-
Die Erfindung betrifft ein Scheinwerfersystem für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Heutige Scheinwerfersysteme weisen üblicherweise die folgenden Eigenschaften auf:
- - in der Nacht erfolgt eine Blendung des Gegenverkehrs,
- - an spiegelnden Flächen erfolgt eine Blendung durch die Reflexion des eigenen Scheinwerferlichts,
- - die Scheinwerfer haben eine relativ geringe Leuchtweite und zwar insbesondere auf der Autobahn sowie in Kurven, und
- - die Steuerung der Lichtverteilung eines Schweinwerfers erfolgt durch bewegliche mechanische Komponenten.
-
Zur Vermeidung von Blendung, ob durch den Gegenverkehr oder durch Reflexion, werden drehbare Walzen, LCDs und DMDs (Digital Mirror Devices) zur Steuerung der Lichtverteilung verwendet. Ferner werden Arrays von Leuchtmitteln eingesetzt, die zur Vermeidung der Blendung einzeln geschaltet werden können, und es existieren Schwenkvorrichtungen, die zur Erzeugung von Kurvenlicht und für die Scheinwerferhöhenverstellung verwendet werden.
-
Einige Lösungen zur Beeinflussung der Lichtverteilung nutzen mechanische Elemente. Andere Lösungen absorbieren nicht benötigtes Licht oder im Falle eines Leuchtmittelarrays werden einzelne Lichtquellen ausgeschaltet. Dadurch sind die Möglichkeiten einer Beeinflussung der Lichtverteilung begrenzt und/oder benötigen bewegliche Bauelemente. Weiterhin müssen Techniken, wie beispielsweise Laser-Scanner, DMDs, LCDs und Leuchtmittelarrays für die Anwendung deutlich mehr Licht vorhalten als benötigt wird, da die Lichtverteilung durch Absorption und/oder Ausschalten gesteuert wird, und darüber hinaus keine Lenkung des Lichtes erfolgt. Folglich müssen deutlich mehr Leuchtmittel vorgehalten werden als für die Anwendung nötig sind.
-
Zur Verbesserung der Beeinflussung der Lichtverteilung wird üblicherweise eine Optimierung der Absorption nicht erwünschten Lichts durchgeführt, wie dies durch DMDs und LCDs bewerkstelligt werden kann. Weiterhin wird die Anzahl einzeln schaltbarer Leuchtmittel erhöht, um eine bessere Auflösung des Scheinwerfersystems zu erreichen. Ein weiterer Ansatz ist die Verwendung von Spiegeln, die einen eindimensionalen oder zweidimensionalen Bereich, d.h. 1D oder 2D, abfahren. Dadurch kann in einer höheren Auflösung das Licht moduliert werden und die Lichtverteilung kann durch das Ausschalten des bzw. der Leuchtmittel gesteuert werden. Bei allen Lösungen muss jedoch für jede mögliche Variante der Lichtverteilung lokal die maximal mögliche Helligkeit technisch vorgehalten werden.
-
Die Druckschrift
WO 2008/120122 A2 betrifft eine Vorrichtung zum Konstruieren einer Wellenfront mittels eines räumlichen Lichtmodulators, als
SLM bezeichnet, der eingangsseitig mit einem kollimierten Laserstrahl beaufschlagt wird und ausgangsseitig eine reproduzierte Wellenfront ausgibt, wobei ein optischer Tiefpassfilter Artefakte entfernt. Der räumliche Lichtmodulator
SLM umfasst eine Vielzahl von einzelnen LCD-Zellen, wobei jede LCD-Zelle einen Polarisator, eine ansteuerbare LCD-Einheit und einen Analysator umfasst, so dass das einfallende Licht von der LCD-Zelle aufgrund der Ansteuerung der LCD-Einheit moduliert wird. Der räumliche Lichtmodulator
SLM wird dabei von einer Steuereinheit angesteuert, die mit der Matrix einer vorgegebenen Wellenfront beaufschlagt wird, so dass die vorgegebene Wellenfront ausgangsseitig reproduziert wird.
