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Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung für Fahrzeuge mit einer Laserlichtquelle zur Abstrahlung von Laserlicht und mit einer derselben zugeordneten Optikeinheit zur Erzeugung einer vorgegebenen Lichtverteilung.
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Es ist aus der
DE 10 2005 031 809 A1 bekannt, für Kurven- und Leuchtweitenregelungen von Scheinwerfern ein eine Lichtquelle und eine Optikeinheit aufweisendes verschwenkbares Lichtmodul vorzusehen. Hierfür ist dem Lichtmodul eine Verschwenkeinheit mit einem Aktor zugeordnet, so dass das Lichtmodul um ein horizontale und/oder vertikale Achse in Abhängigkeit von der aktuellen Verkehrssituation des Fahrzeugs verschwenkt werden kann. Es ist daher ein mechanisches Verkippen oder Verdrehen des Lichtmoduls erforderlich.
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Aus der
DE 10 2012 100 141 A1 ist eine Beleuchtungsvorrichtung für Fahrzeuge mit einer Laserlichtquelle und einer Optikeinheit bekannt, bei der zur Bauraumreduzierung in einem Strahlengang zwischen einer Laserlichtquelle und einem Konversionselement ein Strahlungsumlenkungselement angeordnet ist. Hierdurch kann das Laserlicht von der Laserlichtquelle und von dem Konversionselement zur gleichen Seite hin abgestrahlt werden, was einen kompakten Bauraum der Beleuchtungsvorrichtung ermöglicht.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Beleuchtungsvorrichtung für Fahrzeuge enthaltend eine Laserlichtquelle derart weiterzubilden, dass der Aufwand für das Bereitstellen einer Kurven- und/oder Leuchtweitenregelung verringert wird, wobei insbesondere der Bauraumaufwand reduziert werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Laserlichtquelle und der Optikeinheit ein optischer Modulator angeordnet ist, mittels dessen der Laserstrahl in Abhängigkeit von einem auf ein Material des optischen Modulators wirkenden Steuersignals gebeugt wird zur Einstellung der Richtung und/oder Intensität des Laserstrahls.
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Nach der Erfindung ist zwischen einer Laserlichtquelle und einer derselben zugeordneten Optikeinheit ein optischer Modulator angeordnet, der derart ansteuerbar ist, dass der durch den optischen Modulator hindurchtretende Laserlichtstrahl in seiner Richtung und/oder Intensität verändert werden kann. Die Richtungs- und/oder Intensitätsänderung des durch den optischen Modulator hindurchtretenden Laserlichtstrahls erfolgt in Abhängigkeit von einer Steuereinheit, mittels derer vorzugsweise verkehrssituationsabhängig eine Kurven- und/oder Leuchtweitenregelung ermöglicht wird. Das von der Beleuchtungsvorrichtung abgestrahlte Lichtbündel erfährt somit ein Verschwenken um eine horizontale und/oder vertikale Achse, so dass die Lichtverteilung in horizontaler und/oder vertikaler Richtung verstellbar bzw. veränderbar ist. Eine horizontale und vertikale Richtungsverstellung kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass zwei optische Modulatoren hintereinander geschaltet werden, die eine Orientierung von 90° zueinander aufweisen. Auf ein Mat erial des optischen Modulators wirkt ein Steuersignal der Steuereinheit, mittels dessen die Beugung des Laserlichtstrahls verändert werden kann. Eine mechanische Verkippung bzw. Verdrehung des optischen Modulators ist nicht erforderlich.