DE102017205723A1

DE102017205723A1 - Scannender Scheinwerfer für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102017205723A1
Application number: DE102017205723.8A
Authority: DE
Inventors: Stefan Miemietz
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2017-04-04
Filing date: 2017-04-04
Publication date: 2018-10-04
Also published as: KR20180112714A; KR102122329B1; US20180283640A1; CN108844035A

Abstract

Ein scannender Scheinwerfer für ein Kraftfahrzeug umfasst eine Lichtquelle und eine Projektionsoptik, wobei die Lichtquelle einen Lichtstrahl entlang der optischen Achse des Scheinwerfers erzeugt. Weiterhin umfasst der Scheinwerfer ein bewegliches optisches Element, welches zwischen der Lichtquelle und der Projektionsoptik angeordnet ist, wobei eine Bewegung des beweglichen optischen Elements gegenüber der optischen Achse eine Auslenkung des Lichtstrahls aus der optischen Achse heraus erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft einen scannenden Scheinwerfer für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derzeit wird nach Technologien gesucht, mit denen sich ein hochauflösender Frontscheinwerfer für einen Pixelbeam effizient, günstig und für ein Kraftfahrzeug geeignet realisieren lässt. Ein dafür in Betracht kommendes Verfahren ist, die Fläche nicht permanent auszuleuchten, wie dies mit einem klassischen Scheinwerfer erfolgt, sondern einen oder mehrere Lichtstrahlen sehr schnell über die zu beleuchtende Fläche zu lenken, so dass die Bewegung für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar ist, und während der Bewegung die Intensität des Lichtquelle anzupassen, so dass die gewünschte Intensitätsverteilung über der auszuleuchtenden Fläche entsteht. Ein derartiger Scheinwerfer wird als scannender Scheinwerfer bezeichnet.
Bekannt sind scannende Scheinwerfer auf der Basis von beweglichen Mikrospiegeln. Diese Spiegel müssen technologiebedingt sehr klein ausgeführt werden, da ansonsten die notwendigen schnellen Schwingungen nicht möglich sind, wobei es unerheblich ist, ob die Schwingung resonant oder erzwungen erfolgt. Kleine Spiegelflächen haben aber keine Möglichkeit die bei hohen Laserleistungen auf kleiner Fläche zwangsläufig entstehende Wärme abzuführen, da der Reflexionsgrad derartiger Spiegel kleiner als 100% ist.
Ferner sind rotierende Spiegelprismen bekannt, wie sie beispielsweise in Kassensystemen zum Einsatz kommen. Bei dieser Technik sind die spiegelnden Flächen groß genug, dass die Abwärme bei großen Laserleistungen handhabbar ist. Allerdings bilden größere, schnell rotierende Systeme einen Kreisel, der in einem sich in allen Freiheitsgraden bewegenden System, wie dies ein Kraftfahrzeug darstellt, extremen Kräften ausgesetzt ist, was zu einem schnellen Verschleiß des rotierenden mechanischen Systems führt.
Ebenfalls bekannt sind optische Bildstabilisatoren in fotografischen Objektiven auf der Grundlage von beweglich gelagerten planparallelen Glasplatten. Diese gleichen durch ein elektronisch gesteuertes Kippen einen seitlichen Versatz der das Objektiv passierenden Lichtstrahlen aus. Dadurch wird einer erschütterungsbedingten Verschiebung des Bildes auf dem Bildsensor entgegengewirkt.
Die Druckschrift AT 514 333 A4 betrifft einen Scheinwerfer für ein Fahrzeug mit mehreren Lichtquellen und einer den Lichtquellen zugeordneten Optik, bei welchem eine erste Leuchteinheit mit zumindest einer Lichtquelle zum Erzeugen eines ersten, dynamisch variablen Leuchtbildes, sowie eine zweite, Laser-Leuchteinheit mit zumindest einer Laserlichtquelle, zumindest einer Strahlablenkeinheit und zumindest einer Lichtkonversionseinheit vorgesehen sind. Die Optik ist zum Zusammenführen des Leuchtbildes der ersten Leuchteinheit und des an der Lichtkonversionseinheit der zweiten, Laser-Leuchteinheit erzeugten Leuchtbildes zu einer Gesamtlichtverteilung auf einer Fahrbahn eingerichtet.
Die Druckschrift DE 10 2012 100 139 A1 betrifft ein Lichtmodul, insbesondere für einen Scheinwerfer eines Fahrzeugs, mit wenigstens einer Laserstrahlquelle und wenigstens einem Konverterelement, das durch die Laserstrahlquelle mit einem Laserstrahl bestrahlbar ist, womit Licht mit einem für eine Fahrzeugbeleuchtung qualifizierten Lichtspektrum durch das Konverterelement in zumindest ein strahlformendes Element abstrahlbar ist. Dabei ist wenigstens ein Trägerelement vorgesehen, an dem das Konverterelement aufgenommen ist und wobei das Konverterelement mit dem Trägerelement wenigstens gegenüber dem strahlformenden Element beweglich ist.
