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Die Erfindung betrifft eine Leuchtvorrichtung zum Erzeugen einer vorbestimmten Lichtverteilung in einer Umgebung der Leuchtvorrichtung. Die Leuchtvorrichtung kann beispielsweise als Kraftfahrzeug-Scheinwerfer ausgestaltet sein. Die Lichtverteilung wird mit einem Licht erzeugt, das von einem Konverterelement erzeugt wird. Zu der Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Erzeugen der Lichtverteilung in der Umgebung auf der Grundlage der Lichtquelle und des Konverterelements.
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In der erfindungsgemäßen Leuchtvorrichtung kann weißes Licht z.B. mittels einer blau-leuchtenden LED (Leuchtdiode) oder mittels einer Laserquelle als Lichtquelle erzeugt werden, wobei das Konverterelement, z.B. auf der Grundlage eines Leuchtstoffs, z.B. Phosphor, breitbandig einen gelben Anteil erzeugt. Hierbei ist es möglich, den Leuchtstoff extern zu verbauen, entweder als Durchlichtausführung oder aber reflexiv, wobei zweiteres den Vorteil hat, über einen massiven metallischen Reflektor besser die Wärme ableiten zu können (aktuell sind 20 W elektrische Leistung üblich).
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Laserlicht-Lichtquellen können das sogenannte Dark-Spot-Syndrom verursachen: Schon nach wenigen hundert Betriebsstunden entsteht im oder am Leuchtstoff ein schwarzer Fleck, wodurch die Lichtleistung massiv leidet. Dieser Fleck entsteht vor allem durch Anziehen von Schmutzpartikeln durch den Laserstrahl und Beschleunigung durch denselben in Richtung des Leuchtstoffs, wo diese einbrennen. An diesem dunklen Fleck steigt die Temperatur zudem rasch an, während die Lichtleistung leidet.
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Eine zweite Schwierigkeit besteht darin, die entstehende Abwärme abzuführen. Kann nicht ausreichend gekühlt werden, so droht einerseits ein Vergilben des Klebers des Phosphors, wodurch ebenfalls ein dunkler Fleck entsteht. Andererseits droht ein sogenannter Rollover: Wenn der Leuchtstoff zu heiß wird, sinkt seine Effizienz derartig, dass er kein gewandeltes (gelbes) Licht mehr abgeben kann, da er übermäßig gepumpt wird.
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Aus der
DE 10 2012 213 036 A1 ist eine Beleuchtungsvorrichtung mit Leuchtstoffrad bekannt. Diese Vorrichtung basiert ebenfalls auf der Erzeugung von Konverterlicht durch Anregung mittels eines Lasers, was auch als LARP (Laser-aktivierter getrennter Phosphor - laser activated remote phosphor) bezeichnet wird. Das Konverterelement kann hierbei ein rotierendes Leuchtstoffrad sein, um die Laserstrahlleistung der auftretenden Laserstrahlung im zeitlichen Mittel auf eine größere Fläche zu verteilen und damit die Leuchtstoffdegradation zu verringern. Zu jedem Zeitpunkt entsteht hierbei auf dem Konverterelement am Auftreffpunkt des Laserstrahls ein Leuchtfleck, der durch die Rotation des Konverterelements über der Zeit eine ringförmige oder kreisförmige Bahn auf dem Konverterelement beschreibt. Diese Spur des Leuchtflecks wird im Folgenden als Leuchtspur bezeichnet.
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Das Erzeugen einer Leuchtspur kann auch dazu genutzt werden, die Lichtverteilung in der Umgebung festzulegen oder einzustellen. Hierzu ist aus der
DE 10 2012 208 566 A1 das sogenannte Vektor-basierte Abtasten eines Konverterelements mittels eines Lasers bekannt. Der Laser ist hierbei als Vektorscanner ausgestaltet und bewegt den Lichtfleck auf dem Konverterelement entlang eines Scan-Pfades, wodurch die Leuchtspur entsteht. Der Scan-Pfad ist durch Vektordaten beschrieben. Eine Alternative zum Vektor-basierten Abtasten ist das zeilenweise Rastern, wofür ein Zeilenscanner zum Bewegen des Laserstrahls vorgesehen ist.
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Aus der
CN 102 809 881 A ist ein Lichtquellensystem und ein damit verbundenes Projektionssystem bekannt. Das Lichtquellensystem umfasst eine Lichtquelle, die Anregungslicht emittiert, eine Bewegungsvorrichtung, die mit einem optischen Wellenlängenumwandlungsmaterial und einer Einstellvorrichtung versehen ist. Das Anregungslicht strahlt auf das optische Wellenlängenumwandlungsmaterial. Wenn sich die Bewegungsvorrichtung in einem periodischen bewegten Zustand befindet, bewegt sich die Lichtpunktposition, die durch das Anregungslicht auf der Bewegungsvorrichtung bestrahlt wird, auf einer ersten Arbeitsspur. Die Verstelleinrichtung dient zur Einstellung der Lichtfleckposition, so dass sich die von dem eingestellten Anregungslicht auf der Bewegungseinrichtung bestrahlte Lichtfleckposition auf einer zweiten Arbeitsspur bewegt. Die erste Arbeitsspur ist von der zweiten Arbeitsspur getrennt.
