump radiation beam passes through the liquid crystal modulator; In the following, the focus will be on the "downstream arrangement". In general, the headlight can also have a plurality of liquid crystal modulators, that is, one can be arranged in front of the phosphor element and another downstream; Preferably, the headlight has exactly one liquid crystal modulator. As an alternative to the transmissive liquid crystal modulator, the inventors have also, as already mentioned, reflected on reflective surface light modulators, for example a DMD or an LCoS. Although these reflective surface light modulators are not the subject of the present invention, corresponding structures with a pump radiation source, a phosphor element spaced apart therefrom and a reflective surface light modulator should nevertheless be expressly disclosed.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Flüssigkristallmodulator dem Leuchtstoffelement nachgelagert angeordnet und durchsetzt ihn das Beleuchtungslicht-Strahlenbündel.In a preferred embodiment, the liquid crystal modulator is disposed downstream of the phosphor element and passes through it the illumination light beam.
In bevorzugter Ausgestaltung fällt das Pumpstrahlungs-Strahlenbündel dabei ortunveränderlich auf die Einstrahlfläche des Leuchtstoffelements und wird dementsprechend auch das Beleuchtungslicht-Strahlenbündel ortsunveränderlich an der Abstrahlfläche des Leuchtstoffelements abgegeben. Die Eintrittsfläche des Flüssigkristallmodulators wird im Betrieb entsprechend großflächig mit Beleuchtungslicht versorgt, und es werden dann über die Einstellung (des Transmissionsgrads) der Segmente unterschiedliche Emissionsmuster auf der Austrittsfläche des Flüssigkristallmodulators erzeugt. Wie vorstehend für die Abstrahlfläche des Leuchtstoffelements beschrieben, kann dann auch in diesem Fall mit einer Optik die Ortsverteilung auf der Austrittsfläche des Flüssigkristallmodulators in eine Raumwinkelverteilung umgesetzt werden (nur eben die Ortsverteilung auf der Austrittsfläche des Flüssigkristallmodulators anstelle jener auf der Abstrahlfläche des Leuchtstoffelements). Soweit generell von einem „ortsunveränderlich“ einfallenden/abgegebenen Strahlenbündel die Rede ist, meint dies, dass der jeweilige Spot auf der jeweiligen Fläche im Betrieb unbewegt ist (nicht bewegt wird) und auch eine gleichbleibende Größe hat.In a preferred embodiment, the pump radiation beam thereby falls ortunveränderlich on the Einstrahlfläche of the phosphor element and is accordingly also issued the illumination light beam bundle ortsunveränderlich to the emitting surface of the phosphor element. During operation, the entrance surface of the liquid-crystal modulator is supplied with illuminating light over a large area, and different emission patterns are then produced on the exit surface of the liquid-crystal modulator via the setting (the transmittance) of the segments. As described above for the emission surface of the phosphor element, in this case the spatial distribution on the exit surface of the liquid crystal modulator can then be converted into a solid angle distribution (only the spatial distribution on the exit surface of the liquid crystal modulator instead of that on the emission surface of the phosphor element). As far as a "stationary" incident / emitted beam is mentioned, this means that the respective spot on the respective area in operation is immobile (not moved) and also has a constant size.
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung des dem Leuchtstoffelement nachgelagerten Flüssigkristallmodulators wird das Pumpstrahlungs-Strahlenbündel (der Spot) über die Einstrahlfläche des Leuchtstoffelements bewegt und bewegt sich dementsprechend auch das Beleuchtungslicht-Strahlenbündel (der Emissions-Spot) über die Abstrahlfläche. Die Einstellung des Transmissionsgrads der Segmente wird dabei zumindest zeitweilig mit der Bewegung des Beleuchtungslicht-Strahlenbündels synchronisiert, es wird also wiederum analog der vorstehenden Beschreibung ein Transmissionsfenster / eine Blende mitbewegt (in diesem Fall mit dem Beleuchtungslicht-Strahlenbündel, vorstehend mit dem Pumpstrahlungs-Strahlenbündel). Es wird auf die vorstehend für das mitbewegte Transmissionsfenster angegebenen Vorteile und auch bevorzugten Größenverhältnisse verwiesen. In another preferred embodiment of the liquid crystal modulator downstream of the phosphor element, the pump radiation beam (the spot) is moved over the irradiation surface of the phosphor element, and accordingly the illumination light beam (the emission spot) moves over the emission surface. The adjustment of the transmittance of the segments is thereby at least temporarily synchronized with the movement of the illumination light beam, so again a transmission window / aperture is moved along with it (in this case with the illumination light beam, above with the pump radiation beam). , Reference is made to the advantages and preferred aspect ratios given above for the co-moving transmission window.