Die Schwachstelle bisheriger scannender Scheinwerfer ist der bewegliche Spiegel. Die für einen Frontscheinwerfer notwendige Lichtmenge lässt sich nicht auf einen Mikrospiegel fokussieren, ohne dass heute verfügbare Spiegel thermisch überlastet werden. Die Verwendung mehrerer Mikrospiegel macht das System größer, störanfälliger und konstruktiv aufwendig, also teuer. Ferner ist die Verwendung großer, schnell schwingender Spiegel aufgrund der mechanischen Belastung im Kraftfahrzeug problematisch.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen kraftfahrzeugtauglichen scannenden Scheinwerfer zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch einen Scheinwerfer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der erfindungsgemäße Scheinwerfer für ein Kraftfahrzeug umfasst eine Lichtquelle und eine Projektionsoptik, wobei die Lichtquelle einen Lichtstrahl entlang der optischen Achse des Scheinwerfers erzeugt. Weiterhin umfasst der Scheinwerfer ein bewegliches optisches Element, welches zwischen der Lichtquelle und der Projektionsoptik angeordnet ist, wobei eine Bewegung des beweglichen optischen Elements gegenüber der optischen Achse eine Auslenkung des Lichtstrahls aus der optischen Achse heraus erzeugt. Auf diese Weise ist es möglich eine veränderliche Lichtverteilung zu erzeugen, indem durch die Bewegung des optischen Elements ein kontrolliertes Scannen des Lichtstrahls nach der Projektionsoptik möglich wird
Vorzugsweise bewirkt die Bewegung des beweglichen optischen Elements eine Auslenkung des Lichtstrahls nach der Projektionsoptik in einem Bereich von 20° bis 30°. Insbesondere erzeugt die Bewegung des beweglichen optischen Elements ein Scannen des Lichtstrahls innerhalb eines vorgegebenen Raumwinkels. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass eine vorgegebene Fläche vor dem Scheinwerfer durch einen 2D-Scan ausgeleuchtet wird.
Vorzugsweise erfolgt die Bewegung des optischen Elements in einem Frequenzbereich von 200 Hz bis 400 Hz. Auf diese Weise wird die zu beleuchtende Fläche ausreichend schnell gescannt, so dass das menschliche Auge die vom scannenden Scheinwerfer beleuchtete Fläche als kontinuierliche Ausleuchtung wahrnimmt.
Weiter bevorzugt ist das bewegliche optische Element berührungslos in veränderlichen Magnetfeldern gelagert, wodurch das schnelle Scannen mit der notwendigen Frequenz einfach erreicht werden kann und die Lagerung verschleißfrei ist.
Vorzugsweise wird das bewegliche optische Element durch eine planparallele Platte gebildet, da diese Lösung in einer kleinen Masse resultiert, die schnell und einfach bewegt werden kann.
Weiter bevorzugt besteht die Bewegung der planparallelen Platte aus einer Verkippung der planparallelen Platte gegenüber der optischen Achse um einen Kippwinkel, da eine Verkippung der planparallelen Platte sich einfach technisch realisieren lässt.
Weiter bevorzugt weist die planparallele Platte eine Dreieckform auf, wobei die dreieckige planparallel Platte in den Ecken aufgehängt ist. Dabei ist ein Aufhängungspunkt passiv und die beiden anderen Aufhängungspunkte sind aktiv ansteuerbar. Auf diese Weise lässt sich eine einfache Aufhängung realisieren und ein 2D-Scannen, d.h. Scannen eines Raumwinkel, kann über die zwei aktiven Aufhängungspunkte definiert realisiert werden, wobei die Position und Verkippung der dreieckigen Platte in zwei Winkel aufgrund des einen passiven Aufhängungspunktes immer kontrollierbar ist.
In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform wird das bewegliche optische Element durch ein Linsensystem gebildet, wobei vorzugsweise die Bewegung des Linsensystems aus einer Translation senkrecht zur optischen Achse besteht. Eine translatorische Bewegung des Linsensystems in zwei Raumrichtungen bewirkt ebenso ein 2D-Scannen des Lichtstrahls nach der Projektionsoptik, wobei translatorische Bewegungen einfacher als Kippbewegungen zu steuern sind.
Weiter bevorzugt wird die Lichtquelle durch einen Laser gebildet. Da die schnellen Bewegungen des beweglichen optischen Elements nur mit kleinen Massen sinnvoll erzeugt werden können, kommen als Lichtquellen nur gut fokussierbare Lichtquellen in Frage, also insbesondere Laserlichtquellen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Dabei zeigt