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Aus der WO 2014/ 121 314 A1 ist ein Scheinwerfer für Kraftfahrzeuge mit zumindest einer modulierbaren Laserlichtquelle bekannt, deren Laserstrahl über einen verschwenkbaren, von einer Spiegelansteuerung angesteuerten Mikrospiegel auf ein Lichtkonversionsmittel gelenkt wird und mit einem Projektionssystem zur Projektion des an dem Lichtkonversionsmittel erzeugten Leuchtbildes auf die Fahrbahn, bei welchem zumindest zwei Laserlichtquellen vorgesehen sind, welchen eine Laseransteuerung zum Modulieren der Strahlintensität zugeordnet ist, zwischen jeder Laserlichtquelle und dem Mikrospiegel eine Optik zur Formung je eines Laserstrahls mit vorgegebenem Strahlquerschnitt angeordnet ist, der Mikrospiegel mit fester Frequenz um eine Achse schwingt, wobei die geformten Strahlen der zumindest zwei Laserlichtquellen zur Bildung von zumindest zwei aneinander liegender horizontaler Lichtbänder auf der Leuchtfläche über den Mikrospiegel umgelenkt sind.
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Aus der
DE 10 2013 226 652 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Leuchtvorrichtung mit n > 1 Lichterzeugungseinrichtungen zum Erzeugen eines jeweiligen Primärlichtstrahls und einer von den Lichterzeugungseinrichtungen beabstandeten Leuchtstofffläche bekannt, wobei das Verfahren umfasst: Beleuchten einer i-ten Teilfläche der Leuchtstofffläche mit i Lichterzeugungseinrichtungen, falls ein gewünschter positiver Helligkeitswert auf dieser beleuchteten Teilfläche einen nächsthöheren i-ten Helligkeits-Schwellwert aus einer Gruppe von n - 1 positiven, sich sukzessive vergrößernden Helligkeits-Schwellwerten unterschreitet oder erreicht, ansonsten Beleuchten mit n Lichterzeugungseinrichtung, wobei i und n ganze natürliche Zahlen sind und i = [1, ..., n] gilt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einer Leuchtvorrichtung mittels eines Konverterelements effizient Konverterlicht aus dem Anregungslicht einer Lichtquelle zu erzeugen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren offenbart.
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Durch die Erfindung ist eine Leuchtvorrichtung zum Erzeugen einer vorbestimmten Lichtverteilung in einer Umgebung der Leuchtvorrichtung bereitgestellt. Die Lichtverteilung beschreibt eine Funktion der Lichtstärke in Abhängigkeit von der Abstrahlrichtung. Die Lichtverteilung kann beispielsweise eine Abblendlicht-Lichtverteilung oder eine Fernlicht-Lichtverteilung für einen Kraftfahrzeug-Scheinwerfer darstellen. Zum Erzeugen der Lichtverteilung sind eine Lichtquelle zum Erzeugen eines Lichtstrahls aus Anregungslicht, ein Konverterelement zum Erzeugen eines Konverterlichts bei einer Anregung durch das Anregungslicht sowie eine Optikeinrichtung zum Ausrichten des Konverterlichts in die Umgebung vorgesehen. Die Erzeugung des Konverterlichts kann auf Lumineszenz basieren, z.B. auf Phosphoreszenz oder Fluoreszenz. Um hierbei nicht von einem einzelnen Leuchtfleck auf dem Konverterelement abhängig zu sein, sondern z.B. die Vektor-basierte oder Zeilenraster-basierte Abtastung vorzunehmen, werden das Konverterelement und der Lichtstrahl relativ zueinander bewegt. Hierzu ist eine Stelleinrichtung zum Einstellen eines vorbestimmten ersten Stellungsmusters vorgesehen. Dieses erste Stellungsmuster sieht somit eine Abfolge mehrerer relativer Stellungen des Lichtstrahls bezüglich des Konverterelements vor. Beispielsweise kann also das erste Stellungsmuster die Summe der Stellungen für das Vektor-basierte Abtasten oder das zeilenweise Abtasten oder Rastern vorgeben. Durch das erste Stellungsmuster ergibt sich insgesamt auf dem Konverterelement eine durch den Leuchtfleck des Anregungslichts bewirkte erste Leuchtspur. Das erste Stellungsmuster definiert also diese erste Leuchtspur. Die erste Leuchtspur muss hierbei nicht durchgängig oder dauerhaft in ihrer gesamten Länge zu erkennen oder vorhanden sein. Die gesamte erste Leuchtspur wird aber typischerweise derart schnell durchfahren oder durchlaufen, dass für eine Person die Lichtverteilung zumindest im Wesentlichen konstant oder nicht-flackernd wirkt. Mit anderen Worten wird die erste Leuchtspur bevorzugt in weniger als 100 Millisekunden, insbesondere in weniger als 50 Millisekunden, durchfahren oder durchlaufen. Aus der gesamten ersten Leuchtspur ergibt sich dabei durch die von der Optikeinrichtung bewirkte Ausrichtung die vorbestimmte Lichtverteilung in der Umgebung.