Bei der Anordnung des Flüssigkristallmodulators dem Leuchtstoffelement nachgelagert kann ein Vorteil generell (auch im Falle des statischen Aufbaus) darin bestehen, dass mit einem möglichst nahe an dem Leuchtstoffelement angeordneten Flüssigkristallmodulator auch ohne eine gesonderte Optik dazwischen ein vergleichsweise großer Teil des divergent abgegebenen Beleuchtungslichts „aufgesammelt“ werden kann. Somit ist ein zugleich effizienter, aber auch kompakter und kostengünstiger Aufbau möglich. Im Falle des dem Leuchtstoffelement nachgelagerten Flüssigkristallmodulators ist generell bevorzugt, dass das Beleuchtungslicht-Strahlenbündel von ggf. einem dazwischen angeordneten Polarisator (siehe unten) abgesehen direkt von der Abstrahlfläche des Leuchtstoffelements zu der Eintrittsfläche des Flüssigkristallmodulators gelangt, also dazwischen keine Optik durchsetzt; „direkt“ meint insoweit von ggf. einem Polarisator und ggf. dem Übergang in ein umgebendes Gasmedium (in der Regel Luft) abgesehen brechungs- und reflexionsfrei.In the arrangement of the liquid crystal modulator downstream of the phosphor element, an advantage in general (also in the case of static construction) can be that a comparatively large part of the divergently emitted illumination light is "picked up" with a liquid crystal modulator arranged as close as possible to the phosphor element without a separate optic therebetween. can be. Thus, a more efficient, but also compact and cost-effective design is possible. In the case of the liquid crystal modulator downstream of the phosphor element, it is generally preferred that the illumination light beam bundle of optionally a polarizer arranged therebetween (see below) passes directly from the emission surface of the phosphor element to the entrance surface of the liquid crystal modulator, ie no optics interspersed therebetween; "Direct" means in this respect of possibly a polarizer and possibly the transition into a surrounding gas medium (usually air) refraction and reflection-free.
In bevorzugter Ausgestaltung des dem Leuchtstoffelement nachgelagerten Flüssigkristallmodulators wird das Pumpstrahlungs-Strahlenbündel mit einem zwischen unterschiedlichen Spiegelstellungen verkippbaren Mikroscannerspiegel zu der Einstrahlfläche des Leuchtstoffelements geführt und über diese bewegt (vgl. auch die vorstehende Offenbarung zu „Mikroscannerspiegel“). Im Allgemeinen könnte zur Bewegung des Pumpstrahlungs-Strahlenbündel aber auch ein DMD oder LCoS vorgesehen sein.In a preferred embodiment of the liquid crystal modulator downstream of the phosphor element, the pump radiation beam is guided with a microscanner mirror tiltable between different mirror positions to the irradiation surface of the phosphor element and moved over it (see also the above disclosure on "microscanner mirror"). In general, however, a DMD or LCoS could also be provided for moving the pump radiation beam.
Wie bereits erwähnt, ist in bevorzugter Ausgestaltung eine Optik zur Umsetzung der Orts- in eine Raumwinkelverteilung vorgesehen, welche im Falle des vorgelagerten Flüssigkristallmodulators der Abstrahlfläche des Leuchtstoffelements und bei der nachgelagerten Anordnung der Austrittsfläche des Flüssigkristallmodulators zugeordnet ist. Im letztgenannten Fall wird dann also das aus einem jeweiligen Segment abgegebene Beleuchtungslicht in einen jeweiligen Raumwinkelbereich gelenkt. Ist die Optik der Abstrahlfläche des Leuchtstoffelements zugeordnet, wird an unterschiedlichen Stellen davon abgegebenes Licht in unterschiedliche Raumrichtungen gelenkt; dabei bestimmt die dem Leuchtstoffelement vorgelagert vorgenommene Modulation (Bewegung des Pumpstrahlungs-Strahlenbündel und/oder Modulation mit dem Flüssigkristallmodulator) an welchen Stellen der Abstrahlfläche Beleuchtungslicht emittiert wird und welche Raumrichtungen dementsprechend versorgt werden.As already mentioned, an optic for converting the spatial into a spatial angle distribution is provided in a preferred embodiment, which is assigned in the case of the upstream liquid crystal modulator of the emitting surface of the phosphor element and in the downstream arrangement of the exit surface of the liquid crystal modulator. In the latter case, the illumination light emitted from a respective segment is then directed into a respective solid angle range. If the optics are assigned to the emission surface of the phosphor element, light emitted at different points thereof is directed into different spatial directions; In this case, the modulation made in advance of the phosphor element (movement of the pump radiation beam and / or modulation with the liquid crystal modulator) determines at which points of the emission surface illumination light is emitted and which spatial directions are correspondingly supplied.