1 einen scannenden Scheinwerfer mit einer verkippbaren planparallelen Platte als optischem Element, und
2 einen scannenden Scheinwerfer mit einem verschiebbaren Linsensystem als optischen Element

Anhand der 1 wird die prinzipielle Wirkungsweise eines scannenden Scheinwerfers 1 gemäß der Erfindung erläutert, wobei im Folgenden der obere Teil der 1 behandelt wird.
Dabei umfasst der scannende Scheinwerfer 1 eine Lichtquelle 2, vorzugsweise eine Laserlichtquelle, welche einen Lichtstrahl 3 entlang der optischen Achse 4 des scannenden Scheinwerfers 1 ausstrahlt. Dabei passiert der Lichtstrahl 3 ein erstes bewegliches optisches Element, welches in diesem Beispiel durch eine planparallele Platte 5 mit der Symmetrieebene 6 realisiert ist, wobei die Symmetrieebene 6 hier als Symmetrieachse dargestellt ist. Im oberen Teil der 1 ist die planparallele Platte 5 senkrecht zur optischen Achse 4 angeordnet, d.h. die Symmetrieebene 6 der planparallelen Platte 5 steht senkrecht auf der optischen Achse 4 des scannenden Scheinwerfers. Folglich passiert der Lichtstrahl 3 die planparallele Platte 5 ohne Ablenkung und tritt entlang der optischen Achse 4 durch eine nach dem optischen Element 5 angeordnete Linse 7 mit der Symmetrieebene 8, die nicht notwendigerweise aus einer einzelnen Linse besteht, sondern durch als Projektionsoptik dienendes Linsensystem realisiert sein kann.
Im unteren Teil der 1 wird die planparallele Platte 5 um einen Winkel 9 gegenüber der Senkrechten 10 zur optischen Achse 4 verkippt. Die Verkippung der planparallelen Platte 5 um den Winkel 9 bewirkt einen Versatz des Lichtstrahls 3 durch das optische Element 5 aus der optischen Achse 4 heraus, so dass der Lichtstrahl 3 außerhalb der Mitte auf die Linse 7 fällt und nach oben um einen Scanwinkel 13 abgelenkt wird. Die Ablenkung des Lichtstrahls 3 aus der optischen Achse 4 heraus ist eine Funktion des Kippwinkels 9 des als planparallele Platte ausgelegten optischen Elements 5, so dass mittels eines Scannens des Kippwinkels 9 nach der Linse 7 ein Scannen des Lichtstrahls 3 als Funktion des Kippwinkels erfolgt, wie dies durch den Scanwinkel 13 dargestellt ist. Es ist offensichtlich, dass ein Scannen des Lichtstrahls 3 durch das optische Elements 5 in zwei Raumrichtungen, d.h. 2D-Scannen über einen Raumwinkel, eine Ausleuchtung einer Fläche durch den scannenden Scheinwerfers 1 ermöglicht.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines scannenden Scheinwerfers 1, wobei im Folgenden nur die Unterschiede zu der Ausführungsform nach 1 diskutiert werden. In dieser zweiten Ausführungsform wird das bewegliche optische Element durch ein Linsensystem 11 gebildet, welches senkrecht zur optischen Achse 4 in der schematischen Darstellung der 2 translatorisch nach oben und unten bewegt werden kann, wie dies durch den Bewegungspfeil 12 symbolisch dargestellt ist. Im oberen Teil der 2 ist das Linsensystem 11 symmetrisch zur optischen Achse 4 angeordnet, so dass im Linsensystem 11 keine Auslenkung des Lichtstrahls 3 erfolgt und der Lichtstrahl 3 sich daher entlang der optischen Achse des scannenden Scheinwerfers 1 ausbreitet.
Im unteren Teil der 2 ist das Linsensystem 11 nach oben ausgelenkt. Diese translatorische Bewegung 12 führt zu einer Ablenkung des entlang der optischen Achse 4 einfallenden Lichtstrahls 3, so dass der Lichtstrahl 3 außerhalb der optischen Achse 4 auf die als Projektionsoptik dienende Linse 7 fällt und um einen Scanwinkel 13 nach oben abgelenkt wird. Als Funktion der translatorischen Bewegung 12 kann daher ein Scannen des Lichtstrahls 3 um vorgegebene Scanwinkel 13 bewirkt werden. Da die Translation 12 in zwei zur optischen Achse 4 senkrecht stehenden Raumrichtungen ausgeführt werden kann, kann ein 2D-Scannen des Lichtstrahls 3 erreicht werden.