-
Die Druckschrift
WO 2015/054797 A1 betrifft ein System zum dynamischen Umverteilen von Licht einer oder mehrerer Lichtquellen zur Erzeugung eines gewünschten Lichtfelds. Dabei beinhaltet das dynamische Umverteilen ein Auskoppeln von Licht eines Gebiets eines Lichtfelds und das Einkoppeln dieses Lichts in ein anderes Gebiet des Lichtfelds. Ein derartiges lichtumverteilendes Projektionssystem umfasst eine Datenverarbeitungseinheit, ein Softwareprogramm, ein oder mehrere Lichtquellen und einen Lichtsteuerungsmechanismus, der ein oder mehrere dynamisch adressierbare optische Elemente aufweist. Der Lichtsteuerungsmechanismus kann ferner eine oder mehrere statische optische Elemente, wie beispielsweise Linsen, Spiegel, optische Fasern, Lichtleitern oder dergleichen in dem optischen Weg aufweisen. Die dynamisch adressierbaren optischen Elemente sind üblicherweise als räumliche Lichtmodulatoren, d.h. SLMs, ausgebildet.
-
Die Druckschrift
US 2015/0009 695 A1 betrifft eine Leuchteinrichtung, die einen steuerbaren Lichtstrahl zum Ausleuchten einer Szenerie erzeugt. Dabei umfasst die Einrichtung einen adressierbaren räumlichen Lichtmodulator, der eine wählbare Phasenverzögerung einem einfallenden Lichtstrahl aufprägt. Weiter umfasst die Einrichtung eine Fourier-Optik zum Aufnehmen des Lichts aus dem räumlichen Modulator und zum Formen einer Lichtverteilung. Eine Projektionsoptik projiziert die Lichtverteilung, um den steuerbaren Lichtstrahl in Form eines Beleuchtungsmuster zu erzeugen.
-
Die Druckschrift
DE 10 2008 022 795 A1 beschreibt einen Kfz-Scheinwerfer mit zumindest einem Halbleiterlaser als Lichtquelle des Kfz-Scheinwerfers und zumindest einem Lichtmodulator, der die Abstrahlcharakteristik des vom Halbleiterlaser abgestrahlten Lichts in vorgegebener Weise verändert.
-
Die Druckschrift
US 2008/0198 372 A1 beschreibt eine Fahrzeug mit einer Lichtquelle zum Emittieren von Licht und einer Einrichtung zum Erzeugen eines Bildpixels in einem erzeugten Bild vor dem Fahrzeug. Das von dem Scheinwerfer projizierte Bild kann den Fahrer mit Informationen versorgen, die beispielsweise auf der Fahrbahn dargestellt werden, auf der sich das Fahrzeug bewegt.
-
Die Druckschrift
DE 10 2015 221 240 A1 betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine oder mehrere Lichtquellen sowie eine optischen Einrichtung, welche derart ausgestaltet ist, dass aus einem oder mehreren Lichtbündeln, deren Licht von jeweiligen Lichtquellen stammt, eine erste Lichtverteilung in einer Zwischenbildebene erzeugt wird und dass aus der ersten Lichtverteilung eine zweite Lichtverteilung in der Form einer Ziellichtverteilung vor der Beleuchtungsvorrichtung generiert wird. Die optische Einrichtung umfasst einen oder mehrere räumliche Phasenmodulatoren, auf welche jeweils zumindest ein Lichtbündel fällt und welche elektrisch ansteuerbar sind, um eine Phasenmodulation des zumindest einen darauf fallenden Lichtbündels variabel einzustellen, wobei der oder die räumlichen Phasenmodulatoren im Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung derart angesteuert werden, dass ausschließlich eine Phasenmodulation des oder der Lichtbündel durchgeführt wird und im Wesentlichen der gesamte Lichtstrom am jeweiligen Phasenmodulator nach Passieren des zumindest einen darauf fallenden Lichtbündels in der ersten Lichtverteilung enthalten ist.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Scheinwerfersystem für ein Kraftfahrzeug zu schaffen.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Scheinwerfersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Der erfindungsgemäße Scheinwerfer für ein Kraftfahrzeug umfasst einen ansteuerbaren räumlichen Lichtmodulator und mindestens eine Laserlichtquelle, wobei der von der mindestens einen Laserlichtquelle erzeugte Lichtstrahl auf den räumlichen Lichtmodulator einfällt, so dass der vom räumlichen Lichtmodulator ausfallende Lichtstrahl eine gegenüber dem einfallenden Lichtstrahl veränderte Lichtverteilung aufweist, die eine Funktion der Ansteuerung des räumlichen Lichtmodulators ist.
