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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lichtmodul für einen Kraftfahrzeugscheinwerfer, umfassend:
- – mindestens eine Halbleiterlichtquelle mit einer Licht emittierenden Fläche zum Abstrahlen von Licht,
- – mindestens eine Primäroptik zum Bündeln zumindest eines Teils des abgestrahlten Lichts,
- – eine Sekundäroptik zur weiteren Bündelung des von der mindestens einen ersten Optik bereits gebündelten Lichts und zur Erzeugung einer resultierenden Lichtverteilung des Lichtmoduls auf einer Fahrbahn vor dem Kraftfahrzeug.
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Ein Lichtmodul der eingangs genannten Art ist bspw. aus der
DE 10 2005 015 007 A1 oder der
US 2014/0092619 A1 bekannt. Bei den bekannten Lichtmodulen ist es jedoch so, dass die Primäroptik einen Brennpunkt aufweist, der auf der Licht emittierenden Fläche der Halbleiterlichtquelle liegt, und durch die Primäroptik ein reales Zwischenbild im Brennpunkt der Sekundäroptik erzeugt wird, welches durch die Sekundäroptik zur Erzeugung der resultierenden Lichtverteilung des Lichtmoduls auf die Fahrbahn vor das Kraftfahrzeug projiziert wird. Dadurch ergibt sich ein relativ großbauendes, insbesondere in Lichtaustrittsrichtung betrachtet recht langes Lichtmodul.
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Ferner ist aus der
DE 10 2011 078 653 A1 eine katadioptrische transparente Vorsatzoptik bekannt, deren totalreflektierende Grenzfläche in unterschiedlich geformte Bereich unterteilt ist, um eine Lichtverteilung mit einer Helldunkelgrenze zu erzeugen. Diese Lösung ist zwar sehr lichteffizient. Nachteilig ist jedoch, dass für typische Lichtverteilungen, wie z.B. eine Abblendlichtverteilung nach
Regelung UN-ECE R112 das Volumen der Optik so groß wird, dass Materialdicken von > 20mm entstehen. Eine Vorsatzoptik mit einer solchen Dicke kann aber nicht mehr kostengünstig hergestellt werden, weil bei der Herstellung mit Spritzgussverfahren bspw. die Prozesszykluszeit aufgrund der längeren Aushärtzeiten des gespritzten transparenten Kunststoffmaterials mit der Mittendicke der Optik zunimmt. Zudem ist die Form der Lichtaustrittsfläche grundsätzlich kreisförmig oder elliptisch und eine Anpassung an andere Vorgaben, bspw. eine rechteckige Austrittsfläche, ist nur auf Kosten der Lichteffizienz möglich.
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Aus der
DE 10 2008 027 320 A1 ist ein Scheinwerfer mit einem Lichtmodul bekannt, der verschiedene Lichtflecken erzeugen kann, die einzeln geschaltet werden können. Jeder Lichtfleck wird durch die Abbildung einer zugeordneten LED erzeugt. Die Optik besteht aus zwei Linsen. Die LEDs sind auf einem Substrat angeordnet und nutzen alle gleichzeitig das optische System bestehend aus den zwei Linsen. Auf diese Weise kann ein adaptives Fernlicht realisiert werden. Die Linsen bilden ein abbildendes optisches System aus rotationssymmetrischen Linsen. Die Lichtaustrittsfläche ist grundsätzlich durch die Form einer Linse gegeben, also durch eine in etwa kreisrunde Fläche. Eine Abweichung von dieser Form beeinträchtigt unmittelbar die Lichtausbeute und die Qualität der Lichtverteilung. Eine Verbreiterung der Lichtaustrittsfläche lässt sich außerdem nur durch Vergrößerung der Mittendicke der zweiten Optik erreichen. Dies bedeutet aber auch wieder, dass schnell Mittendicken von > 20mm entstehen, die zu längeren Zykluszeiten und erhöhten Herstellungskosten führen.
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Durch die vorliegende Erfindung soll die Größe des Lichtmoduls, insbesondere in Lichtaustrittsrichtung verringert werden. Gleichzeitig soll die Lichtaustrittsfläche des Lichtmoduls ohne Einbußen beim Wirkungsgrad variiert und die Herstellung der Optiken des Lichtmoduls besonders kostengünstig realisiert werden können.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ausgehend von dem Lichtmodul der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass das Lichtmodul mindestens eine Primäroptik aufweist, deren Brennpunkt entgegen einer Lichtaustrittsrichtung betrachtet hinter der mindestens einen Halbleiterlichtquelle angeordnet ist. Ferner weist das Lichtmodul eine Sekundäroptik auf, deren Brennpunkt oder Brennlinie entgegen der Lichtaustrittsrichtung betrachtet ebenfalls hinter der mindestens einen Halbleiterlichtquelle angeordnet ist. Schließlich weist das gesamte optische System des Lichtmoduls, das die mindestens eine Primäroptik und die Sekundäroptik umfasst, einen Brennpunkt oder eine Brennlinie auf, die bzw. der im Bereich der Licht emittierenden Fläche der mindestens einen Halbleiterlichtquelle angeordnet ist.