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Wird nur bei jedem Betrieb der Leuchtvorrichtung dieselbe Leuchtspur durchlaufen oder durchfahren, so kann sich der beschriebene Verschleißeffekt ergeben, d.h. entlang der Leuchtspur wird das Konverterelement verschlissen oder verdunkelt oder vergilbt.
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Um dies zu vermeiden oder zumindest zeitlich hinauszuzögern, damit eine Gesamt-Betriebsstundenzahl der Leuchtvorrichtung und insbesondere des Konverterelements vergrößert werden kann, ist vorgesehen, dass die Leuchtvorrichtung zum Erzeugen der vorbestimmten Lichtverteilung redundant ausgelegt ist. Hierzu ist durch die Stelleinrichtung zumindest ein weiteres Stellungsmuster, d.h. zumindest ein zweites Stellungsmuster, bereitgestellt. Durch jedes weitere, zweite Stellungsmuster ist eine von der ersten Leuchtspur verschiedene weitere Leuchtspur, d.h. eine von der ersten Leuchtspur verschiedene zweite Leuchtspur, definiert, aus der sich aber im Endeffekt nach der durch die Optikeinrichtung bewirkten Ausrichtung ebenfalls die vorbestimmte Lichtverteilung in der Umgebung ergibt. Durch ein weiteres Stellungsmuster wird also der Leuchtfleck des Anregungslichts auf dem Konverterelement entlang einer anderen Bahn oder Leuchtspur geführt. Hierbei ist aber weiterhin sichergestellt, dass sich durch das resultierende Konverterlicht, das von der weiteren, zweiten Leuchtspur ausgeht, bei Ausrichtung durch die Optikeinheit die vorgesehene Lichtverteilung, d.h. die vorbestimmte Lichtverteilung, oder eine Lichtverteilung, die bezüglich der vorbestimmten Lichtverteilung ein vorbestimmtes Ähnlichkeitskriterium erfüllt, ergibt.
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Bei dem eingangs beschriebenen Leuchtstoffrad stellt also eine Leuchtspur beispielsweise die beschriebene kreisförmige Bahn auf dem Konverterelement dar. Eine weitere Leuchtspur kann dann eine weitere Kreisbahn sein, die aber einen anderen Radius aufweist oder axial versetzt ist. Hierbei werden dann aber beispielsweise durch die Stelleinrichtung das Konverterelement und der Lichtstrahl derart eingestellt, dass auch das von der weiteren Leuchtspur ausgehende Konverterlicht wieder die vorbestimmte Lichtverteilung oder eine Lichtverteilung, die bezüglich der vorbestimmten Lichtverteilung ein vorbestimmtes Ähnlichkeitskriterium erfüllt, ergibt. Das Ähnlichkeitskriterium kann z.B. besagen, dass die beiden Lichtverteilungen (von denen sich jeweils eine vor und eine nach dem Wechsel ergibt) in Bezug auf die örtliche Helligkeitsverteilung zu zumindest 90 Prozent, insbesondere zu zumindest 95 Prozent, deckungsgleich sein sollen. Ein anderes Ähnlichkeitskriterium kann besagen, dass an jedem Punkt der örtlichen Helligkeitsverteilung der relative Unterschied kleiner als 20 Prozent, insbesondere kleiner als 10 Prozent, sein soll.
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Eine einzelne Leuchtspur ist somit die Menge der zum vollständigen Erzeugen der Lichtverteilung zu beleuchtenden Stellen auf dem Konverterelement. Die Leuchtspur kann zyklisch wiederholt durchfahren werden, um hierdurch die Lichtverteilung kontinuierlich bereitzustellen. Eine hierzu verschiedene weitere Leuchtspur ist dann eine weitere Menge von zu beleuchtenden Stellen auf dem Konverterelement mit demselben Effekt. Jede Leuchtspur kann dauerhaft als Alternative zu einer anderen Leuchtspur genutzt werden, um die vorbestimmte Lichtverteilung bereitzustellen, ohne dass es zu einer zeitlichen Unterbrechung der Erzeugung der vorbestimmten Lichtverteilung kommt. Es handelt sich bei einer Leuchtspur also nicht um ein einzelnes Bahn-Teilstück einer Gesamtleuchtbahn, wie sie z.B. bei der vektor-basierten Abtastung oder der zeilenbasierten Abtastung vorgesehen ist, um die vollständige Lichtverteilung zu erzeugen.
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Damit ergibt sich der Vorteil, dass nach einem Verschleiß einer Leuchtspur zu einer weiteren Leuchtspur umgeschaltet bzw. gewechselt werden kann, indem das weitere, zweite Stellungsmuster aktiviert wird, und dann das Konverterelement weiter in einem unverschlissenen Bereich genutzt werden kann. Es kann auch vorbeugend regelmäßig zwischen unterschiedlichen Stellungsmustern umgeschaltet werden, um hierdurch den Verschleiß jeder Leuchtspur zu verlangsamen und/oder lokal eine Temperatur zu senken.