Die durch die beiden oben geschilderten beweglichen optischen Elemente, nämlich planparallele Platte 5 oder Linsensystem 11, bewirkte Auslenkung liegt im Bereich von 20° bis 30 °. Die Verkippung bzw. die translatorische Bewegung erfolgt mit ca. 200 Hz bis 400 Hz um eine Beleuchtung einer Fläche zu erreichen, ohne dass das menschliche Auge die einzelnen abgelenkten Lichtstrahlen 3 auflösen könnte.
Je nach Anforderungen an Art und Umfang der Veränderbarkeit der Lichtverteilung kann es sich sowohl bei der beweglichen optischen Komponente, die in 1 als bewegliche planparallele Platte 5 und in 2 als Linsensystem 11 dargestellt ist, als auch bei der nachfolgenden Projektionsoptik 7, die in den 1 und 2 als Linse 7 dargestellt ist, um komplexe optische Systeme handeln.
Da schnelle Bewegungen in einem Scheinwerfer naturgemäß nur mit kleinen Massen, wie sie hier im Beispiel mit dünnen, kleinen Glasplatten oder kleinen Linsensystemen, erzeugt werden können, kommen als Lichtquelle nur gut fokussierbare Lichtquellen, im allgemeinen Laser, in Betracht.
Das bewegliche optische Element 5, 11 kann auf unterschiedliche Arten gelagert sein. Optimal ist eine berührungslose Lagerung in veränderlichen Magnetfeldern.
Das bewegliche optische Element 5, 11 kann unterschiedliche Formen haben. Dies bezieht sich sowohl auf die Form der Ein- und Austrittsflächen als auch auf die Lage der Flächen zueinander und die Oberflächenkrümmung. Optimal ist eine planparallele Platte 5 in Dreiecksform mit einem passiven und zwei aktiven Aufhängungspunkten in den Ecken.
Die Parallelität gewährleistet minimale Abbildungsfehler, da die Strahlgeometrie weitestgehend erhalten bleibt. Die Aufhängung mit zwei aktiven Punkten und einem passiven Punkt bietet 2D-Ablenkungsmöglichkeiten bei minimalem konstruktivem Aufwand.
Bei Verwendung mehrerer Lichtquellen und mehrerer optischer Elemente 5, 11 können die Lichtquellen vor den optischen Elementen 5, 11 zu einem Strahl vereint werden und diese gemeinsam passieren. Bei dieser Variante bleiben die Abmessungen der optischen Elemente 5, 11 minimal. Alternativ können die Strahlen mehrerer Lichtquellen die gleichen optischen Elemente 5, 11 an unterschiedlichen Stellen durchqueren. Bei dieser Variante werden die optischen Elemente 5, 11 größer, dafür entfällt der Aufwand, die Strahlen vor den optischen Elementen 5, 11 zu überlagern.
Eine Optik zur Verstärkung oder Umsetzung der Ablenkung des Strahls 3 kann entfallen, wenn auf der Abbildungsseite nur minimale Ablenkungen erforderlich sind, wie wenn beispielsweise ein Phosphorplättchen zur Farbkonvertierung strukturiert beleuchtet wird, welches anschließend vergrößert projiziert wird.
Wie bereits oben erläutert ist das bewegliche optische Element 5, 11 nicht auf die Verwendung einer planparallelen Platte 5 begrenzt und eine Verschiebung des Ausgangslichtstrahls 3 ist auch mit einem Linsensystem 11 möglich, bei dem das bewegliche optische Element nicht geneigt, sondern translatorisch verschoben wird. Auch bei diesem Konzept bewirkt bei einer ortsfesten Lichtquelle 2 eine mechanisch verschobene Optik eine Winkeländerung des Strahlengangs.
Bezugszeichenliste

