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Die Erfindung betrifft einen Scheinwerfer, insbesondere für Fahrzeuge und speziell für Kraftfahrzeuge (KFZ), umfassend ein Gehäuse mit einer Öffnung, eine Lichtquelle (oder gegebenenfalls mehrere), sowie eine Abdeckeinrichtung, die die Öffnung verschließt und eine Abdeckscheibe für den Durchtritt von sichtbarem Licht aus der Lichtquelle aufweist. Bei Scheinwerfern kommt es häufig, insbesondere bei ungünstigen Wetterbedingungen, zur Bildung von Wassertropfen oder Wasserfilmen und/oder Eisbildungen, beispielsweise durch Ablagerung (Regen, Schneefall, aber auch Nebel einschließlich Eisnebel) oder durch Abscheidung aus in der Luft enthaltenem Wasserdampf (insbesondere Kondensation oder Reifbildung). Diese Beläge aus flüssigem oder gefrorenem Wasser können aufgrund von Absorption und Ablenkung des Lichts nicht nur die Abstrahlung des Licht aus dem Scheinwerfer behindern, sondern auch die korrekte Ausbildung eines gewünschten Lichtbildes beeinträchtigen.
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Abtaueinrichtungen dienen zur Beseitigung von derartigen Wasser/Eisbelägen. Bekannte Scheinwerfer-Abtauvorrichtungen sehen eine Strahlungsquelle, z. B. eine IR-Quelle, im Inneren des Scheinwerfers vor, die die Abdeckscheibe von innen, typischer Weise in der Fahrtrichtung, beleuchtet und so erwärmt. Diese Erwärmung betrifft jedoch alle Bereiche der Scheibe, auch die sauberen, weil die Strahlung gleichmäßig verteilt abgestrahlt wird, ohne Berücksichtigung der realen Betauungssituation auf der Abdeckscheibe.
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Dokument
DE 10 2014 110 841 A1 betrifft eine Beleuchtungseinrichtung mit einem Gehäuse umfassend eine Abschlussscheibe, wobei im Gehäuse eine Lichtquelle und ein Reflektor aufgenommen sind, so dass durch die Lichtquelle erzeugbares Licht in den Reflektor einstrahlt und nach Reflexion an seiner Vorderseite durch die Abschlussscheibe hindurchtritt und das Gehäuse verlässt, und wobei im Gehäuse eine Einrichtung zur Enttauung und/oder zur Enteisung der Abschlussscheibe vorgesehen ist.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Scheinwerfer zu schaffen, der eine verbesserte und gezielte, zugleich einfache sichere Beseitigung von flüssigem oder gefrorenem Wasser, das sich auf der Abdeckscheibe gebildet hat, ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Scheinwerfer nach Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Ausgehend von einem Scheinwerfer der eingangs genannten Art wird eine Abtaueinrichtung mit einem Strahlungsemitter und einer Strahlungseinkoppeleinrichtung offenbart, bei welcher von dem Strahlungsemitter erzeugte Strahlung durch die Strahlungseinkoppeleinrichtung in die Abdeckscheibe einspeisbar ist. Die Einkoppeleinrichtung ist dazu eingerichtet, die Strahlung in die Abdeckscheibe einzuspeisen (einzuleiten), nämlich derart, dass die Strahlung innerhalb der Abdeckscheibe entlang einer Außenfläche der Abdeckscheibe reflektierend - insbesondere durch Reflexion an der Außenfläche, in der Regel (mehrfache) Totalreflexion an den Grenzflächen, ähnlich wie in einem Lichtleiter - geleitet wird. Die Abtaueinrichtung ist somit dazu eingerichtet, mithilfe eingespeister Strahlung auf der Oberfläche der Abdeckscheibe befindliche wässrige Ablagerungen zu erwärmen und so abzutauen. Hierbei wird unter wässrigen Ablagerungen jegliche Art von Wasser auf der Oberfläche verstanden, wobei das Wasser in flüssiger Form oder als Eis vorliegen kann; das Wasser/Eis kann abgelagert sein (z.B. durch Regen, Spritzer, Schneefall) oder abgeschieden (Nebel, Luftfeuchtigkeit).