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Bei der beschriebenen Vektor-basierten Abtastung ist das erste Stellungsmuster eine Abfolge von zyklisch wiederholten Stellungen. Um ein hierzu redundantes weiteres, zweites Stellungsmuster bereitzustellen, ist vorgesehen, dass die Abfolge der Stellungen des Stellungsmusters um einen vorbestimmten räumlichen Versatz versetzt wird. So weisen die Leuchtspuren zweier Stellungsmuster dieselbe Form auf, sind aber um den räumlichen Versatz verschoben oder versetzt. Dies weist den Vorteil auf, dass keine aufwendige Umstellung des Geschwindigkeitsprofils und/oder des Bewegungsprofils des Scanners nötig ist. Es kann z.B. das Konverterelement um den Versatz verschoben werden.
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Zu der Erfindung gehören auch optionale Weiterbildungen, durch deren Merkmale sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Falls das erste Stellungsmuster ein Linienmuster aus parallelen Linien ist, also beispielsweise eine zeilenweise Abtastung oder spaltenweise Abtastung vorgesehen ist, so ist bevorzugt vorgesehen, dass zumindest ein weiteres, zweites Stellungsmuster bereitgestellt wird, indem zu diesem Linienmuster ein gleiches Linienmuster vorgesehen wird, welches um weniger als einen Linienabstand versetzt verschoben ist. Es kann also Beispielweise bei einer zeilenweisen Abtastung oder Rasterung vorgesehen sein, dass das erste Stellungsmuster die ungeraden Zeilen, d.h. jede zweite Zeile beginnend mit Zeile 1, umfasst und ein weiteres, zweites Stellungsmuster die geraden Zeilen, also ebenfalls jede zweite Zeile beginnend mit Zeile 2, also um eine Zeile versetzt, vorsieht. Jedes Linienmuster weist hierbei einen Zeilenabstand von zwei Zeilen des Gesamt-Linienmusters auf und der Versatz beträgt dann eine Zeile.
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Um zu vermeiden, dass eine Leuchtspur zu sehr aufgeheizt wird, sieht eine Weiterbildung vor, dass die Stelleinrichtung dazu eingerichtet ist, ausgehend von dem ersten Stellungsmuster diesem eine stufenlose oder kontinuierliche Relativbewegung des Lichtstrahls und des Konverterelements zu überlagern, wobei die kontinuierliche Relativbewegung bevorzugt quer zu einer Längserstreckung der Leuchtspur verläuft. Hierdurch ergeben sich dann mit jeder Bewegung weitere Stellungsmuster. Mit anderen Worten wird die Leuchtspur des ersten Stellungsmusters kontinuierlich auf dem Konverterelement verschoben. Ein gerader Linienabschnitt der Leuchtspur wird dabei bevorzugt quer zum Linienverlauf, also senkrecht dazu oder seitlich verschoben. So ergibt sich eine kontinuierliche Änderung der von dem Anregungslicht beaufschlagten Stellen des Konverterelements. Die Bewegung kann dauerhaft oder zeitweise sein.
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Zusätzlich oder alternativ dazu ist vorgesehen, dass die Stelleinrichtung dazu eingerichtet ist, zwischen mehreren diskreten Stellungsmustern schrittweise z.B. gemäß einem Round-Robin-Verfahren umzuschalten. Mit diskreten Stellungsmustern ist gemeint, dass die Gesamtanzahl der Stellungsmuster endlich ist, anders als bei der beschriebenen kontinuierlichen Relativbewegung. Es kann also zwischen 2 oder 3 oder 4 oder mehr als 4 verschiedenen Stellungsmustern schrittweise umgeschaltet werden. Das Round-Robin-Verfahren kann beispielsweise die Folge 1,2,3,4,1,2,... vorsehen.
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Ein lediglich bedarfsweises Umschalten kann realisiert werden, indem eine Umschalteinrichtung bereitgestellt wird, die dazu eingerichtet ist, eine vorbestimmte Umschaltbedingung zu überprüfen und bei erfüllter Umschaltbedingung ein Umschaltsignal zu erzeugen. Die Stelleinrichtung ist hierbei dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von dem Umschaltsignal zwischen den Stellungsmustern, d.h. zwischen dem ersten Stellungsmuster und dem zumindest einen zweiten Stellungsmuster, zu wechseln. Die Umschaltbedingung kann beispielsweise besagen, dass ein Stellungsmuster für eine vorbestimmte Zeitdauer genutzt werden soll, beispielsweise 2 Minuten oder 10 Minuten, und dann die Umschaltbedingung erfüllt ist, d.h. zum nächsten Stellungsmuster gewechselt wird.
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Erfindungsgemäß wird das Umschaltsignal verschleißabhängig erzeugt. Hierzu weist die Umschalteinrichtung ein Sensorelement zum Erfassen einer Verschmutzung des Konverterelement und/oder einer spektralen Verteilung des Konverterlichts auf. Die Umschaltbedingung beinhaltet dabei, dass die Verschmutzung ein vorbestimmtes Verschmutzungskriterium und/oder die spektrale Verteilung des Konverterlichts ein vorbestimmtes Verteilungskriterium erfüllt. Das Verschmutzungskriterium und das Verteilungskriterium sind hierbei insbesondere jeweils an das Sensorelement angepasst. Das Verschmutzungskriterium kann beispielsweise eine Schattenbildung und/oder Kontrastflächen oder Kontrastkanten in einem Signal des Sensorelements definieren. Das Sensorelement kann hierzu beispielsweise eine Kamera aufweisen. Das Verteilungskriterium kann beispielsweise einen Anteil oder einen Betrag einer vorbestimmten Lichtfrequenz und/oder ein Verhältnis zumindest zweier vorbestimmter Lichtfrequenzen vorgeben. Z.B. kann also ein Verhältnis für einen Blau/Gelb-Anteil oder eine Blau/Gelb-Verteilung vorgegeben sein. Wird diese Verteilung nicht eingehalten, so ist das Verteilungskriterium verletzt, beispielsweise ein Gelbanteil zu niedrig und/oder ein Blauanteil zu hoch.