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der optische Modulator ein anregbares Material auf, dessen Brechungsindex aufgrund des Steuersignals veränderbar ist. Das Steuersignal bewirkt eine externe Anregung des Materials, das zu einer Beugung des Laserlichtstrahls innerhalb des Materials führt. Liegt kein Steuersignal an, tritt der Laserstrahl ungebeugt durch das Material des optischen Modulators hindurch. Im Falle eines optischen Modulators auf Basis von Doppelbrechung (elektrisch-, magnetisch- oder druckinduzierte Doppelbrechung) kann durch die Stärke des Steuersignals die Größe der Laserlichtstrahlbeugung eingestellt werden. Im Falle eines Modulators auf Basis eines optischen Gitters, wie z. B. bei einem akustooptischen Modulator, kann der Beugungswinkel über die Frequenz des Steuersignals geregelt werden. Die Intensität des gebeugten Lichtes kann über die Stärke des Steuersignals eingestellt werden. Dies kann kontinuierlich erfolgen, so dass eine dynamische Leuchtweitenregelung und/oder Kurvenlichtfunktion gewährleistet ist.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das Steuersignal mittels eines elektromagnetischen Feldes oder mittels akustischer Wellen oder mittels einer mechanischen Druckbeanspruchung erzeugbar. Vorteilhaft kann die Laserstrahlrichtungsänderung platzsparend und mit geringem mechanischem Aufwand realisiert werden.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der optische Modulator als ein akustooptischer Modulator ausgebildet, der ein Kristallmaterial aufweist, in welchem durch Brechungsindexmodulation ein Beugungsgitter erzeugt werden kann, das in Abhängigkeit von einer Frequenz und/oder einer Amplitude eines akustischen Anregungssignals veränderbar ist. Vorteilhaft können hier die Frequenz und die Amplitude des Anregungssignals zur Einstellung des Beugungswinkels und der Intensität des gebeugten Laserstrahls genutzt werden.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung, bei der der optische Modulator als doppelbrechendes Medium ausgelegt ist, kann die Intensität des gebrochenen Laserlichtstrahls durch einen Polarisationsdreher eingestellt werden, welcher in Abstrahlrichtung hinter dem optischen Modulator angeordnet ist.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind im Strahlengang des Laserstrahls in Abstrahlrichtung vor dem optischen Modulator eine erste Linse und in Abstrahlrichtung hinter dem optischen Modulator eine zweite Linse angeordnet. Vorteilhaft wird hierdurch ein Strahlversatz des Laserstrahls bewirkt, bei dem Laserstrahlen in Abhängigkeit von dem Steuersignal parallel versetzt zueinander abgestrahlt werden.
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Durch ein im Strahlengang angeordnetes, dem Modulator nachgelagertes optisches Mittel, beispielsweise ein Strahlungsumlenkungselement, kann z. B. allein aufgrund einer Verlängerung des Strahlengangs eine Art Verstärkung der Strahlablenkung erreicht werden. Weitere optische Mittel können dann zur Erzeugung der vorgegebenen Lichtverteilung dienen.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der optische Modulator als ein Doppelbrechungs-Modulator ausgebildet, mittels dessen ein Strahlversatz des Laserstrahls bewirkt wird. Aufgrund des Materials oder aufgrund der Anregung des Materials dieses Doppelbrechungs-Modulators kann erreicht werden, dass ausgehend vom dem Doppelbrechungs-Modulator mehrere Laserstrahlen parallel versetzt zueinander propagieren. Der Versatz der Laserstrahlen kann durch ein weiteres optisches Mittel, beispielsweise einen nicht-planen Spiegel, einen nicht-planen Reflektor und/oder ein refraktives optisches Bauteil aufgeweitet werden.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Laserlichtquelle einen Resonator mit einem Endspiegel und einer Auskoppelspiegelanordnung auf, zwischen denen ein aktives Lasermedium angeordnet ist. Die Auskoppelspiegelanordnung weist mehrere Spiegel unterschiedlicher Reflexions- und/oder Transmissionsgrade auf, so dass Lichtanteile unterschiedlicher Wellenlängen von der Laserlichtquelle abgestrahlt werden können, die additiv eine weiße Lichtfarbe ergeben. Vorteilhaft kann hierdurch die Beleuchtungsvorrichtung besonders platzsparend ausgebildet sein.