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Die beschriebenen Mängel des Standes der Technik werden durch die Erfindung dadurch beseitigt, dass die Lichtverteilung aus einem optischen System von mindestens einer dünnwandigen ersten Optik (Primäroptik) und einer dünnwandigen zweiten Optik (Sekundäroptik) realisiert wird. Eine Optik wird hier als dünnwandig bezeichnet, wenn sie eine maximale Mittendicke von < 20mm aufweist. Alle ersten Optiken teilen sich eine gemeinsame zweite Optik. Alle Optiken sind vorzugsweise astigmatische Optiken, die in einer vertikalen und einer horizontalen Ebene deutlich unterschiedliche Brennweiten aufweisen. Ein optisches System umfassend mindestens eine Primäroptik und die Sekundäroptik bildet eine anamorphe Abbildung der leuchtenden Fläche der mindestens einen Halbleiterlichtquelle. Die anamorphe Abbildung bewirkt, dass in den horizontalen und vertikalen Ebenen unterschiedliche Vergrößerungen und damit unterschiedliche Ausdehnungen des Strahlkegels, der durch die Halbleiterlichtquelle erzeugt wird, entstehen. Durch eine geeignete Auslegung der vertikalen und horizontalen Brennweiten der Optiken wird es möglich, die Lichtaustrittsfläche der zweiten Optik und damit des Lichtmoduls in zwei zueinander senkrechten Richtungen mit unterschiedlicher Ausdehnung zu gestalten, ohne dass dies auf Kosten der Lichtausbeute geht. Die Aufteilung von einer auf zwei oder mehr Optiken ermöglicht zudem die Realisierung einer hohen numerischen Apertur bei gleichzeitig großer Brennweite bzw. geringer Vergrößerung ohne dass dafür dickwandige (> 20mm Mittendicke) Optiken benötigt werden, die aufwändige und zeitintensive Herstellungsprozesse benötigen und daher nicht kostengünstig herzustellen sind. Die hohe numerische Apertur und große Brennweite haben zur Folge, dass sowohl eine hohe optische Effizienz (= Lichtausbeute) als auch eine hohe Beleuchtungsstärke in der Bildebene des Lichtmoduls erzielt werden können.
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Die ersten Optiken dienen zum Bündeln des Lichts in einem ersten Schritt und zur Lichtformung. Sie können daher unterschiedlich geformte Bereiche (Segmente oder Facetten) aufweisen, um Licht, das auf die verschiedenen Bereiche trifft, in unterschiedliche Positionen in der Bildebene zu lenken. Eine derartige katadioptrische Vorsatzoptik ist grundsätzlich aus der
DE 10 2011 078 653 A1 bekannt. Die Vorsatzoptik des erfindungsgemäßen Lichtmoduls unterscheidet sich jedoch von der bekannten Vorsatzoptik durch die Art und Weise, wie sie im Lichtmodul und insbesondere bezüglich der mindestens einen Halbleiterlichtquelle und der Sekundäroptik angeordnet ist.
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Die Halbleiterlichtquelle, die einer ersten Optik zugeordnet ist, erzeugt durch das optische System bestehend aus erster und zweiter Optik eine Lichtverteilung, die eine oder mehrere beliebig geformte Helldunkelgrenzen aufweisen kann. Die resultierende Gesamtlichtverteilung des Lichtmoduls ergibt sich aus der Überlagerung der Einzellichtlichtverteilungen, die durch jeweils eine Lichtquelle eine zugeordnete Primäroptik und eine Sekundäroptik erzeugt wird. Jede Einzellichtverteilung kann eine unterschiedliche Form der Lichtverteilungen und der Helldunkelgrenzen aufweisen, indem die jeweils erste Optik unterschiedlich ausgeführt wird oder die Art, Form oder Lage der Halbleiterlichtquelle unterschiedlich gewählt wird.
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Wenn die Primäroptik als eine katadioptrische Vorsatzoptik aus einem transparenten Material ausgebildet ist, können die Lichteintritts- und/oder Lichtaustrittsflächen eine wellen- oder kissenförmige Modulation aufweisen, die dazu dient, das Licht in einer oder mehreren Richtungen zu streuen. Diese Streuung dient dazu, die Lichtverteilung breiter zu gestalten oder bzgl. Intensität oder Farberscheinung zu homogenisieren.
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Die Sekundäroptik dient optisch ausschließlich einer weiteren Fokussierung des Lichts, vorzugsweise in nur einer Ebene. Sie bildet die Lichtaustrittsfläche des optischen Systems des Lichtmoduls und weist im Gegensatz zur ersten Optik keine sichtbaren unterschiedlichen Bereiche zur Lichtformung auf. Alle ersten Optiken teilen sich die zweite Optik, d.h. alle optischen Achsen der Teilsysteme aus Lichtquellen und zugeordneten ersten Optiken verlaufen durch die zweite Optik. Typischerweise ist die Brennweite der zweiten Optik in einer ersten Ebene größer als 100mm und damit größer als die Länge des optischen Systems in Lichtaustrittsrichtung, gemessen entlang einer optischen Achse von der Lichtquelle bis zu der Lichtaustrittsfläche der zweiten Optik. Die Brennweite in der dazu senkrechten zweiten Ebene ist deutlich größer, typischerweise unendlich. Das bewirkt, dass eine Verbreiterung der zweiten Optik in der Richtung, die in der zweiten Ebene und senkrecht zur optischen Achse liegt, wenig Auswirkung auf die Qualität der Lichtverteilung hat, da sich die Vergrößerung des Gesamtsystems aus erster und zweiter Optik dadurch nicht ändert. Das wiederum heißt, dass z.B. die Breite einer Zylinderlinse flexibel an gestalterische Vorgaben angepasst werden kann. Insbesondere kann z.B. die Breite merklich größer als die Höhe gestaltet werden, was bei einem herkömmlichen nicht-anamorphen optischen System, bestehend aus rotationssymmetrischen Einzeloptiken nicht möglich ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen und weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Figurenbeschreibung und den dazugehörigen Figuren entnommen werden. Es zeigen:
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1 ein erfindungsgemäßes Lichtmodul gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht;
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2 das Lichtmodul aus 1 mit beispielhaft eingezeichneten Lichtstrahlen, die von einer Licht emittierenden Fläche einer Halbleiterlichtquelle des Lichtmoduls ausgesandt wurden;