1: Scannender Scheinwerfer
2: Lichtquelle
3: Lichtstrahl
4: optische Achse
5: planparallele Platte
6: Symmetrieachse
7: Linse
8: Symmetrieachse
9: Auslenkwinkel
10: Senkrechte zur optischen Achse
11: Linsensystem
12: Translationsbewegung
13: Scanwinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

AT 514333 A4 [0006]
DE 102012100139 A1 [0007]

Claims

Scheinwerfer (1) für ein Kraftfahrzeug mit einer Lichtquelle (2) und einer Projektionsoptik (7), wobei die Lichtquelle (2) einen Lichtstrahl (3) entlang der optischen Achse(4) des Scheinwerfers (1) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass ein bewegliches optisches Element (5, 10) zwischen der Lichtquelle (2) und der Projektionsoptik (7) angeordnet ist, so dass eine Bewegung des beweglichen optischen Elements (5, 10) gegenüber der optischen Achse (4) eine Auslenkung des Lichtstrahls (3) aus der optischen Achse (4) heraus erzeugt.
Scheinwerfer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Bewegung des beweglichen optischen Elements (5, 10) eine Auslenkung des Lichtstrahls in einem Bereich von 20° bis 30° bewirkt wird.
Scheinwerfer (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des beweglichen optischen Elements (5, 10) ein Scannen des Lichtstrahls (3) innerhalb eines vorgegebenen Raumwinkels erzeugt.
Scheinwerfer (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des optischen Elements in einem Frequenzbereich von 200 Hz bis 400 Hz erfolgt.
Scheinwerfer (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche optische Element (5, 10) berührungslos in veränderlichen Magnetfeldern gelagert ist.
Scheinwerfer (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche optische Element (5, 10) durch eine planparallele Platte (5) gebildet wird.
Scheinwerfer (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der planparallelen Platte (5) aus einer Verkippung der planparallele Platte (5) um einen Kippwinkel (9) besteht.
Scheinwerfer (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die planparallele Platte (5) eine Dreieckform aufweist, wobei die dreieckige planparallele Platte (5) in den Ecken aufgehängt ist, wobei ein Aufhängungspunkt passiv ist und die anderen beiden Aufhängungspunkte aktiv ansteuerbar sind.
Scheinwerfer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche optische Element (5, 11) durch ein Linsensystem (11) gebildet wird.
Scheinwerfer (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Linsensystems (11) aus einer Translation (12) senkrecht zur optischen Achse (4) besteht.
Scheinwerfer (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) durch einen Laser gebildet wird.