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Durch diese Lösung gelingt die gestellte Aufgabe, und insbesondere ein gezieltes Enttauen bzw. Enteisen der Abdeckscheibe, auf effiziente Weise. Die Strahlung, die durch die Einkoppeleinrichtung eingespeist wird, dient hierbei nicht als Beitrag zur Erzeugung von Licht oder eines Lichtbildes vor dem Scheinwerfer, sondern dient der Erwärmung der Abdeckscheibe, vorzugsweise von Wasser und Eis, das sich auf der Außenfläche der Abdeckscheibe gebildet hat. Dadurch ergibt sich eine Erwärmung der Abdeckscheibe vordringlich in jenen Bereichen, wo ein Belag aus flüssigem oder gefrorenem Wasser besteht. Das führt auch zu einer besseren Ausnutzung der Strahlung und schnellerem Abtauen. Dies steht im Gegensatz zu herkömmlichen Einrichtungen zum Erwärmen der Abdeckscheibe mittels Strahlung aus dem Inneren des Scheinwerfers, die eine weitgehend gleichmäßige Verteilung der Strahlung bewirken, ungeachtet der aktuellen Betauungssituation, und somit geringere Effizienz haben.
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Günstiger Weise ist der Emitter innerhalb des Gehäuses des Scheinwerfers angeordnet. Zudem kann vorgesehen sein, dass die (eine oder mehreren) Lichtquelle(n) in (zumindest) einem Lichtmodul zur Erzeugung einer vorgegebenen Lichtverteilung vor dem Scheinwerfer angeordnet ist (sind), während der Strahlungsemitter außerhalb des (zumindest einen) Lichtmoduls angeordnet ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann der Strahlungsemitter von der Lichtquelle gesondert sein, beispielsweise eine eigene Strahlungsquelle, die im sichtbaren Bereich nicht oder nur schwach strahlt.
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Die Strahlung, die von dem Emitter der erfindungsgemäßen Abtaueinrichtung erzeugt wird, kann insbesondere eine elektromagnetische Strahlung eines nicht-sichtbaren Lichtbereichs sein, beispielsweise IR-Strahlung. Mit Strahlung im IR-Bereich lässt sich in der Regel das Ziel der Erfindung am effizientesten erreichen, wobei zudem Spektralbereiche ausgewählt werden können, die in Wasser absorbiert werden.
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Zusätzlich kann es vorteilhaft sein, wenn ein die Strahlung abschirmender Sichtschutz (Abdeckung) zwischen dem Strahlungsemitter und der Abdeckscheibe vorgesehen ist. Dies sorgt dafür, dass der Emitter von außen für einen Betrachter nicht sichtbar ist und verbessert so das Erscheinungsbild des Scheinwerfers für den Betrachter. Das kann insbesondere in dem Fall, dass der Emitter durch die Lichtquelle realisiert ist (anstatt als gesondertes Element), zweckmäßig sein.
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Eine einfache Verwirklichung der Strahlungseinkoppeleinrichtung ergibt sich, wenn diese als Komponente der Abdeckscheibeneinrichtung ausgebildet ist, vorzugsweise einstückig mit der Abdeckscheibe.
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Der Strahlungsemitter kann so positioniert bzw. eingerichtet sein, dass die Strahlung unmittelbar - nämlich ohne dazwischen liegende optische Bauelemente - in die Einkoppeleinrichtung geleitet wird. Alternativ dazu können optische Bauelemente im optischen Weg zwischen Strahlungsemitter und Einkoppeleinrichtung vorgesehen sein, um die Strahlung aus dem Strahlungsemitter zur Einkoppeleinrichtung zu leiten. Unter optischen Bauelementen werden optische Komponenten wie Linsen und insbesondere Spiegel (z.B. Hohlspiegel) verstanden, die eine Umformung und/ oder Umlenkung des Strahlverlaufs bewirken; mittels derartiger optischen Bauelemente kann eine bessere Ausbeute der vom Emitter erzeugten Strahlung, z.B. durch Bündelung, erreicht werden.
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Die Erfindung samt weiteren Vorzügen wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das einen KFZ-Scheinwerfer mit einer Einrichtung zum Enttauen/Enteisen mithilfe von IR-Licht betrifft und das in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist. Das Ausführungsbeispiel dient der Illustration der Erfindung; es ist lediglich beispielhafter Art und ist nicht als einschränkend für die Erfindung aufzufassen. Die Zeichnungen zeigen:
- 1 den Scheinwerfer gemäß dem Ausführungsbeispiel in einer Schnittansicht; und
- 2 ein Detail der Abdeckscheibe mit einem darauf befindlichem Wassertropfen.