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3 einen Vertikalschnitt durch das Lichtmodul aus 1;
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4 das Lichtmodul aus 3 mit beispielhaft eingezeichneten Lichtstrahlen, die ihren Ursprung in der Mitte der Licht emittierenden Fläche der Halbleiterlichtquelle des Lichtmoduls haben;
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5 eine Draufsicht auf eine Lichtaustrittsfläche einer ersten Optik des Lichtmoduls aus den 1 bis 4;
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6 einen Horizontalschnitt durch das Lichtmodul aus 1 mit beispielhaft eingezeichneten Lichtstrahlen, die von der Licht emittierenden Fläche der Halbleiterlichtquelle des Lichtmoduls ausgesandt wurden;
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7 einen in Lichtaustrittsrichtung des Lichtmoduls in einem Abstand zu dem Lichtmodul angeordneten Messschirm mit einer darauf abgebildeten resultierenden Lichtverteilung des Lichtmoduls mit einer horizontalen Helldunkelgrenze;
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8 den Messschirm aus 7 mit einer Veranschaulichung des Prinzips, wie die Helldunkelgrenze erzeugt wird;
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9 ein erfindungsgemäßes Lichtmodul gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht;
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10 ein erfindungsgemäßes Lichtmodul gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in einer Draufsicht;
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11 das Lichtmodul aus 10 in einer perspektivischen Ansicht;
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12 ein erfindungsgemäßes Lichtmodul gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in einer Draufsicht;
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13 einen in Lichtaustrittsrichtung des Lichtmoduls in einem Abstand zu dem Lichtmodul angeordneten Messschirm mit einer darauf abgebildeten streifenförmigen resultierenden Lichtverteilung des Lichtmoduls mit vertikalen und horizontalen Helldunkelgrenzen;
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14 übereinander verschiedene Messschirme mit verschiedenen Lichtverteilungen, die von den Lichtquellen 1 bis 3 des Lichtmoduls erzeugt wurden;
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15 übereinander verschiedene Messschirme mit verschiedenen Lichtverteilungen, die von den Lichtquellen 4 bis 6 des Lichtmoduls erzeugt wurden;
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16 übereinander verschiedene Messschirme mit verschiedenen Lichtverteilungen, die von den Lichtquellen 7 bis 9 des Lichtmoduls erzeugt wurden;
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17 übereinander verschiedene Messschirme mit verschiedenen Lichtverteilungen, die von den Lichtquellen 10 und 11 des Lichtmoduls erzeugt wurden;
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18 übereinander verschiedene Messschirme mit verschiedenen Lichtverteilungen, die von den Lichtquellen 12 bis 14 des Lichtmoduls erzeugt wurden;
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19 übereinander verschiedene Messschirme mit verschiedenen Lichtverteilungen, die von den Lichtquellen 15 bis 17 des Lichtmoduls erzeugt wurden;
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20 übereinander verschiedene Messschirme mit verschiedenen Lichtverteilungen, die von den Lichtquellen 18 bis 20 des Lichtmoduls erzeugt wurden;
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21 einen Messschirm mit einer Lichtverteilung, die von der Lichtquelle 21 des Lichtmoduls erzeugt wurde;
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22 einen Messschirm mit einer resultierenden Gesamtlichtverteilung des Lichtmoduls, wenn alle Lichtquellen 1 bis 21 aus den 14 bis 21 eingeschaltet sind;
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23 einen Messschirm mit einer resultierenden Gesamtlichtverteilung des Lichtmoduls, wenn bis auf die Lichtquellen 13 und 14 alle Lichtquellen 1 bis 21 aus den 14 bis 21 eingeschaltet sind;
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24 ein erfindungsgemäßes Lichtmodul gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht mit beispielhaft eingezeichneten Lichtstrahlen;
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25 ein erfindungsgemäßes Lichtmodul gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht;
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26 einen Messschirm mit einer Lichtverteilung, die von dem optischen Teilsystem #1 aus 25 mit der Lichtquelle #1, einem Reflektor #1 und der Sekundäroptik des Lichtmoduls erzeugt wurde;
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27 einen Messschirm mit einer Lichtverteilung, die von dem optischen Teilsystem #2 aus 25 mit der Lichtquelle #2, einem Reflektor #2 und der Sekundäroptik des Lichtmoduls erzeugt wurde;
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28 einen Messschirm mit einer Lichtverteilung, die von dem optischen Teilsystem #3 aus 25 mit der Lichtquelle #3, einem Reflektor #3 und der Sekundäroptik des Lichtmoduls erzeugt wurde;
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29 einen Messschirm mit einer Lichtverteilung, die von dem optischen Teilsystem #4 aus 25 mit der Lichtquelle #4, einem Reflektor #4 und der Sekundäroptik des Lichtmoduls und dem optischen Teilsystem #5 aus 25 mit der Lichtquelle #5, einem Reflektor #5 und der Sekundäroptik des Lichtmoduls erzeugt wurde;
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30 einen Messschirm mit einer resultierenden Gesamtlichtverteilung des Lichtmoduls, die sich aus einer Überlagerung der Einzellichtverteilungen gemäß der 26 bis 29 ergibt; und
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31 einen Kraftfahrzeugscheinwerfer mit einem erfindungsgemäßen Lichtmodul.