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Nach einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist der optische Modulator zwischen der Laserlichtquelle, die eine monochromatische Primärstrahlung abstrahlt, und einem Konversionselement zur Konvertierung dieser Primärstrahlung in eine Sekundärstrahlung einer weißen Lichtfarbe angeordnet. Zusätzlich befindet sich im Strahlengang zwischen dem optischen Modulator und dem Konversionselement ein Strahlungsumlenkungselement, mittels dessen die durch den optischen Modulator bewirkte Richtungsänderung des Laserstrahls weiter erhöht werden kann. In der zum Konversionselement vorgelagerten Optikeinheit werden die Laserstrahlen so abgebildet, dass die vorgegebene Lichtverteilung erzeugt wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Beleuchtungsvorrichtung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
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2 eine schematische Darstellung der Beleuchtungsvorrichtung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
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3 eine schematische Darstellung der Beleuchtungsvorrichtung nach einer dritten Ausführungsform,
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4 eine schematische Darstellung der Wirkung eines refraktiven optischen Bauteils zur Vergrößerung der Ablenkwirkung des optischen Modulators auf Strahlengänge des Laserstrahls mit unterschiedlichen Ausbreitungs winkeln und
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5 eine schematische Darstellung der Wirkung des refraktiven optischen Bauteils zur Vergrößerung der Ablenkwirkung des optischen Modulators auf Strahlengänge des Laserstrahls mit gleichen Ausbreitungswinkeln.
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Eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung für Fahrzeuge wird vorzugsweise in Scheinwerfern zur Erzeugung einer vorgegebenen Lichtverteilung, beispielsweise einer dynamischen Fernlicht- und/oder Abblendlichtverteilung, eingesetzt.
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Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung gemäß 1 ist eine Laserlichtquelle 1 vorgesehen, die einen monochromatischen Primärstrahl 2 abstrahlt. Der Primärstrahl 2 trifft auf einen optischen Modulator 3, der ein anregbares Material 4 aufweist. Das Material 4 des optischen Modulators 3 ist von einem Steuersignal S beaufschlagbar, wobei in Abhängigkeit von der Höhe des Steuersignals S ein Brechungsindex des Materials 4 veränderbar ist. Das Steuersignal S kann von einer nicht dargestellten Steuereinheit abgesendet werden, mittels dessen die räumliche Ausrichtung und/oder die Intensität des von der Beleuchtungsvorrichtung abgestrahlten Lichtbündels 5 verändert werden soll. Die räumliche Ausrichtung des Lichtbündels 5 kann beispielsweise in horizontaler Richtung verändert werden zur Erzeugung einer Kurvenlichtfunktion und/oder in vertikaler Richtung verändert werden zur Erzeugung einer Leuchtweiteneinstellung bzw. Leuchtweitenregelung.
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Erfolgt keine Beeinflussung des Materials 4 durch das Steuersignal S (Steuersignal S = 0) (bei dem Steuersignal kann es sich je nach Modulatortyp um ein Signal unterschiedlicher Frequenz und/oder unterschiedlicher Amplitude handeln), tritt der Primärstrahl 2 ungebeugt durch das Material 4 als Strahl 6 hindurch. In Abhängigkeit von der Größe des Steuersignals S wird der Primärstrahl 2 unterschiedlich stark gebeugt, so dass bei dem Steuersignal S eines ersten Betrages ein gebeugter Strahl 7 mit einem ersten Beugungswinkel φ1, bei dem Steuersignal eines zweiten Betrages, der größer ist als das Steuersignal S des ersten Betrages, ein gebeugter Strahl 8 mit einem zweiten Beugungswinkel φ2, der größer ist als der erste Beugungswinkel φ1, und bei einem Steuersignal S eines dritten Betrages, der größer ist als das Steuersignal S des ersten und zweiten Betrages, ein gebeugter Strahl 9 mit einem Beugungswinkel φ3, der größer ist als die Beugungswinkel φ1 und φ2, umgelenkt werden.