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Um die besagte relative Stellung zwischen Lichtstrahl einerseits und Konverterelement andererseits einzustellen, ist die Stelleinrichtung entsprechend ausgestaltet. So kann vorgesehen sein, dass die Stelleinrichtung dazu eingerichtet ist, zum Verändern der relativen Stellung das Konverterelement zu bewegen. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass die Stelleinrichtung den Lichtstrahl bewegt. Eine weitere Alternative sieht eine Bewegung sowohl des Konverterelements als auch des Lichtstrahls vor. Zum Bewegen beispielsweise in einzelnen Bewegungsschritten können eine Magnetspule und eine Ratsche bereitgestellt sein. Eine kontinuierliche Bewegung kann z.B. mittels eines Ultraschallmotors oder eines Elektromotors bewirkt werden. Die Stelleinrichtung kann auch einen Spiegel oder ein DLP-Element (DLP - Digital Light Processing) oder einen photonischen Kristall aufweisen, damit sie den Lichtstrahl in Bezug auf das Konverterelement ausrichten oder umlenken oder dessen Abstrahlrichtung einstellen kann. Mit anderen Worten kann als Lichtquelle der beschriebene Laser-Scanner vorgesehen sein, dessen Umlenkeinrichtung dann Bestandteil der Stelleinrichtung ist.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Optikeinrichtung dazu eingerichtet ist, die erste Leuchtspur und/oder die zweite Leuchtspur unscharf in der Umgebung abzubilden, indem sie die jeweilige Leuchtspur außerhalb eines Fokuspunkts der Optikeinrichtung erfasst oder abbildet. Durch diese gezielt eingestellte Unschärfe kann eine Veränderung der Lichtverteilung vermieden werden, falls sich durch das Verschieben oder Wechseln der Leuchtspur bei scharfer Abbildung eine signifikante Veränderung der Lichtverteilung ergeben würde. Eine zusätzliche alternative Möglichkeit zum Korrigieren einer Veränderung der Lichtverteilung ergibt sich, indem die Optikeinrichtung dazu eingerichtet ist, bei einem Wechsel zwischen zumindest zwei Stellungsmustern einen optischen Pfad für das Konverterlicht umzustellen und hierdurch eine durch den Wechsel zu dem neuen Stellungsmuster verursachte Veränderung der Lichtverteilung ganz oder teilweise zu kompensieren. Mit anderen Worten wird die Optikeinrichtung nachgestellt, um der Veränderung der Lichtverteilung entgegenzuwirken. Z.B. kann eine Linse und/oder ein Spiegel der Optikeinrichtung bewegt oder umgestellt werden.
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Wie bereits ausgeführt, ist die erfindungsgemäße Leuchtvorrichtung insbesondere im Zusammenhang mit dem Bereitstellen eines Kraftfahrzeug-Scheinwerfers vorteilhaft, d.h. die Leuchtvorrichtung ist bevorzugt als Kraftfahrzeug-Scheinwerfer ausgebildet.
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Durch den Betrieb der erfindungsgemäßen Leuchtvorrichtung ergibt sich das folgende erfindungsgemäße Verfahren. Eine Lichtquelle erzeugt einen Lichtstrahl aus Anregungslicht und ein Konverterelement erzeugt bei einer Anregung durch das Anregungslicht beispielsweise durch Fluoreszenz das Konverterlicht. Die Optikeinrichtung richtet das Konverterlicht in die Umgebung aus. Die Stelleinrichtung stellt ein vorbestimmtes erstes Stellungsmusters ein, welches eine Abfolge mehrerer relativer Stellungen des Lichtstrahls bezüglich des Konverterelements vorsieht. Durch das erste Stellungsmuster, also durch die Menge aller Stellungen der Abfolge und damit die Menge aller Positionen des Leuchtflecks auf dem Konverterelement, ergibt sich insgesamt auf dem Konverterelement durch den Leuchtfleck eine erste Leuchtspur, aus der sich bei Ausrichtung durch die Optikeinrichtung die vorbestimmte Lichtverteilung ergibt. Mit Ausrichtung ist hierbei das optische Abbilden der ersten Leuchtspur in die Umgebung hinein gemeint.