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In 1 ist ein KFZ-Scheinwerfer S gemäß dem Ausführungsbeispiel in einer Schnittansicht (Vertikalschnitt) gezeigt, sowie verschiedene Komponenten, die teils der Ausführung der Erfindung dienen, teils für diverse Weiterbildungen der Erfindung vorteilhaft oder zweckmäßig sein können. Der Scheinwerfer S umfasst eine Abdeckscheibeneinrichtung 1 und ein Scheinwerfergehäuse 2, das z.B. aus Metall oder Kunststoff gefertigt sein kann. Das Gehäuse 2 weist nach vorne eine Lichtaustrittsöffnung auf, die von einem vorderen Rand 3 umgeben ist und die von der Abdeckscheibeneinrichtung 1, die eine transparente Abdeckscheibe 11 (oft auch als Streuscheibe bezeichnet) beinhaltet, verschlossen ist. Die Abdeckscheibe 11 ist aus Glas oder transparentem Kunststoff gebildet und kann als eine sogenannte klare Scheibe ohne optisch wirksame Streuelemente oder als eine Streuscheibe, die zumindest bereichsweise optisch wirksame Streuelemente (zum Beispiel Prismen oder Zylinderlinsen) aufweist, ausgebildet sein.
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Im Inneren des Scheinwerfergehäuses 2 ist zumindest ein Lichtmodul 4 angeordnet, wobei in der Zeichnung beispielhaft lediglich ein Lichtmodul 4 gezeigt ist. Das Lichtmodul 4 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als ein Modul mit Lichtquelle und Reflektoren ausgebildet; in anderen Ausführungsformen können anstelle oder zusätzlich zu dem Reflektor auch Linsen und/oder Lichtleitkörper vorgesehen sein. Das Lichtmodul 4 umfasst mindestens eine Lichtquelle 5, beispielsweise zwei oder mehr Lichtquellen, beispielsweise in Form von Halbleiter-Lichtquelle(n), zum Aussenden von Licht in einem für das menschliche Auge sichtbaren Wellenlängenbereich. Die Lichtquellen 5 sind vorzugsweise als Leuchtdioden (LED) ausgebildet, die weißes Licht aussendet. Das von den Halbleiterlichtquellen 5 ausgesandte Licht wird mittels einer Primäroptik 6 gebündelt und zur Erzeugung einer vorgegebenen Lichtverteilung in Lichtaustrittsrichtung 7 auf eine Fahrbahn vor dem Fahrzeug reflektiert. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Primäroptik 6 als Reflektor, z.B. sogenannter Halbschalenreflektor ausgebildet. Jede Lichtquelle 5 ist auf einem Träger 8 positioniert und elektrisch kontaktiert. Jeder Träger 8 ist seinerseits auf einem Kühlkörper 9 befestigt, der zum Abführen der von der Lichtquelle 5 während des Betriebs erzeugten Wärme dient. Diese Wärme, die an das Innere des Gehäuses 2 abgegeben wird, reicht jedoch in der Regel nicht aus, um die Abdeckscheibe 11 so weit zu erwärmen, dass dadurch ihre Außenfläche 10 auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen abgetaut würde.
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Gemäß der Erfindung ist in dem Scheinwerfer S ein Abtausystem T zum Enttauen/Enteisen des Scheinwerfers, genauer gesagt der Abdeckscheibe 11, vorgesehen. Das System besteht aus einem Emitter 12, der eine Strahlung R erzeugt, sowie einer Einkoppeleinrichtung 13, die eine Einspeisung der Strahlung aus dem Emitter 12 in die Abdeckscheibe 11 und darin tangentiale Lichtleitung der Strahlung R bewirkt.
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Als Emitter 12 dient z.B. eine Infrarot-LED oder ein IR-Laser. Die von dem Emitter 12 ausgestrahlte Strahlung R fällt direkt auf eine Einkoppelfläche 14 der Einkoppeleinrichtung 13 und/oder wird auf diese mithilfe eines Reflektors 15 gelenkt (oder anderen nicht gezeigten optischen Mitteln gebündelt), und tritt dort in die Einkoppeleinrichtung 13 ein. Die Strahlung R wird durch die Einkoppeleinrichtung 13 weiter in die Abdeckscheibe 11 geleitet. Dadurch wird die Strahlung R tangential in die Abdeckscheibe eingekoppelt, was durch den Pfeil 17 illustriert ist. Durch die Totalreflexion in der Abdeckscheibe 11 wird die Strahlung R nicht oder nur in geringem Maße (im sauberen Zustand der Außenfläche 10) nach außen ausgekoppelt. In anderen Ausführungsvarianten kann die Einkopplung der Strahlung direkt in die Ausbreitungsrichtung ohne Spiegel erfolgen.
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Natürlich sind vielfältige Abwandlungen des erfindungsgemäßen Abtausystems möglich. So kann in einer Variante T' des Abtausystems vorgesehen sein, dass die Strahlung R von dem Emitter 12' unmittelbar (d.h. ohne dazwischen liegende optische Elemente) in die Einkoppeleinrichtung 13' geleitet wird. Die Einkoppeleinrichtung kann auch Spiegelelement(e) 16 beinhalten, um das Licht effizient entlang einer gewünschten Richtung (Pfeil 17) in die Abdeckscheibe 11 zu leiten.