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Zur Erhöhung der Richtungsänderung bzw. Beugung des Primärstrahls 2 ist in Abstrahlrichtung A hinter dem optischen Modulator 3 ein Strahlungsumlenkungselement 10 vorgesehen, durch das der Laserstrahl 7, 8 bzw. 9 in Richtung eines Konversionselementes 11 umgelenkt wird. Das Strahlungsumlenkungselement 10 kann beispielsweise ein Spiegel, ein Reflektor und/oder eine refraktive Optik umfassen. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Strahlungsumlenkungselement ein Spiegel, der beispielsweise als konvexer oder konkaver Spiegel ausgebildet sein kann. Dieser Spiegel bewirkt eine weitere Aufspreizung der durch das Steuersignal S bewirkten unterschiedlichen gebrochenen Laserlichtstrahlen 7, 8, 9. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel führt dies z. B. dazu, dass der erste Strahl 7 auf den Punkt 12 an einem ersten Ende eines nachgeordneten Konversionselementes 11 auftrifft, während der zweite Strahl 8 auf einen Punkt 13 in der Mitte des Konversionselementes 11 auftrifft und der Strahl 9 auf einen Punkt 14 auf einer zum Punkt 12 gegenüberliegenden Seite des Konversionselementes 11 auftrifft.
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Das Konversionselement 11 ist bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel für die Erzeugung von weißem Licht vorgesehen. Anders als in 1 dargestellt, kann jedoch auch auf andere Weise weißes Licht erzeugt werden, z. B. durch Überlagerung von Laserstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen.
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Für die Weißlichterzeugung weist das Konversionselement 11 einen Leuchtstoff auf, mittels dessen der monochromatische Laserstrahl 7, 8, 9 in ein breitbandiges weißes Sekundärlicht umgewandelt wird. Hierzu weist das Konversionselement 11 einen Leuchtstoff als optisch aktives Bauteil auf, dass das blaue Licht der Laserdiode teilweise in gelbes Licht umwandelt, so dass durch Mischung der gelben und blauen Strahlung weiße Sekundärstrahlung erzeugt wird.
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Ein von dem ersten Punkt 12 des Konversionselementes 11 abgestrahltes erste Sekundärlicht 15, ein von dem zweiten Punkt 8 des Konversionselementes 11 abgestrahltes zweite Sekundärlicht 16 und ein von dem dritten Punkt 9 des Konversionselementes 11 abgestrahltes drittes Sekundärlicht 17 wird von einer als Linse ausgebildeten Optikeinheit 18 erfasst zur Erzeugung des Lichtbündels 5, wobei das Sekundärlicht 15, 16, 17 um einen entsprechenden Winkel verschwenkt zu der Blattebene der 1 abgestrahlt wird. Hierdurch kann beispielsweise dynamisch ein Kurvenlicht erzeugt werden. Die jeweilige in 1 exemplarisch dargestellte Sekundärstrahlung 15, 16, 17 repräsentiert das abgestrahlte Lichtbündel 5, wobei es in Abhängigkeit von der aktuellen ermittelten Verkehrssituation bzw. vom Lenkeinschlag in horizontaler Richtung versetzt zueinander abgegeben wird.
