DE102017209730B4

DE102017209730B4 - Beleuchtungsvorrichtung mit einer lichtquelle zur emission von beleuchtungslicht und verwendung derselben

Info

Publication number: DE102017209730B4
Application number: DE102017209730.2A
Authority: DE
Inventors: Jan Oliver Drumm; Michael Rosenauer; Benjamin Dollinger
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2017-06-08
Filing date: 2017-06-08
Publication date: 2021-05-27
Anticipated expiration: 2037-06-09
Also published as: DE102017209730A1; US20180356063A1; US10330275B2

Abstract

Beleuchtungsvorrichtung miteiner Lichtquelle (2) zur Emission eines Beleuchtungslichts (3),einem Mikrospiegel-Array (30) mit einer Mehrzahl Mikrospiegelaktoren (1),einer Beleuchtungsoptik (8) undeiner optischen Sensoreinheit (7),wobei das von der Lichtquelle (2) emittierte Beleuchtungslicht (3) auf die Mikrospiegelaktoren (1) geführt und an diesen reflektiert wird und mit der Reflexion im zeitlichen Integral- ein Ein-Strahlenbündel (9) von den Mikrospiegelaktoren (1) in einer jeweiligen Ein-Kippstellung über die Beleuchtungsoptik (8) zu einer Beleuchtungsanwendung reflektiert wird und- ein Aus-Strahlenbündel (10) von den Mikrospiegelaktoren (1) in einer jeweiligen Aus-Kippstellung neben die Beleuchtungsoptik (8) reflektiert wird,wobei ein in dem Aus-Strahlenbündel (10) enthaltener Teil des Beleuchtungslichts (3) zumindest anteilig auf die optische Sensoreinheit (7) geführt wird,- einer Steuereinheit (31) zur Ansteuerung des Mikrospiegel-Arrays (30), die derart eingerichtet ist, dass ein jeweiliger Mikrospiegelaktor (1), wenn er sich in einer Betriebsperiode in der Ein-Kippstellung befindet, während dieser Betriebsperiode gleichwohl auch in einem jeweiligen Zeitpunkt in die Aus-Kippstellung gebracht wird,- einer Auswerteeinheit (32), die dazu eingerichtet ist, in der Betriebsperiode ausschließlich die sich in der Betriebsperiode in der Ein-Kippstellung befindlichen Mikrospiegelaktoren (1) auszuwerten, nämlich wenn sie in einem jeweiligen Zeitpunkt in die Aus-Kippstellung gebracht werden,wobei die Lichtquelle (2) das Beleuchtungslicht (3) an einer Abstrahlfläche (24) mit einer Ortsverteilung emittiert, die mit einer Ortsverteilung auf dem Mikrospiegel-Array (30) korreliert, und die Auswerteeinheit (32) der Beleuchtungsvorrichtung dazu eingerichtet ist, durch ein zumindest gruppenweise sequenzielles Auswerten der Mikrospiegelaktoren (1) eine Abweichung in der Emission an der Abstrahlfläche (24) ortsaufgelöst zuzuordnen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer Lichtquelle zur Emission von Beleuchtungslicht, einem Mikrospiegel-Array und einer Beleuchtungsoptik.
Stand der Technik
Ein Mikrospiegel-Array ist aus einer Vielzahl matrixförmig angeordneter Mikrospiegel aufgebaut, die als Aktoren unabhängig voneinander schalt- und damit verkippbar sind. Bei Projektionsanwendungen werden solche Mikrospiegel-Arrays als Bildgeber genutzt. Es entspricht also jeder Mikrospiegelaktor einem Pixel, wobei je nach Kippstellung das in jeweiligen Zeitpunkten darauf fallende Licht bestimmter Farbe (z. B. Rot, Grün und Blau) zur Bildgebung in einem Ein-Strahlenbündel auf die Projektionsfläche weitergeleitet wird, oder in einem Aus-Strahlenbündel auf einen Absorber (Beam Dump) geführt und „vernichtet“ wird.
Die EP 2 767 751 A1 offenbart ein Beleuchtungssystem mit einem optischen Abbildungssystem, das weißes Licht von einem Wellenlängenkonversionselement empfängt und das Licht vor ein Fahrzeug projiziert. Das Wellenlängenkonversionselement ist nahe einer Fokalebene des Abbildungssystems angeordnet. Das Abbildungssystem und ein Abtastsystem sind auf derselben reflektierenden Seite eines Spiegels des Wellenlängenkonversionselements angeordnet. Ein Reflektor ist an einer Kante der Abtastvorrichtung angeordnet und reflektiert das Licht zu einer Detektoreinheit.
Die DE 10 2014 017521 A1 offenbart eine Beleuchtungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einer Laserlichtquelle und einem Wellenlängenkonversionselement, das Anregungsstrahlung von der Laserlichtquelle konvertiert. Die Beleuchtungseinrichtung weist eine Mikrospiegelanordnung mit einer Mehrzahl an Mikrospiegeln auf, die beweglich relativ zum Wellenlängenkonversionselement angeordnet sind, um vom Wellenlängenkonversionselement emittierte Strahlung zu reflektieren.