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In 31 ist ein Kraftfahrzeugscheinwerfer in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Der Scheinwerfer 1 umfasst ein Gehäuse 2, das vorzugsweise aus Kunststoff gefertigt ist. Das Gehäuse 2 weist in Lichtaustrittsrichtung 3 eine Lichtaustrittsöffnung 4 auf, die durch eine transparente Abdeckscheibe 5 verschlossen ist. Die Abdeckscheibe 5 kann zumindest bereichsweise mit optisch wirksamen Elementen (z.B. in Form von Zylinderlinsen oder Prismen) versehen sein (sog. Streuscheibe), um eine Streuung des hindurchtretenden Lichts insbesondere in horizontaler Richtung zu bewirken. Die Abdeckscheibe 5 kann aber auch ohne optisch wirksame Elemente als klare Scheibe ausgebildet sein. Im Inneren des Gehäuses 2 ist ein erfindungsgemäßes Lichtmodul 10 angeordnet. Das Lichtmodul 10 dient zur Erzeugung einer beliebigen resultierenden Fahrt-Lichtverteilung oder eines Teils davon, bspw. eines Abblendlichts, Fernlichts, adaptiven Fahrtlichts (Stadtlicht, Landstraßenlicht, Autobahnlicht, Teilfernlicht, Markierungslicht), Nebellichts oder ähnliches.
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Zusammen mit dem Lichtmodul 10 können in dem Gehäuse 2 auch noch andere Lichtmodule zur Erzeugung einer beliebigen Fahrt-Lichtverteilung oder eines Teils davon, oder Leuchtenmodule zur Realisierung einer beliebigen Leuchtenfunktion (z.B. Blinklicht, Positionslicht, Standlicht, Tagfahrlicht, Standlicht, Rückfahrlicht, Bremslicht oder ähnliches) angeordnet sein. Das erfindungsgemäße Lichtmodul 10 wird nachfolgend anhand der 1 bis 30 näher erläutert.
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Ein erstes Beispiel eines Lichtmoduls
10 wird nachfolgend anhand der
1 bis
6 näher erläutert. Das Lichtmodul
10 umfasst eine erste Optik oder Primäroptik
11, die in diesem Beispiel als eine katadioptrische transparente Optik ausgebildet ist, die aus einem refraktiven Linsenteil und einem totalreflektierenden Reflexionsteil besteht. Eine solche Optik ist an sich bspw. aus der
DE 10 2011 078 653 A1 bekannt, auf die hier hinsichtlich Aufbau und Funktionsweise der Optik Bezug genommen wird. Eine solche Optik
11 kann einfach z.B. durch Spritzguss aus Kunststoff wie z.B. Polycarbonat hergestellt werden. Sie ermöglicht es, das von einer Halbleiterlichtquelle
12, bspw. in Form einer oder mehrerer LEDs, bzw. deren Licht emittierender Fläche (z.B. LED-Chip) erzeugte Licht, das in einen 180°-Halbraum oberhalb einer Erstreckungsebene der Licht emittierenden Fläche abgestrahlt wird, zu sammeln und in einem ersten Schritt zu bündeln. Die reflektierenden Flächen der Optik
11 sind segmentiert oder facettiert. Durch die Segmente oder Facetten
13 werden Bilder der Licht emittierenden Fläche so abgebildet, dass in der Bildebene eine horizontale Helldunkelgrenze (vgl. bspw. die Helldunkelgrenze
31 der abgeblendeten Lichtverteilung
30 aus
7) entsteht.
1 zeigt die Licht formenden Segmente oder Facetten
13 im reflektierenden Teil der Optik
11. Eine Lichtaustrittsfläche
14 der ersten Optik
11 kann wellenförmig moduliert sein, um das hindurchtretende Licht in horizontaler Richtung zu verteilen und zu homogenisieren. Eine sinusförmige Modulation der Lichtaustrittsfläche
14 in Form von Wellen ist bspw. in
5 gezeigt, wo die Wellen (helle Bereiche) mit dem Bezugszeichen
20 und die benachbarten Täler (dunkle Bereiche) mit dem Bezugszeichen
21 bezeichnet sind. Die Wellen
20 und Täler
21 haben eine Längserstreckung in vertikaler Richtung
22. Die wellenförmige Modulation der Lichtaustrittsfläche
14 erfolgt in einer senkrecht dazu verlaufenden horizontalen Richtung
23, d.h. die Wellen
20 und Täler
21 wechseln sich in der Richtung
23 ab. Statt der wellenförmigen Modulation kann die Austrittsfläche
14 auch eine kissenförmige Modulation aufweisen, durch die hindurchtretendes Licht nicht nur in horizontaler Richtung, sondern auch in vertikaler Richtung verteilt und homogenisiert werden kann.
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Die zweite Optik oder Sekundäroptik 15 ist in dem in 1 dargestellten Beispiel als eine Zylinderlinse ausgebildet, die vertikal fokussiert. Auch diese Optik 15 kann einfach aus Kunststoff durch Spritzgießen oder aus Glas durch Blankpressen, Gießen oder Schleifen und Polieren hergestellt werden. Die Sekundäroptik 15 weist eine deutlich größere Breite als Höhe auf. Eine optische Achse des optischen Systems umfassend die mindestens eine Lichtquelle 12, die mindestens eine Primäroptik 11 und die Sekundäroptik 15 ist mit dem Bezugszeichen 16 bezeichnet.