-
Dabei wird zur Erzeugung weißen Scheinwerferlichts der räumliche Lichtmodulator mit zwei oder drei Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängenbereiche, d.h. unterschiedlicher Farben, beaufschlagt und die Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängenbereiche, d.h. Farben, werden so miteinander überlagert, dass sich weißes Licht ergibt, wobei die Überlagerung der zwei oder drei Lichtstrahlen nach dem räumlichen Lichtmodulator erfolgt. Dabei wird der räumliche Lichtmodulator über unterschiedliche Winkel mit den verschiedenen Lichtstrahlen ausgeleuchtet.
-
Weiter bevorzugt ändert der räumliche Lichtmodulator die Phase des einfallenden Lichts als Funktion des Inzidenzbereichs. Mit anderen Worten, als Funktion des Einfallortes auf dem räumlichen Lichtmodulator wird die Phase des einfallenden Lichts verändert, was zu einer Veränderung der Lichtverteilung im ausfallenden Lichtstrahl führt.
-
Weiter bevorzugt ist der abgehende Lichtstrahl ein vom räumlichen Lichtmodulator reflektierter Lichtstrahl. Mit anderen Worten, der räumliche Lichtmodulator wird in Reflexion betrieben.
-
Im Vergleich zu bisherigen Scheinwerfersysteme erfolgt durch die Nutzung eines ansteuerbaren räumlichen Lichtmodulators eine effektive Lichtverteilung und die Benutzung von mechanischen Komponenten für eine Lichtlenkung wird überflüssig.
-
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. Dabei zeigt
- 1 das Prinzip der Lichtlenkung mittels eines räumlichen Lichtmodulators,
- 2 eine erste Ausführungsform eines Scheinwerfersystems mit einem räumlichen Lichtmodulator,
- 3 ein weiteres Beispiel eines Scheinwerfersystems mit einem räumlichen Lichtmodulator (nicht zur Erfindung gehörend), und
- 4 eine weitere Ausführungsform eines Scheinwerfersystems mit einem räumlichen Lichtmodulator (nicht zur Erfindung gehörend).
-
1 zeigt das Prinzip der Lichtlenkung mittels eines räumlichen Lichtmodulators SLM zur Realisierung eines Scheinwerfers SW. Das Licht eines Lasers L wird mittels einer geeigneten Optik O aufgeweitet und in einen Lichtstrahl S mit einer vorgegebenen Lichtverteilung geformt, der auf einen ansteuerbaren räumlichen Lichtmodulator SLM fällt. Der räumliche Lichtmodulator SLM verändert je nach Ansteuerung die Lichtverteilung im Strahl S, so dass der Lichtstrahl S nach dem räumlichen Lichtmodulator SLM als Funktion der Ansteuerung eine veränderte Lichtverteilung LV aufweist.
-
Mit anderen Worten, der räumliche Lichtmodulator SLM bewirkt durch die veränderte Lichtverteilung eine Lichtlenkung, wobei der räumliche Lichtmodulator SLM die Phase und/oder die Amplitude des einfallenden Lichtstrahls S modulieren kann. Insbesondere ein räumlicher Lichtmodulator SLM, der die Phase von Licht moduliert, kann theoretisch bis 98% des auf den räumlichen Lichtmodulator SLM einfallenden Lichts des Lichtstrahls S modulieren und anhand der Veränderung der Lichtverteilung daher lenken.