In bevorzugter Ausgestaltung sind die Optik und die jeweilige Fläche (Abstrahlfläche oder Austrittsfläche) einseitig telezentrisch zueinander angeordnet, wird also das von den unterschiedlichen Stellen der jeweiligen Fläche ausgehende Beleuchtungslicht jeweils für sich kollimiert (also je Stelle). Die „Optik“ kann generell reflektiv (insbesondere über Totalreflexion) und/oder refraktiv sein, bevorzugt ist sie refraktiv, besonders bevorzugt aus einer Mehrzahl Einzellinsen (sphärisch oder asphärisch) aufgebaut.In a preferred embodiment, the optics and the respective surface (radiating surface or exit surface) are arranged on one side telecentric to each other, that is, the illuminating light emanating from the different locations of the respective surface is collimated by itself (ie per location). The "optics" can generally be reflective (in particular via total reflection) and / or refractive, preferably it is refractive, particularly preferably constructed from a plurality of individual lenses (spherical or aspherical).
Bei einer bevorzugten Ausführungsform, welche insbesondere den nachgelagerten Flüssigkristallmodulator betrifft, durchsetzt das Strahlenbündel (vorzugsweise das Beleuchtungslicht-Strahlenbündel) dem Flüssigkristallmodulator vorgelagert einen Polarisator. Dieser ist dann also bevorzugt zwischen der Abstrahlfläche des Leuchtstoffelements und der Eintrittsfläche des Flüssigkristallmodulators angeordnet. Mit zwei um 90° zueinander verdrehten Polarisationsfiltern, wovon der eine Teil des Flüssigkristallmodulators ist (siehe vorne), können die jeweilig gesperrten Segmente vollständig ausgeblendet werden. Im Allgemeinen ist eine solche Anordnung aber nicht zwingend, kann nämlich auch eine gewisse Rest-Transmission im Sperrfall („Graubereich“) von Interesse sein. Wird der Flüssigkristallmodulator von dem Pumpstrahlungs-Strahlenbündel durchsetzt, ist dem Flüssigkristallmodulator vorgelagert bevorzugt kein gesonderter Polarisator vorgesehen, weil die Pumpstrahlung in der Regel ohnehin in polarisierter Form emittiert wird. Generell meint „Polarisator“ im Rahmen dieser Offenbarung einen linearen Polarisator, wobei ein Wire-Grid-Polarisator bevorzugt sein kann. Ein Wire-Grid-Polarisator kann auch in die Einstrahl- und/oder Abstrahlfläche des Leuchtstoffelements eingebettet bzw. integriert sein.In a preferred embodiment, which relates in particular to the downstream liquid crystal modulator, the radiation beam (preferably the illumination light beam) passes through a polarizer upstream of the liquid crystal modulator. This is then preferably arranged between the emission surface of the phosphor element and the entrance surface of the liquid crystal modulator. With two polarization filters twisted by 90 ° to each other, which is part of the liquid crystal modulator (see above), the respective locked segments can be completely blanked out. In general, such an arrangement is not mandatory, namely, a certain residual transmission in the case of blocking ("gray area") may be of interest. If the liquid crystal modulator is penetrated by the pump radiation beam, preferably no separate polarizer is provided upstream of the liquid crystal modulator because the pump radiation is usually emitted in polarized form anyway. Generally, "polarizer" as used herein means a linear polarizer, with a wire-grid polarizer being preferred. A wire-grid polarizer can also be embedded or integrated in the irradiation and / or emission surface of the phosphor element.