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Ein Brennpunkt 17 der Primäroptik 11 ist entgegen einer Lichtaustrittsrichtung betrachtet hinter der mindestens einen Halbleiterlichtquelle 12 angeordnet. Ferner ein Brennpunkt 18 oder eine Brennlinie 18a (vgl. 9 bis 12) der Sekundäroptik 15 entgegen der Lichtaustrittsrichtung 3 betrachtet ebenfalls hinter der mindestens einen Halbleiterlichtquelle 12 angeordnet. In dem dargestellten Beispiel ist der Brennpunkt 18 der Sekundäroptik 15 hinter dem Brennpunkt 17 der Primäroptik 11 angeordnet. Selbstverständlich können die beiden Brennpunkte 17, 18 aber auch deckungsgleich oder derart angeordnet sein, dass der Brennpunkt 17 der Primäroptik 11 hinter dem Brennpunkt 18 der Sekundäroptik 15 angeordnet ist. Ferner sind in dem Beispiel beide Brennpunkte 17, 18 auf der optischen Achse 16 des optischen Systems des Lichtmoduls 10 angeordnet. Eine Brennlinie 18a der Sekundäroptik 15 würde durch die optische Achse 16 hindurch verlaufen. Das muss jedoch nicht zwangsläufig so sein. Es ist auch denkbar, dass die Brennpunkte 17, 18 versetzt zu der optischen Achse 16 angeordnet sind bzw. eine Brennlinie 18a in einem Abstand zu der optischen Achse 16 verläuft. Schließlich weist das gesamte optische System des Lichtmoduls 10, das die mindestens eine Primäroptik 11 und die Sekundäroptik 15 umfasst, einen Brennpunkt 19 oder eine Brennlinie 19a (vgl. 9 bis 12) auf, die bzw. der im Bereich der Licht emittierenden Fläche der mindestens einen Halbleiterlichtquelle 12 angeordnet ist. Vorzugsweise ist der Brennpunkt 19 des optischen Systems auf der Licht emittierenden Fläche, ganz besonders bevorzugt in deren Mitte, angeordnet bzw. verläuft die Brennlinie 19a auf der Licht emittierenden Fläche.
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In 2 ist das Lichtmodul 10 aus 1 gezeigt, wobei beispielhaft Lichtstrahlen eingezeichnet wurden, die von der Halbleiterlichtquelle 12 in den 180°-Halbraum um die optische Achse 16 herum ausgesandt wurden. Diese Lichtstrahlen werden von der ersten Optik 11 kollimiert und durch die Segmente oder Facetten 13 und die Lichtaustrittsfläche 14 geformt, um schließlich durch die Sekundäroptik 15 noch in der vertikalen Ebene weiter kollimiert zu werden. Das Lichtmodul 10 weist also eine zweigeteilte Fokussierung der Lichtstrahlen auf. Die Anordnung der Optiken 11, 15 in dem Lichtmodul 10 erlaubt dessen besonders kompakte Ausgestaltung, insbesondere in Richtung der optischen Achse 16 betrachtet. Das optische System des Lichtmoduls 10 weist eine virtuelle (keine reelle) Bildebene auf, was anhand der divergierenden Lichtstrahlen zu erkennen ist. Das optische System ist nicht abbildend, d.h. es werden keine Abbilder der Lichtquelle 12 erzeugt.
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3 zeigt einen Vertikalschnitt durch die Anordnung aus 2. Gut zu erkennen ist, dass die hier gezeigte katadioptrische Primäroptik 11 einen refraktiven Linsenteil im Zentrum um die optische Achse 16 herum und einen äußeren reflektierenden Teil, der den Linsenabschnitt umgibt, mit totalreflektierenden Grenzflächen 13 aufweist. Eine Lichteintrittsfläche des reflektierenden Teils der Primäroptik 11 ist mit dem Bezugszeichen 14a und eine Lichteintrittsfläche des zentralen Linsenteils der Primäroptik 11 mit dem Bezugszeichen 14b bezeichnet. Deutlich zu erkennen sind die Brennpunkte 17, 18, 19 und deren Positionen relativ zueinander und bezüglich der Halbleiterlichtquelle 12.
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In 4 ist das optische System des Lichtmoduls 10 aus 3 mit beispielhaften Lichtstrahlen gezeigt, die in der vertikalen Ebene verlaufen und ihren Ursprung in der Mitte der Licht emittierenden Fläche der Halbleiterlichtquelle 12 haben. Verlängerungen 18a' der Lichtstrahlen 18a nach hinten, d.h. entgegen der Lichtaustrittsrichtung 3, schneiden sich in dem Brennpunkt 18 der Sekundäroptik 15. Zwischen dem Brennpunkt 18 und der Halbleiterlichtquelle 12 ist der Brennpunkt 17 der Primäroptik 11 angeordnet. Der Brennpunkt 19 des Gesamtsystems ist auf der Licht emittierenden Fläche der Lichtquelle 12 angeordnet.
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6 zeigt eine Draufsicht auf das Lichtmodul 10 aus den 1 bis 4. Es ist deutlich zu erkennen, dass in der horizontalen Ebene durch die Sekundäroptik 15 praktisch keine Kollimation der Lichtstrahlen stattfindet. Mit diesem Aufbau kann eine resultierende Lichtverteilung 30 erzeugt werden, wie sie bspw. in 7 gezeigt ist. 7 zeigt einen in einem Abstand (z.B. 25m) vor dem Kraftfahrzeug bzw. vor dem Lichtmodul 10 angeordneten Messschirm, auf dem eine horizontale Achse und eine vertikale Achse aufgetragen sind, die sich in einem Punkt schneiden. Die Lichtverteilung 30 bildet eine scharfe Helldunkelgrenze 31 knapp unter der 0°-Linie (vertikal) und kann daher als Abblendlichtverteilung oder als Teil davon genutzt werden. Beispielhaft sind Linien mit gleichen Beleuchtungsstärken (sog. Isoluxlinien) in der Lichtverteilung 30 eingezeichnet. Eine durchgezogene Linie für 10,0 lx ist mit dem Bezugszeichen 32, eine gestrichelte Linie für 1,0 lx mit 33 und eine gestrichpunktete Linie für 0,1 lx mit 34 bezeichnet. Für die Definition der Helldunkelgrenze 31 können verschiedene Kriterien herangezogen werden. In dem gezeigten Beispiel wurde als einfaches Kriterium die Lage der 0,1 lx Iso-Linie 34 angewandt.