-
2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Scheinwerfers SW mit drei Laserlichtquellen L1, L2, L3 für einen reflektierend wirkenden räumlichen Lichtmodulator SLM, wobei zur Erzeugung eines weißen Scheinwerferlichtes eine Kombination von mindestens zwei, typischerweise drei Laserlichtquellen notwendig ist. Dabei können die Laserlichtquellen L1, L2 und L3 als Diodenlaser ausgebildet sein oder aber es können fasergekoppelte Laser Verwendung finden. Die divergenten Lichtstrahlen S1, S2, S3 der Laserlichtquellen L1, L2, L3 werden durch die Optiken O1, O2 und O3 aufgeweitet und auf die gewünschte Divergenz gebracht. Alle drei Lichtquellen L1, L2, L3 leuchten mit den Strahlen S1, S2, S3 den räumlichen Lichtmodulator SLM ganz oder optional auch nur in Teilen aus. Die vom räumlichen Lichtmodulator SLM reflektierten und räumlich modulierten Lichtstrahlen S1, S2, S3 werden durch die Optiken O11, O21 und O31 auf die gewünschte Weite aufgeweitet und gegebenenfalls können ungewünschte Beugungsordnungen durch entsprechende Masken ausgeblendet werden. Mit Hilfe weiterer Optiken O12, O22 und O32, die beispielsweise durch dichroitische Spiegel realisiert sein können, werden die Lichtverteilungen der reflektieren Lichtstrahlen S1, S2, S3 in Deckung gebracht und zu einem einheitlichen Ausgangslichtstrahl S123 vereint bzw. überlagert. Mit der abschließenden Optik O123 wird nun optional der Ausgangslichtstrahl S123 auf die gewünschte Weite aufgeweitet. Der Grund für die abschließende Optik O123 liegt darin begründet, dass der maximale Ablenkungswinkel des räumlichen Lichtmodulators SLMs je nach Anwendung gegebenenfalls nicht ausreicht, so dass der ausgeleuchtete Bereich mit Hilfe der Optik O123 vergrößert wird. Licht, welches durch die ungewünschten Beugungsordnungen entsteht, kann auch dazu genutzt werden eine Scheinwerferlichtsignatur zu erzeugen oder das direkte Vorfeld des Fahrzeugs auszuleuchten.
-
Die besondere Herausforderung besteht darin einen Aufbau zu wählen, der es ermöglicht zwei oder drei Laserquellen L1, L2, L3 mit unterschiedlichen Wellenlängen zu kombinieren und mit einem räumlichen Lichtmodulator SLM effizient zu steuern. Dabei ist insbesondere zu beachten, dass durch die unterschiedlichen Wellenlängen der Phasenbereich von 2π je Wellenlänge variiert und der jeweilige maximale Winkel zur Lichtlenkung unterschiedlich ist. Daher wird in dem Aufbau der jeweilige Strahlengang der Lichtstrahlen S1, S2, S3 der Lichtquellen L1, L2, L3 so gewählt, dass vor und nach dem räumlichen Lichtmodulator SLM jeweils durch separate Optiken O11 bis O31 dieser Effekt ausgeglichen werden kann. Danach folgt dann im dargestellten Beispiel über dichroitische Spiegel O12, O22, O32 ein Kombinieren der Strahlen S12, S2, S3 zu einem weißen Lichtstrahl S123, welcher durch die abschließende Optik O123 in geeigneter Form aufgeweitet und kollimiert wird.
-
Die Verwendung eines räumlicher Lichtmodulators SLM ermöglicht das effiziente Lenken und/oder Verteilen von Licht. Dadurch wird es möglich die mechanische Lenkung von Licht zu ersetzen sowie die bisherigen Verfahren zum Unterdrücken von ungewünschter Lichtemission durch das Lenken von Licht an die gewünschten Stellen zu ersetzen. Ferner wird ein räumlicher Lichtmodulator SLM für mehrere Laserlichtquellen L1, L2, L3 eingesetzt. Zur Verbesserung der System-Effizienz wird hierbei der räumliche Lichtmodulator SLM über unterschiedliche Winkel mit den verschiedenen Lichtquellen L1, L2,L3 ausgeleuchtet, so dass für jede Wellenlänge die Strahlaufweitung und Strahlformung optimiert werden kann.
-
Diese Ausführungsform eines Scheinwerfers SW auf der Basis eines steuerbaren räumlichen Lichtmodulators bietet einen Vorteil für die Gesamteffizienz des Systems, da sich durch die Strahlzusammenführung nach dem räumlichen Lichtmodulator SLM im optischen Weg die einzelnen Wellenlängen effektiver formen lassen.