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Außerdem kann ein Sichtschutz 18 vorgesehen sein, der zumindest für die Strahlung R undurchlässig ist und zwischen dem Emitter 12 und der Abdeckscheibe 11 angeordnet ist. Durch diesen Sichtschutz kann die Strahlung R nicht nach außen abgestrahlt werden; ist der Sichtschutz auch für sichtbares Licht undurchlässig, ist zudem die Abtaueinrichtung T für den Betrachter von außen nicht sichtbar. Der Sichtschutz 18, der beispielsweise als vorgeformte, lichtundurchlässige Folie ausgebildet sein kann, kann neben der Abtaueinrichtung T auch andere Teile des Scheinwerfer-Inneren abdecken, beispielsweise den gesamten Scheinwerferhintergrund mit Ausnahme des Lichtmoduls 4.
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Die Strahlung R wird in der Abdeckscheibe bevorzugt im Wesentlichen tangential zu einer Außenfläche 10 der Abdeckscheibe geführt, nämlich in einem derart flachen Winkel zur Außenfläche 10, dass (zumindest im Fall einer belagsfreien Außenfläche) Totalreflexion eintritt. Anstelle von Totalreflexion kann ein ausreichend hoher Reflexionsgrad ausreichen, sofern dieser ausreichend ist, um den zu enttauenden Bereich der Außenfläche 10, der von Belägen freigehalten werden soll, zu beleuchten und mittels der so zugeführten Lichtenergie gegebenenfalls anhaftende Wasser/Eisbeläge zu erwärmen. Mit anderen Worten, in der Abdeckscheibe 11 kommt es im Wesentlichen zu einer Ausbreitung 17 der Strahlung quer zur Richtung 7 des Durchtritts des sichtbaren Lichts.
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Wie in 2 illustriert ist, breitet sich die Strahlung R innerhalb der Abdeckscheibe 11 aus. Bei einer sauberen Abdeckscheibe 11 verbleibt die Strahlung durch Totalreflexion an den Oberflächen der Abdeckscheibe 11 die Strahlung innerhalb der Streuscheibe, es kommt zu keiner Auskopplung. Sobald sich jedoch wässrige Ablagerungen P, z.B. ein Tropfen Wasser, an der Oberfläche anlegen, ändert sich der Brechungsindex an der Außenfläche 10. Dadurch wird die Strahlung in den Tropfen P ausgekoppelt und dort absorbiert. Dadurch kommt es zu einer Abstrahlung der Strahlungsenergie, die auf die Bereiche konzentriert ist, in denen tatsächlich eine Abscheidung oder Filmbildung von Wasser oder Eis auftritt. Somit erreicht die Erfindung eine effiziente Ausnutzung der Energie der Strahlung R.
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Die erfindungsgemäße Abtaueinrichtung T, T' kann bei Bedarf aktiviert werden, zugleich mit dem Betrieb des Scheinwerfers und/oder des Fahrzeugs eingeschaltet werden, oder dauerhaft in Betrieb sein. Beispielsweise kann die Abtaueinrichtung von dem Fahrer des Fahrzeugs über ein zugeordnetes Bedienelement eingeschaltet werden. Auch ein automatisches Einschalten ist möglich, beispielsweise ausgelöst von einer (in den Figuren nicht gezeigten) Sensoreinrichtung, die erkennt, ob sich auf der Abdeckscheibe des Scheinwerfers Ablagerungen befinden. Beispielsweise kann bei einem Scheinwerfersystem mit einer Kamera das vom Scheinwerfer erzeugte Lichtbild mit einem Sollbild (der Lichtverteilung, Helligkeit od.dgl.) abgeglichen werden, und wenn eine Abweichung (über einen eingestellten Schwellwert hinaus) detektiert wird, wird die Abtaueinrichtung für eine einstellbare Zeitdauer oder bis zum Erreichen des gewünschten Sollbilds aktiviert. Eine andere effiziente Ausbildung ist die Koppelung an einen Temperatursensor, der die Temperatur im Scheinwerfer und/oder im Bereich unmittelbar vor der Abdeckscheibe misst, und die Abtaueinrichtung aktiviert, wenn die gemessene Temperatur unter einem Schwellwert, z.B. 0°C, liegt; in ähnlicher Weise kann auch ein Feuchtigkeitssensor verwendet werden. Natürlich können zum Einschalten/ Aktivieren der Abtaueinrichtung auch Kombinationen der genannten Maßnahmen vorgesehen werden.