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8 zeigt, wie die Lichtverteilung 30 durch eine Überlagerung verschiedener Bilder 36 der Licht emittierenden Fläche der Lichtquelle 12 entsteht. Die unterschiedlichen Segmente oder Facetten 13 der Grenzflächen der Primäroptik 11 sind so ausgelegt, dass die jeweils oberste Ecke oder Kante des Bildes an der Linie liegt, die die Solllage der Helldunkelgrenze 31 markiert. Zu beachten ist, dass alle Bilder 36 eine rechteckige Form mit sehr unterschiedlicher Länge und Breite aufweisen, obwohl es sich bei der Lichtquelle 12 in diesem Beispiel um eine LED handelt, deren leuchtende Fläche eine quadratische Form hat. Diese Bilder 36 ergeben sich, weil die Abbildung des Systems anamorph ist, also das LED-Chip-Bild 36 in horizontaler und vertikaler Richtung unterschiedlich vergrößert wird. Die horizontale Vergrößerung ist bei dem beschriebenen System stets größer als die vertikale, weil die vertikale Brennweite des Gesamtsystems länger als die horizontale Brennweite ist.
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Da es sich bei der zweiten Linse 15 um eine Zylinderoptik handelt, besitzt sie keinen Brennpunkt, sondern eine Brennlinie. Dadurch ist es einfach möglich, mehrere erste Optiken 11 einzusetzen, um z.B. den Lichtstrom des Gesamtsystems zu erhöhen. Hierzu müssen die zusätzlichen Optiken auf einer Linie platziert werden, die parallel zu der Brennlinie verläuft. Ein Beispiel für eine Realisierung eines solchen Systems zeigt 9. Dort ist ein optisches System eines Lichtmoduls 10 umfassend drei Halbleiterlichtquellen 12, drei diesen jeweils zugeordnete Primäroptiken 11 in Form von katadioptrischen Optiken und eine Sekundäroptik 15 in Form einer Zylinderlinse dargestellt. Die Zylinderlinse umfasst eine Brenn- oder Fokuslinie 18a. Die Licht emittierenden Flächen der LEDs 12 sind auf einer Linie 19a angeordnet, die vorzugsweise parallel zu der Brennlinie 18a der Sekundäroptik 15 verläuft. Die Linie 19a entspricht einer Brennlinie des gesamten optischen Systems des Lichtmoduls 10.
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In der nächsten beispielhaften Realisierung eines erfindungsgemäßen Lichtmoduls 10 gemäß der 10 und 11 ist die Sekundäroptik 15 in Form einer gebogenen Zylinderlinse ausgebildet, um ein ansprechendes Design der Lichtaustrittsfläche des Lichtmoduls 10 zu realisieren. Die Zylinderlinse 15 ist insbesondere in einer horizontalen Ebene gebogen. Die Krümmung der Linsenfläche im vertikalen Schnitt ist in diesem Fall konstant geblieben. Dadurch ändert sich die Brennweite der Zylinderlinse 15 im Vertikalschnitt nicht, aber die Lage und Form der Brennlinie 18a, die nun ebenfalls in der Horizontalebene gebogen ist. Falls die Lage der LEDs 12 nicht angepasst wird, um z.B. alle LEDs auf einer ebenen Platine platzieren zu können, so verändert sich für jede erste Optik 11 der Abstand zur zweiten Optik 15 auf der jeweiligen optischen Achse 16 der ersten Optik 11. Jedes optische Teilsystem aus Halbleiterlichtquelle 12, erster Optik 11 und zweiter Optik 15 erzeugt dadurch unterschiedliche horizontale und vertikale Vergrößerungen und jede erste Optik 11 muss daher unterschiedlich ausgelegt sein. Die Brennlinie 18a der Sekundäroptik 15 und die Brennlinie 19a des gesamten optischen Systems verlaufen nun nicht mehr parallel zueinander.
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Die beschriebene Realisierung kann nachteilhaft sein, wenn jedes optische Teilsystem (mit Elementen 12, 11, 15) eine vergleichbare Lichtverteilung erzeugen soll, wie es z.B. bei pixelförmigen Lichtverteilungen für adaptive Fernlichtverteilungen (z.B. Teilfernlicht, Markierungslicht, etc.) der Fall ist. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn jedes Teilsystem in horizontaler bzw. vertikaler Richtung die gleiche Vergrößerung der Bilder der Licht emittierenden Fläche der Halbleiterlichtquellen 12 liefert. Um dies zu erreichen, muss die Lage der LEDs 12 auf einer Linie 19a parallel zur Brennlinie 18a der Sekundäroptik 15 gewählt werden. Ein entsprechendes Beispiel ist in 12 gezeigt.