-
3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Scheinwerfers basierend auf einem räumlichen Lichtmodulator SLM. Hierbei werden die von den Laserlichtquellen L1, L2 und L3 durch die Aufweitungsoptiken O1, O2 und O3 erzeugten Lichtstrahlen S1, S2 und S3 durch beispielsweise dichroitische Spiegel O21 und O31 bereits im Vorfeld zu einem gemeinsamen Lichtstrahl S123 kombiniert und leuchten den räumlichen Lichtmodulator SLM aus. Da von einem räumlichen Lichtmodulator SLM für jede Lichtquelle L1, L2, L3 aufgrund der optischen Dispersion ein unterschiedliches Bild erzeugen wird, muss mit Hilfe von weiteren Optiken O12, O22 und O32, welche durch Volumenhologrammen realisiert sein können, dieser Effekt korrigiert werden. Des Weiteren kann bereits in diesen Elementen O12, O22, O32 eine Strahlaufweitung erfolgen oder die Strahlaufweitung erfolgt nachgelagert durch eine geeignete Optik O123.
-
Eine weitere Möglichkeit wäre bei der Ausführungsform des Scheinwerfers SW nach 3 je Laser L1, L2, L3 einen unterschiedlichen Teil des räumlichen Lichtmodulators SLM auszuleuchten. Die Kombination der unterschiedlichen Wellenlängen und das daraus resultierende weiße Licht erfolgt im Fernfeld. Der Vorteil, mit jeweils einer Laserlichtquelle L1, L2, L3 nur einen unterschiedlichen Teil des SLM auszuleuchten, liegt darin, dass der jeweilige Teilbereich des räumlichen Lichtmodulators SLM für jede Wellenlänge optimiert werden kann. Ferner kann in den Optiken O12, O22, O32 auch eine Funktion für die Nutzung der eigentlich ungewünschten höheren Beugungsortungen umgesetzt werden.
-
4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines auf einem räumlichen ansteuerbaren Lichtmodulator SLM basierenden Scheinwerfers SW. Hierbei wird zur Lichterzeugung nur eine Laserlichtquelle L1 genutzt, beispielsweise ein blauer Laser, dessen Licht mittels einer Optik O1 in einen Lichtstrahl S geformt wird, der auf einen ansteuerbaren räumlichen Lichtkonverter SLM fällt. Über eine weitere Optik O2 wird das am räumlichen Lichtmodulator reflektierte Licht auf einen Lumineszenzkonverter K geleitet, der einen Teil des einfallenden Lichts in eine andere Farbe, beispielsweise Gelb, oder weitere Farben umwandelt, so das in der Summe wieder weißes Licht entsteht, welches durch eine nachfolgenden Optik O123 in die gewünschte Form gebracht wird. Diese Art der Bilderzeugung wird auch öfters zum Erzeugen von weißem Licht genutzt. Durch den Einsatz eines räumlichen Lichtmodulators SLM kann das Licht effektiv gelenkt werden, um gezielt einzelne Stellen auf dem Lumineszenzkonverter K anzuregen, welcher direkt im Zentrum der Optik O2 steht. Die besondere Herausforderung diesen Aufbaus besteht in der effektiven Nutzung des in allen Richtungen abstrahlenden Lichts des Lumineszenzkonverters K. Es ist möglich, das einfallende Licht jeweils genau in die Fokuspunkte eines Linsenarrays O2, das mit einem Lumineszenzkonverter K eine Einheit bildet, zu lenken und zu verteilen. Durch den Einsatz nur einer Wellenlänge bietet diese Lösung auch großes Potential für eine effektive Umsetzung eines Scheinwerfersystems mit hohen Freiheitsgraden in der Lichtverteilung.
-
Bezugszeichenliste
-
- SW
- Scheinwerfer
- L
- Laser
- O
- Optik
- S
- Lichtstrahl
- SLM
- Räumlicher Lichtmodulator (Spatial Light Modulator)
- LV
- Lichtverteilung
- L1
- Laser 1
- L2
- Laser 2
- L3
- Laser 3
- O1
- Optik 1
- O2
- Optik 2
- O3
- Optik 3
- S1
- Strahl Laser 1
- S2
- Strahl Laser 2
- S3
- Strahl Laser 3
- O11
- Optik 1 Strahl 1
- O12
- Optik 2 Strahl 1
- O21
- Optik 1 Strahl 2
- O22
- Optik 2 Strahl 2
- O31
- Optik 1 Strahl 3
- O32
- Optik2 Strahl 3
- O123
- Optik Strahlen 1, 2 und 3
- K
- Luminiszenzkonverter