Generell sind das Leuchtstoffelement und die Pumpstrahlungsquelle in bevorzugter Ausgestaltung orts- und drehfest relativ zueinander angeordnet, werden sie also relativ zueinander nicht bewegt.In general, the phosphor element and the pump radiation source are arranged in a preferred embodiment, stationary and rotationally fixed relative to each other, so they are not moved relative to each other.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines vorliegend offenbarten Scheinwerfers zur Beleuchtung, insbesondere zur Kraftfahrzeug-Beleuchtung, insbesondere in einem Kraftfahrzeug-Frontscheinwerfer, insbesondere in einem Automobil-Frontscheinwerfer. Bevorzugt kann dabei insbesondere auch eine adaptive Beleuchtung sein, bei welcher ein mit dem Scheinwerfer insgesamt zugänglicher Raumwinkelbereich situativ nur teilweise ausgeleuchtet wird. Eine vergleichsweise einfache Anwendung kann der vorstehend beschriebene Wechsel zwischen Fern- und Abblendlicht sein.The invention also relates to the use of a presently disclosed headlamp for lighting, in particular for motor vehicle Lighting, in particular in a motor vehicle headlight, in particular in an automobile headlight. In this case, adaptive illumination may in particular also be preferred in which a solid-angle area that is accessible to the entire headlight is only partially illuminated depending on the situation. A comparatively simple application may be the change between high beam and low beam described above.
Wie sich aus der vorstehenden Offenbarung ergibt, können mit dem erfindungsgemäßen Aufbau aber auch komplexere, matrixförmig aufgebaute Emissionsmuster erzeugt werden, wobei diesen Ortsverteilungen dann Raumwinkelverteilungen entsprechen. Durch eine Anpassung der Ortsverteilung, also das Wegschalten der Emission aus bestimmten Bereichen, kann bspw. selektiv ein entgegenkommendes und/oder vorausfahrendes Fahrzeug ausgenommen werden. Dies kann bspw. in Abhängigkeit von mit einer Kamera, die bspw. im Innenspiegel bzw. dessen Aufhängung angebracht sein kann, erfassten Aufnahmen des Beleuchtungsbereichs erfolgen. Jedem Teilbereich des Beleuchtungsbereichs kann ein Raumwinkelbereich und damit eben bspw. einem Segment des Flüssigkristallmodulators zugeordnet werden.As can be seen from the above disclosure, more complex, matrix-shaped emission patterns can also be generated with the structure according to the invention, these spatial distributions then corresponding to solid angle distributions. By adapting the spatial distribution, that is to say switching off the emission from certain areas, it is possible, for example, selectively to exclude an oncoming and / or preceding vehicle. This can take place, for example, as a function of recordings of the illumination area recorded with a camera which, for example, can be mounted in the interior mirror or its suspension. Each partial area of the illumination area can be assigned a solid angle range and therefore just, for example, a segment of the liquid crystal modulator.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den Anspruchskategorien unterschieden wird.In the following, the invention will be explained in more detail with reference to embodiments, wherein the individual features in the context of the independent claims in another combination may be essential to the invention and continue to distinguish not in detail between the claim categories.
Im Einzelnen zeigtIn detail shows
Bevorzugte Ausführung der ErfindungPreferred embodiment of the invention
Im Ergebnis wird an einer der Einstrahlfläche
Mit dem Flüssigkristallmodulator
Diese Situation kann bspw. einem Betriebszustand „Abblendlicht“ entsprechen, wohingegen ein im Gesamten transmissiver Flüssigkristallmodulator und dementsprechend eine ganzflächige Anregung/Emission einem Betriebszustand „Fernlicht“ entsprechen würde. Eine der Abstrahlfläche
Die
Ist im Falle von
Bei der zweiten Ausführungsform gemäß
Je nach Spiegelstellung fällt das Pumpstrahlungs-Strahlenbündel
Dieses wird bei der Ausführungsform gemäß
Bei der Ausführungsform gemäß
Mit der Optik
Bei der Ausführungsform gemäß
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- PumpstrahlungsquellePump radiation source
- 2 2
- Pumpstrahlungs-Strahlenbündel Pump radiation beam bundle
- 33
- Primäroptik primary optics
- 44
- Flüssigkristallmodulator liquid crystal modulator
- 4a4a
- Flüssigkristall-Einheit mit Flüssigkristallen Liquid crystal unit with liquid crystals
- 4b4b
- Nachgeordneter Polarisationsfilter Subordinated polarization filter
- 55
- Einstrahlfläche irradiation surface
- 6 6
- LeuchtstoffelementFluorescent element
- 77
- Abstrahlfläche radiating
- 88th
- Beleuchtungslicht-Strahlenbündel Illumination light beam bundle
- 99
- Optik optics
- 2020
- Polarisator polarizer
- 3030
- Mikroscannerspiegel Micro Mirror
- 3131
- Eintrittsfläche entry surface
- 4040
- Austrittsfläche exit area
Claims (15)
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