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Die Leuchtvorrichtung ist redundant ausgelegt, indem durch die Stelleinrichtung zumindest ein weiteres Stellungsmuster, d.h. zumindest ein zweites Stellungsmuster, bereitgestellt wird, durch welches eine von der ersten Leuchtspur verschiedene weitere Leuchtspur, d.h. eine von der ersten Leuchtspur verschiedene zweite Leuchtspur, definiert ist, aus der sich bei Ausrichtung durch die Optikeinrichtung ebenfalls die vorbestimmte Lichtverteilung oder eine Lichtverteilung, die bezüglich der vorbestimmten Lichtverteilung ein vorbestimmtes Ähnlichkeitskriterium erfüllt, ergibt, wobei durch das erste Stellungsmuster eine Abfolge von zyklisch wiederholten Stellungen definiert ist und das zumindest eine zweite Stellungsmuster die Abfolge um einen vorbestimmten räumlichen Versatz versetzt vorsieht, wobei die Stelleinrichtung dazu eingerichtet ist, zumindest zeitweise zwischen mehreren diskreten Stellungsmustern schrittweise umzuschalten, wobei eine Umschalteinrichtung dazu eingerichtet ist, eine vorbestimmte Umschaltbedingung zu überprüfen und bei erfüllter Umschaltbedingung ein Umschaltsignal zu erzeugen, und wobei die Stelleinrichtung dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von dem Umschaltsignal zwischen dem ersten Stellungsmuster und dem zumindest einen zweiten Stellungsmuster zu wechseln, wobei die Umschalteinrichtung ein Sensorelement zum Erfassen einer Verschmutzung des Konverterelements und/oder einer spektralen Verteilung des Konverterlichts aufweist und die Umschaltbedingung beinhaltet, dass die Verschmutzung ein vorbestimmtes Verschmutzungskriterium und/oder die spektrale Verteilung ein vorbestimmtes Verteilungskriterium erfüllt.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Leuchtvorrichtung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Leuchtvorrichtung;
- 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Leuchtvorrichtung.
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Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine Leuchtvorrichtung 1, die beispielsweise als ein Kraftfahrzeug-Scheinwerfer ausgestaltet sein kann. Die Leuchtvorrichtung 1 weist eine Lichtquelle 2 auf, bei der es sich beispielsweise um eine Laser-Lichtquelle oder eine Lichtquelle mit einer oder mehreren Leuchtdioden handeln kann. Die Lichtquelle 2 kann einen Lichtstrahl 3 aus Anregungslicht 3' erzeugen, der auf ein Konverterelement 4 gerichtet ist, wo das Anregungslicht 3' einen Lichtfleck 5 hervorruft. Das Konverterelement 4 kann z.B. auf der Grundlage eines Leuchtstoffs, z.B. Phosphor, realisiert sein.
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Im Lichtfleck 5 wird aufgrund der Anregung durch das Anregungslicht 3' des Lichtstrahls 3 ein Konverterlicht 6 erzeugt, dessen spektrale Verteilung sich von einer spektralen Verteilung des Anregungslichts 3' unterscheidet. Z.B. kann das Anregungslicht 3' überwiegend blaues Licht sein, während das Konverterlicht 6 weißes Licht ist.
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Das Konverterlicht 6 kann durch eine Optikeinrichtung 7 in eine Umgebung 8 der Leuchtvorrichtung 1 geführt oder gelenkt oder ausgerichtet werden. In der Umgebung 8 bildet das Konverterlicht 6 eine Lichtverteilung 9, durch deren räumliche Verteilung oder Anordnung beispielsweise ein Abblendlicht oder ein Fernlicht für ein Kraftfahrzeug erzeugt sein kann. Durch das Abbilden des Leuchtflecks 5 über die Optikeinrichtung 7 hin zur Lichtverteilung 9 ergibt sich aber lediglich ein Teilbereich 10 der gesamten Lichtverteilung 9.
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Eine Stelleinrichtung 11 kann deshalb eine relative Stellungsänderung des Lichtstrahls 3 bezüglich des Konverterelements 4 bewirken. Beispielsweise kann durch die Stelleinrichtung 11 eine Schwenkbewegung 12 des Lichtstrahls 3 bewirkt werden, sodass der Leuchtfleck 5 mit der Zeit eine Bewegungsbahn 13 auf dem Konverterelement 4 durchführt. Die gesamte Bewegungsbahn 13 ergibt somit eine (erste) Leuchtspur 14 aus den unterschiedlichen Positionen des Leuchtflecks 5 auf dem Konverterelement 4. Die zum Erzeugen der Leuchtspur 14 benötigte Gesamtheit der relativen Stellungen des Lichtstrahls 3 bezüglich des Konverterelements 4 ergibt insgesamt ein (erstes) Stellungsmuster 14', das in der 1 durch die erste Leuchtspur 14 selbst grafisch repräsentiert ist. Die Leuchtspur 14 stellt in dem in 1 gezeigten Beispiel ein Linienmuster in Form eines Zeilenrasters Z dar. Die optische Abbildung der Leuchtspur 14 durch die Optikeinrichtung 7 ergibt dabei die gesamte Lichtverteilung 9. Die Leuchtspur 14 stellt somit das Resultat der Menge oder Summe aller relativen Stellungen des Lichtstrahls 3 bezüglich des Konverterelements 4 dar, durch die sich insgesamt die Lichtverteilung 9 ergibt. Das Stellungsmuster 14' kann zyklisch durchlaufen werden, beispielsweise mit einer Zyklusfrequenz von mehr als 20 Hz, insbesondere mehr als 50 Hz.