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Nach einer alternativen Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung gemäß 2 kann im Unterschied zu der ersten Ausführungsform in Abstrahlrichtung A vor dem optischen Modulator 3 eine erste Linse 19 zur Fokussierung des Primärstrahls 2 auf das Material 4 des optischen Modulators 3 und in Abstrahlrichtung A hinter dem optischen Modulator 3 eine zweite Linse 20 zur Kollimation der im optischen Modulator 3 gebrochenen Laserlichtstrahlen 7, 8, 9 dienen. In Abstrahlrichtung A hinter der zweiten Linse 20 treten die exemplarisch dargestellten Laserlichtstrahlen 7, 8, 9 in Abhängigkeit von der Höhe des Steuersignals S parallel versetzt zueinander aus. Auf diese Weise treffen die gebeugten Lichtstrahlen 7, 8, 9 in einem gleichen Winkel auf das Strahlungsumlenkungselement 10, statt – wie im ersten Ausführungsbeispiel nach 1 – in einem unterschiedlichen Winkel. Es findet somit durch die Linsen 19, 20 in Kombination mit dem Modulator 3 ein Parallelversatz der Laserstrahlen 7, 8, 9 statt, bei dem die Größe des Parallelversatzes – je nach Modulator – von der Frequenz und/oder Amplitude des Steuersignals S abhängt.
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Wie in 1 dargestellt, können die Strahlen nachfolgend durch das Strahlungsumlenkungselement 10 in Richtung des Konversionselementes 11 „aufgeweitet“ werden. Anders als in 1 dargestellt, kann das Strahlungsumlenkungselement 10 jedoch auch so ausgestaltet sein, dass die Strahlen auch nach der Umlenkung mit einem Parallelversatz, d. h. unter dem gleichen Winkel in Richtung des Konversionselements 11 propagieren.
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Nach einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform der Erfindung kann der Strahlversatz gebeugter Strahlen 7, 8, 9 auch durch einen Doppelbrechungs-Modulator erfolgen, der zur Doppelbrechung ein optisch anisotropes Material aufweist. Alternativ kann der optische Doppelbrechungs-Modulator auch isotropes Material aufweisen, welches durch magnetische und/oder elektrische Felder oder durch Druckbeanspruchung zur Doppelbrechung angeregt wird.
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Nach der Erfindung kann das Steuersignal S durch Variierung eines elektromagnetischen Feldes oder durch Variierung von akustischen Wellen oder durch mechanische Druckbeanspruchung erzeugt werden.
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Beispielweise kann der optische Modulator als ein akustooptischer Modulator ausgebildet sein, der ein Kristallmaterial aufweist, in dem durch Brechungsindexmodulation ein Beugungsgitter erzeugt werden kann, welches in Abhängigkeit von einer Frequenz und/oder einer Amplitude eines akustischen Anregungssignals (Steuersignal) veränderbar ist. Das Brechungsgitter ist auf eine sinusförmige Modulation des Brechungsindexes infolge der akustischen Welle zurückzuführen, die sich im Kristallmaterial ausbildet. Für den Beugungswinkel zwischen nullter und erster bzw. höherer Beugungsordnung gilt folgende Formel:
wobei ƛ die optische Wellenlänge, V
a die Schallgeschwindigkeit, f
a die Frequenz der akustischen Welle ist. Je höher die Anregungsfrequenz ist, desto höher ist der Beugungswinkel. Das Kristallmaterial kann beispielsweise aus Quarzglas bestehen. Der Primärlaserstrahl
2 wird mittels des Anregungssignals teilweise gebeugt, wobei im Wesentlichen die Beugungsordnungen erster oder x-ter Ordnung relevant sind.