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Mit den zuvor beschriebenen Realisierungen der vorliegenden Erfindung wurde eine Lichtverteilung 30 mit einer horizontalen Helldunkelgrenze 31 (vgl. 7) erzeugt. Generell können mit der Erfindung aber auch Lichtverteilungen mit horizontaler und/oder vertikaler oder auch beliebig geformten und/oder ausgerichteten Helldunkelgrenzen erzeugt werden, indem die Ecken der LED-Chip-Bilder entlang vorgegebener Linien positioniert werden, wobei die Linien dann die Helldunkelgrenzen der Lichtverteilung bilden. 13 zeigt ein Beispiel, wie die LED-Chip-Bilder 41 verschiedener Bereiche 13 einer ersten Optik 11 positioniert werden können, um eine streifenförmige Lichtverteilung 40 mit vertikalen Helldunkelgrenzen 42 und horizontalen Helldunkelgrenzen 43 zu erzeugen.
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Wenn mehrere LEDs 12 mit zugehöriger erster Optik 11 verwendet werden und wenn die LEDs 12 einzeln schaltbar sind, dann können adaptive Fernlichtverteilungen als resultierende Gesamtlichtverteilung des Lichtmoduls 10 realisiert werden, bei denen unterschiedliche definierte Winkelbereiche der Lichtverteilung durch verschiedene LEDs 12 ausgeleuchtet oder dunkel gelassen werden können. Die 14 bis 21 zeigen Beispiele von insgesamt 21 Einzellichtverteilungen 50, die jeweils durch eine LED 12 mit zugehöriger erster Optik 11 und der zweiten Optik 15 in Form einer Zylinderlinse generiert werden können. 14 zeigt die Einzellichtverteilungen 50 von LEDs #1 bis #3, 15 von LEDs #4 bis #6, 16 von LEDs #7 bis #9, 17 von LEDs #10 und #11, 18 von LEDs #12 bis #14, 19 von LEDs #15 bis #17, 20 von LEDs #18 bis #20 und 21 von LED #21.
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Die Einzellichtverteilungen 50 weisen jeweils zwei vertikale Helldunkelgrenzen 51 und zwei horizontale Helldunkelgrenzen 52 auf. Dadurch wird ein definierter Winkelbereich horizontal und vertikal beleuchtet. Beispielhaft sind Linien mit gleichen Beleuchtungsstärken (sog. Isoluxlinien) in den Einzellichtverteilungen 50 eingezeichnet. Eine durchgezogene Linie für 50,0 lx ist mit dem Bezugszeichen 53, eine gestrichelte Linie für 10 lx mit 54 und eine gestrichpunktete Linie für 0,1 lx mit 55 bezeichnet. Für die Definition der Helldunkelgrenzen 51, 52 können verschiedene Kriterien herangezogen werden. In dem gezeigten Beispiel wurde als einfaches Kriterium die Lage der 0,1 lx Iso-Linie 55 angewandt. Der ausgeleuchtete Winkelbereich ist anhand dieser Definition jeweils ungefähr horizontal 3° breit und vertikal 10° hoch.
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Wenn alle LEDs 12 gleichzeitig angeschaltet sind, so entsteht die in 22 gezeigte resultierende Lichtverteilung 60, die als Fernlichtverteilung dienen kann. Beispielhaft sind Linien mit gleichen Beleuchtungsstärken (sog. Isoluxlinien) in der Lichtverteilung 60 eingezeichnet. Eine durchgezogene Linie für 50,0 lx ist mit dem Bezugszeichen 61, eine gestrichelte Linie für 10 lx mit 62 und eine gestrichpunktete Linie für 0,1 lx mit 63 bezeichnet. Da die Einzellichtverteilungen 50 horizontal um jeweils ca. 1,5° zueinander versetzt sind, können durch Deaktivieren oder Dimmen einzelner LEDs 12 Winkelbereiche mit minimal ca. 1,5° Breite dunkel geschaltet werden. Ein Beispiel für eine Gesamtlichtverteilung 60 mit zweimal 1,5° breitem dunklem Ausblendbereich 64 zeigt 23. Für die Realisierung dieser Lichtverteilung 60 müssen die LEDs #13 und #14 ausgeschaltet oder gedimmt werden (die unteren beiden Einzellichtverteilungen 50 aus 18). Die Lichtverteilung 60 aus 23 kann als ein Teilfernlicht genutzt werden. Dabei verfügt das Kraftfahrzeug, in dem Scheinwerfer 1 mit dem erfindungsgemäßen Lichtmodul 10 installiert sind, über geeignete Mittel zum Detektieren von anderen Verkehrsteilnehmern vor dem Kraftfahrzeug. Diese Mittel umfassen bspw. eine Videokamera zum Aufnehmen von Bildern des Bereichs vor dem Kraftfahrzeug und eine Recheneinheit zur Auswertung der aufgenommenen Bilder und zur Detektion von entgegenkommen oder vorausfahrenden Fahrzeugen in einem bestimmten Bereich der Bilder. Der Bereich der Fernlichtverteilung 60 aus 22, in dem andere Verkehrsteilnehmer detektiert wurden, wird durch Deaktivieren oder Dimmen bestimmter LEDs 12 gezielt abgedunkelt oder ausgeblendet, um ein Blenden der Verkehrsteilnehmer zu verhindern. Gleichzeitig kann in allen anderen Bereichen der Lichtverteilung 60 das Fernlicht eingeschaltet bleiben, um eine gute Sicht des Fahrers des Kraftfahrzeugs sicherzustellen. Der Ausblendbereich 64 kann sich dynamisch ändern, bspw. wenn ein entgegenkommender anderer Verkehrsteilnehmer an dem Kraftfahrzeug mit dem Lichtmodul 10 vorbeifährt oder wenn ein vorausfahrender Verkehrsteilnehmer auf einer kurvigen Straße vor dem Kraftfahrzeug fährt. Ferner ist es denkbar, auch mehrere Ausblendbereiche 64 in der Fernlichtverteilung 60 vorzusehen, falls dies erforderlich sein sollte. Außerdem kann die Breite des Ausblendbereichs 64 individuell an die aktuelle Verkehrssituation angepasst werden.