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Die Stelleinrichtung 11 kann in der beschriebenen Weise beispielsweise mittels eines Spiegels, eines DLP-Elements oder eines Kristalls den Lichtstrahl 3 gemäß der Schwenkbewegung 12 bewegen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann eine mechanische Verfahreinheit 15 zum Bewegen des Konverterelements 4 vorgesehen sein. Z.B. kann für das dargestellte zeilenweise Abtasten des Konverterelements 4 durch den Lichtstrahl 3 ein schrittweiser Vorschub 16 bewirkt werden.
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Im Betrieb der Leuchtvorrichtung 1 verschleißt das Konverterelement 4 an denjenigen Stellen, an welchen der Lichtfleck 5 auftrifft. Mit anderen Worten weist nach einiger Zeit des Betriebs das Konverterelement 4 entlang der Leuchtspur 14 Verschleißerscheinungen auf, beispielsweise Vergilbungen und/oder Verdunklung.
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Um das Konverterelement 4 gleichmäßig abzunutzen oder sein anregbares Volumen vollständig auszunutzen, ist bei der Leuchtvorrichtung 1 vorgesehen, zum Erzeugen der Lichtverteilung 9 nicht nur das erste Stellungsmuster 14' zum Erzeugen der ersten Leuchtspur 14 vorzusehen, sondern redundant oder unabhängig davon eine weitere (zweite) Leuchtspur 17 zu erzeugen, welche sich aus einem weiteren (zweiten) Stellungsmuster 17' aus Relativstellungen des Lichtstrahls 3 bezüglich des Konverterelements 4 ergibt. In 1 ist gezeigt, wie das Stellungsmuster 14' um einen räumlichen Versatz 18 verschoben werden kann. Beispielsweise kann mittels der mechanischen Verfahreinheit 15 ein Vorschub 16 bewirkt werden. Zusätzlich oder alternativ dazu kann auch die Schwenkbewegung 12 des Lichtstrahls 3 entsprechend umgestellt werden.
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Das Umschalten zwischen dem ersten Stellungsmuster 14' und dem zweiten Stellungsmuster 17' kann automatisiert durch eine Umstelleinrichtung 20 durchgeführt werden. Die Umstelleinrichtung 20 kann hierzu z.B. eine Prozessoreinrichtung, wie z.B. einen Mikrocontroller oder einen Mikroprozessor, und/oder z.B. einen integrierten Schaltkreis aufweisen. Es kann ein Sensorelement 21 bereitgestellt sein, welches im Strahlengang des Konverterlichts 6 angeordnet sein kann und eine spektrale Verteilung 22 des Konverterlichts 6 erfassen kann. Die Umstelleinrichtung 20 kann die spektrale Verteilung 22 mit einer Soll-Verteilung 22' vergleichen und hierdurch überprüfen, ob ein vorbestimmtes Verteilungskriterium 23 verletzt ist, beispielsweise ein Gelbanteil der spektralen Verteilung 22 kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert ist. Die Umstelleinrichtung 20 kann dann die Stelleinrichtung in diesem Fall ansteuern, um von dem Stellungsmuster 14' auf das Stellungsmuster 17' umzuschalten. Als das Sensorelement 21 kann eine Sensoreinrichtung genutzt werden, die ohnehin vorhanden sein kann, denn ein blauer Laserstahl ist gefährlich. Sobald er den Leuchtstoff trifft, entsteht weißes Mischlicht mit Lichtstrahlen, deren Richtungen einer Halbkugel entsprechen. Es handelt sich also nicht mehr um einen gebündelten Strahl. Wenn der Leuchtstoff bricht, kann es aber sein, dass der blaue Laserstrahl austritt. Diese Situation will man erkennen und ausschalten. Bevorzugt nutzt man zwei Sensoren, einen mit einem gelben Farbfilter und einen mit einem blauen Farbfilter. Eventuell noch einen dritten ohne Filter um die Gesamtlichtmenge zu kontrollieren (und die zwei Sensoren, da die Summe der Werte (proportional) gleich dem filterlosen Sensor sein muss).
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Falls sich durch den Wechsel zwischen den Stellungsmustern 14' und 17' eine unerwünscht große Veränderung der Lichtverteilung 9 ergibt, kann vorgesehen werden, mit dem Wechsel auch eine Stellung und/oder Konfiguration der Optikeinrichtung 7 umzustellen, um hierdurch die Veränderung ganz oder teilweise zu kompensieren.
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Bei der in 1 gezeigten Anordnung aus Lichtquelle 2, Konverterelement 4 und Optikeinrichtung 7 handelt es sich um eine sogenannte Durchlichtausführung, bei welcher sich der Lichteintritt des Anregungslichts 3' einerseits und der Lichtaustritt des Konverterlichts 6 andererseits auf unterschiedlichen Seiten des Konverterelements 4 befindet.
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In 2 ist eine hierzu alternative Ausgestaltung der Leuchtvorrichtung 1 dargestellt. Mittels eines Spiegels 24, z.B. eines metallischen Reflektors, ist eine reflexive oder reflektierende Ausführung bereitgestellt, bei welcher das Anregungslicht 3' an derselben Seite des Konverterelements 4 in dieses eintritt, an welcher auch das Konverterlicht 6 austritt. Auch bei dieser Ausführungsform ist in der dargestellten Weise ein Wechsel zwischen Stellungsmustern 14' und 17' z.B. bei Erfüllt-sein eines Verteilungskriteriums 23 möglich.