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Durch die Amplitude des Anregungssignals kann Einfluss auf die Amplitude des Brechungsindexgitters genommen werden, womit schließlich auf den Anteil des gebeugten Laserlichts genommen werden kann. Die Intensität des gebeugten Laserlichtstrahls lässt sich somit dynamisch über die Amplitude der akustischen Schwingung des Kristalls regeln. Weitere statische Parameter, die Einfluss auf die Intensität des gebeugten Laserstrahls haben, sind unter anderem das Kristallmaterial und Geometrieparameter (Höhe, Breite) des akustooptischen Modulators.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gemäß 3 ist eine Laserlichtquelle 21 vorgesehen, die einen Resonator mit einem Endspiegel 22, einem aktiven Lasermedium 23 und einer Auskoppelspiegelanordnung 24 aufweist. Die Auskoppelspiegelanordnung 24 ist auf einer zum Endspiegel 22 gegenüberliegenden Seite des Lasermediums 23 angeordnet und weist mehrere Spiegel 25, 26, 27 auf. Die Spiegel 25, 26, 27 unterscheiden sich in ihren Reflexions- und/oder Transmissionsgraden, so dass durch Überlagerung der jeweils durch die Spiegel 25, 26, 27 ausgekoppelten Lichtanteilen 25‘, 26‘, 27‘ durch Überlagerung derselben ein Laserlichtstrahl 28 weißer Lichtfarbe abstrahlbar ist. Dieser weiße Laserlichtstrahl 28 trifft auf den optischen Modulator 3, mittels dessen eine Beugung desselben erfolgt, wie bereits oben beschrieben. In Abstrahlrichtung A schließt sich an den optischen Modulator 3 eine Optikeinheit 18 an, mittels derer die vorgegebene Lichtverteilung erzeugt wird. Diese kann hierbei ggf. auch Mittel umfassen, mit denen sich unterschiedliche Beugungswinkel der Laserstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen ausgleichen lassen, um so eine identische Überlagerung der Laserstrahlen mit den unterschiedlichen Wellenlängen zu erreichen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das Strahlungsumlenkungselement 10 als refraktives optisches Bauteil 10‘ ausgebildet sein, um die Laserstrahlablenkung zu verstärken, wie es aus den 4 und 5 erkennbar ist. Nach einer ersten Variante der Erfindung gemäß 4, bei dem die in 1 dargestellten Laserstrahlen 7, 8, 9 mit unterschiedlichen Ausbreitungswinkeln zur optischen Achse verlaufen, werden diese von der optischen Achse, die mit dem Laserstrahl 8 zusammenfällt, weggebrochen. Die Laserstrahlen 7, 9 treffen somit unter einem vergrößerten Winkel auf das Konversionselement 11 verglichen mit dem Fall, in dem das refraktive Bauteil 10‘ nicht vorhanden ist. In gleicher Weise werden die parallel versetzt zueinander verlaufenden Laserstrahlen 7, 8, 9, wie sie auch in 2 dargestellt sind, mittels des refraktiven Bauteils 10‘ von der optischen Achse, die mit dem Laserstrahl 8 zusammenfällt, weggebrochen, siehe 5. Das refraktive Bauteil 10‘, das im Querschnitt bumerangförmig ausgebildet ist mit einer konkavförmigen Eintrittsfläche 31 und einer konvexförmigen Austrittsfläche 32, führt somit zu einer Vergrößerung der Ausbreitungswinkel der Laserstrahlen 7, 8, 9.
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Gleiche Bauteile bzw. Bauteilfunktionen sind mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Laserlichtquelle
- 2
- Primärlaserstrahl
- 3
- optischer Modulator
- 4
- anregbares Material
- 5
- Lichtbündel
- 6
- Strahl
- 7
- 1. Strahl
- 8
- 2. Strahl
- 9
- 3. Strahl
- 10
- Strahlungsumlenkungselement
- 11
- Konversionselement
- 12
- 1. Punkt
- 13
- 2. Punkt
- 14
- 3. Punkt
- 15
- 1. Sekundärlicht
- 16
- 2. Sekundärlicht
- 17
- 3. Sekundärlicht
- 18
- Optikeinheit
- 19
- 1. Linse
- 20
- 2. Linse
- 21
- Laserlichtquelle
- 22
- Endspiegel
- 23
- aktives Lasermedium
- 24
- Auskoppelspiegelanordnung
- 25, 25‘
- Spiegel/Lichtanteile
- 26, 26‘
- Spiegel/Lichtanteile
- 27, 27‘
- Spiegel/Lichtanteile
- 28
- Laserlichtstrahl
- S
- Steuersignal
- A
- Abstrahlrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005031809 A1 [0002]
- DE 102012100141 A1 [0003]