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Um die erzeugte Lichtverteilung 60 noch flexibler steuern zu können, ist es sinnvoll, den Lichtstrom über eine variable Leistungsversorgung steuern zu können. Typischerweise werden die LEDs 12 dazu pulsweitenmoduliert bestromt. Durch Änderung der Pulsweite kann der Lichtstrom gesteuert werden.
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In einem anderen Ausführungsbeispiel, das in 24 gezeigt ist, ist die erste Optik 11 als Reflektor realisiert und die zweite Optik 15 als Zylinderlinse. Vorteilhaft ist auch hier die Realisierung mit mehreren LEDs 12, zugehörigen Reflektoren 11 und einer Zylinderlinse 15, wie in 25 gezeigt. Falls die fünf Teilsysteme aus LED 12, Reflektor 11 und gemeinsam genutzter Zylinderoptik 15 unterschiedliche Lichtverteilungen 70 erzeugen, kann daraus z.B. eine Abblendlichtverteilung 80 mit asymmetrischer (abgeknickter) Helldunkelgrenze 81 erzeugt werden, wie sie bspw. in 30 gezeigt ist. Die 26 bis 29 zeigen Einzellichtverteilungen 70, die von den Teilsystemen #1 bis #5, jeweils umfassend eine LED 12, einen Reflektor 11 und die Zylinderlinse 15, erzeugt werden. Teilsysteme #1 bis #3 erzeugen bspw. Lichtverteilungen 70 mit einer horizontalen Helldunkelgrenze 71, die knapp unterhalb vertikal 0° liegt (vgl. 26 bis 28). Beispielhaft sind Linien mit gleichen Beleuchtungsstärken (sog. Isoluxlinien) in den Einzellichtverteilungen 70 eingezeichnet. Eine durchgezogene Linie für 4,0 lx ist mit dem Bezugszeichen 72, eine gestrichelte Linie für 0,4 lx mit 73 und eine gestrichpunktete Linie für 0,1 lx mit 74 bezeichnet. Für die Definition der Helldunkelgrenze 71 können verschiedene Kriterien herangezogen werden. In dem gezeigten Beispiel wurde als einfaches Kriterium die Lage der 0,1 lx Iso-Linie 74 angewandt. In 26 ist die durch das Teilsystem #1 erzeugte Einzellichtverteilung 70, in 27 die durch das Teilsystem #2 und in 28 die durch das Teilsystem #3 erzeugte Einzellichtverteilung 70 gezeigt.
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In 29 ist eine Einzellichtverteilung 70 gezeigt, wie sie jeweils von dem Teilsystem #4 (LED #4, Reflektor #4 und Zylinderlinse 15) und von dem Teilsystem #5 (LED #5, Reflektor #5 und Zylinderlinse 15) des Lichtmoduls 10 aus 25 erzeugt wird. Die Lichtverteilung 70 weist eine in etwa vom Zentrum (Schnittpunkt der Horizontalen und der Vertikalen) aus nach rechts oben (zur eigenen Verkehrsseite hin) schräg ansteigende Helldunkelgrenze 71a auf. Die Beleuchtungsstärkeverteilung in den Lichtverteilungen 70 wird durch Iso-Linien verdeutlicht. Eine durchgezogene Linie für 4,0 lx ist mit dem Bezugszeichen 72, eine gestrichelte Linie für 1,0 lx mit 73a und eine gestrichpunktete Linie für 0,1 lx mit 74 bezeichnet.
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Selbstverständlich sind diese Werte für die Beleuchtungsstärken nur beispielhaft gewählt und können in der Praxis von den hier genannten Werten abweichen.
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30 zeigt die resultierende Gesamtlichtverteilung 80 des Lichtmoduls 10 in Form einer Abblendlichtverteilung mit einer asymmetrischen Helldunkelgrenze 81. Die Lichtverteilung 80 ergibt sich aus einer Überlagerung der Einzellichtverteilungen 70 der LEDs #1 bis #5 aus den 26 bis 29. Die helldunkelgrenze 81 der Lichtverteilung 80 weist einen in etwa vom Zentrum (Schnittpunkt der Horizontalen und der Vertikalen) aus nach rechts oben (zur eigenen Verkehrsseite hin) schräg ansteigenden Abschnitt 81a auf. Die Beleuchtungsstärkeverteilung in den Lichtverteilungen 80 wird durch Iso-Linien verdeutlicht. Eine durchgezogene Linie für 10,0 lx ist mit dem Bezugszeichen 82, eine gestrichelte Linie für 1,0 lx mit 83a und eine gestrichpunktete Linie für 0,1 lx mit 84 bezeichnet.
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Eine weitere Variante ist, dass jeweils mehrere LEDs 12 eine erste Optik 11 nutzen. Auf diese Weise kann z.B. die Zahl der erzeugten Lichtbereiche ("Pixel") einer adaptiven Fernlichtverteilung erhöht werden, ohne dass die Anzahl der ersten Optiken 11 erhöht werden muss.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005015007 A1 [0002]
- US 2014/0092619 A1 [0002]
- DE 102011078653 A1 [0003, 0008, 0046]
- DE 102008027320 A1 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Regelung UN-ECE R112 [0003]