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Im Folgenden sind weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben:
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Um die Belastung des Leuchtstoffs eines Konverterelements zu verteilen wird derselbe relativ zum Laserstrahl bewegt. Dieses kann entweder langsam und (optional) schrittweise durchgeführt werden - z.B. mittels Solenoid (Elektromagnet) und Ratsche. Das hat den Vorteil einer sehr einfachen, günstigen Mechanik (Solenoid, Feder, Ratsche, Vorschub einmal möglich).
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Falls die Blau/Gelb-Verteilung überwacht wird, kann der Vorschub zumindest einmal erfolgen, wenn das Verhältnis nicht mehr stimmt.
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Eine schnellere Relativbewegung kann z.B. mittels Ultraschallmotor bewirkt werden mit dem Ziel, eine gleichmäßige Alterung über die gesamte benutzte Fläche zu erhalten.
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Der Leuchtstoff kann auch auf einer drehenden Scheibe angeordnet sein, was gut ist für die Wärmeabfuhr und die Mechanik wird sich wie ein Kreisel selbst stabilisieren.
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Besonders bevorzugt ist die Anwendung derselben Idee, wenn der Laserlichtstahl über den Leuchtstoff streicht - z.B. um zeilenweise eine Lichtverteilung aufzubauen oder auch für vektorbasiertes Abtasten implementieren. In diesem Fall können abwechselnd die geraden und die ungeraden Zeilen benutzt werde, wie dies in 1 und 2 veranschaulicht ist. Der Leuchtstoff kann anstelle auf der dargestellten Scheibe oder Platte auch auf einer Trommel angeordnet sein. Die Trommel kann auch kontinuierlich drehen.
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Durch entsprechende bewusste Unschärfe in der Optikeinrichtung 7 wird dennoch bei geraden und ungeraden Zeilen in etwa dasselbe Lichtbild erzeugt. Eine unscharfe Abbildung ist auch vorteilhaft, da man eine gleichmäßige Lichtverteilung, also eine Verschmelzung der Zeilen, erreichen will.
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In weiterer Folge kann man N Zeilen reihum nutzen (solange die Lichtverteilung noch ähnlich genug und die Auflösung ausreichend bleibt).
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Es ist auch möglich, eine Verschmutzung zu erkennen - z.B. mit Sensoren für die gelben und blauen Lichtanteile zur Erkennung von Leuchtstoffversagen - und erst danach auf die nächste Zeile zu wechseln.
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Für die Realisierung der Erfindung kann der Laserstrahl (z.B. mittels eines Spiegels) oder der Leuchtstoff bewegt werden. Für die Realisierung der Erfindung kann der Laserstrahl durch den Leuchtstoff hindurch gehen (1) oder sich hinter dem Leuchtstoff ein Spiegel befinden (2). Der Spiegel ist bevorzugt aus massivem Metall und damit der Ableitung von Hitze dienlich. Für die Erfindung ist es somit egal, in welcher Form der Laserstrahl geführt bzw. bewegt wird. Der Strahl könnte auch z.B. durch einen photonischen Kristall aufgespaltet werden und dadurch z.B. in mehrere Strahlen geteilt werden oder bereits einen Teil oder gar die gesamte Lichtverteilung definieren. Auch der durch einen photonischen Kristall in Teilstrahlen gespaltene Strahl kann wieder bewegt werden, um mit jedem Teilstrahl einen Teil der gesamten Lichtverteilung zu erzeugen. Besonders interessant ist ein solcher Kristall, wenn er den Strahl jeweils in Teilstrahlen aufteilt, die auf die Mitte von Spiegeln eines DLPs treffen. Der Leuchtstoff kann dann (im weiteren Strahlenverlauf) in einem Hauptreflektor (oder auch zwischen DLP und Hauptreflektor) sitzen. Auch einen Hauptreflektor kann man bewegen.
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Der Hauptreflektor reflektiert das konvertierte Licht in die Umgebung.
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Insgesamt zeigt somit das Beispiel, wie durch die Erfindung eine Verlängerung der Lebensdauer von Leuchtstoff für Laserlicht erreicht werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leuchtvorrichtung
- 2
- Lichtquelle
- 3
- Lichtstrahl
- 3'
- Anregungslicht
- 4
- Konverterelement
- 5
- Leuchtfleck
- 6
- Konverterlicht
- 7
- Optikeinrichtung
- 8
- Umgebung
- 9
- Lichtverteilung
- 10
- Teilbereich
- 11
- Stelleinrichtung
- 12
- Schwenkbewegung
- 13
- Bewegungsbahn
- 14
- Leuchtspur
- 14'
- Stellungsmuster
- 15
- Verfahreinheit
- 16
- Vorschub
- 17
- Leuchtspur
- 17'
- Stellungsmuster
- 18
- Versatz
- 19
- Zeilenabstand
- 20
- Umstelleinrichtung
- 21
- Sensorelement
- 22
- Soll-Verteilung
- 22
- Verteilung
- 23
- Verteilungskriterium
- 24
- Spiegel