Die DE 10 2016 209648 A1 offenbart eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer Leuchteinrichtung und einer Spiegeleinrichtung, die mindestens einen schwenkbaren Spiegel zum Lenken von Licht von den Lichtquellen der Leuchteinrichtung aufweist, wobei bei einem ersten Schwenkzustand des Spiegels eine betriebsgemäße Nutzung des Lichts erfolgt und bei einem zweiten Schwenkzustand das Licht auf einen Absorber gelenkt wird, der einen Sensor zur Funktionsfähigkeitsüberprüfung der Beleuchtungsvorrichtung aufweist.
Darstellung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Beleuchtungsvorrichtung anzugeben, die eine Lokalisierung einer Schädigung auf einer Lichtabstrahlfläche ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird dies mit einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei in der Darstellung nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verfahrens- bzw. Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen.
Ein Überwachen der Lichtquelle kann bspw. von Interesse sein, um ein unerwünschtes Austreten von Strahlung mit hoher Strahldichte in einem Fehlerfall, etwa bei einer beschädigten Lichtquelle, erkennen und vermeiden zu können. Die Lichtquelle kann bspw. eine Pumpstrahlungsquelle und ein Leuchtstoffelement zur zumindest anteiligen Konversion der Pumpstrahlung aufweisen (siehe unten im Detail), und es könnte bei einem beschädigten, etwa gebrochenen/gerissenen Leuchtstoffelement, die in der Regel gebündelte Pumpstrahlung zur Beleuchtungsanwendung hin austreten. Dies kann beleuchtungsanwendungsseitig ein erhebliches photobiologisches Risiko darstellen, etwa für einen Betrachter eine Schädigung der Netzhaut und schlimmstenfalls einen Verlust der Sehkraft zur Folge haben. Bei der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung kann bspw. eine Auswerteeinheit, die eine Unregelmäßigkeit in dem Messsignal der Sensoreinheit feststellt, eine Steuereinheit der Lichtquelle zumindest zu einer Leistungsreduktion oder auch einem vollständigen Abschalten veranlassen.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Beleuchtungsvorrichtung liegt im Bereich der Kfz-Beleuchtung, insbesondere Außenbeleuchtung in einem Frontscheinwerfer. Hieraus können sich einerseits besonders strenge Sicherheitsanforderungen ergeben; andererseits kann die Lichtquelle auch einem besonderen Anforderungsprofil ausgesetzt sein, etwa aufgrund der Temperaturschwankungen, mechanischen Vibrationen etc. Bei einer Lichtquelle mit Leuchtstoffelement kann sich dieses mitunter auch im Gesamten aus einer mechanischen Halterung oder von einem Träger lösen, etwa aufgrund einer versagenden Fügeverbindungsschicht. Auch in diesem Fall könnte sich die Pumpstrahlung gebündelt zur Beleuchtungsanwendung hin ausbreiten. Im Übrigen muss sich aber eine unerwünschte/gefährliche Strahlungsausbreitung auch nicht zwingend aus einem Defekt der Lichtquelle selbst ergeben, sondern kann bspw. auch ein Defekt eines der optischen Elemente zur Strahlführung ursächlich sein.
Bevorzugt wird das Mikrospiegel-Array für eine adaptive Straßenausleuchtung genutzt, bei welcher bspw. andere Verkehrsteilnehmer zur Vermeidung einer Blendung selektiv von der Beleuchtung ausgenommen werden (siehe unten im Detail). Das von der Lichtquelle emittierte Beleuchtungslicht wird an den Mikrospiegelaktoren (nachfolgend auch nur „Aktoren“) des Mikrospiegel-Arrays (nachfolgend auch nur „Array“) reflektiert, also je Aktor ein jeweiliges Teil-Strahlenbündel. In Abhängigkeit von der Kippstellung des jeweiligen Aktors wird das jeweilige Teil-Strahlenbündel über die Beleuchtungsoptik zur Beleuchtungsanwendung (Ein-Kippstellung) oder daneben reflektiert und der Beleuchtungsanwendung nicht zugeführt. Über die Kippstellung der Aktoren lässt sich somit gezielt eine Lichtverteilung im Fernfeld einstellen.
Die Gesamtheit aller Teil-Strahlenbündel, die von den Aktoren jeweils in Ein-Kippstellung reflektiert werden, bildet das „Ein-Strahlenbündel“; die Gesamtheit aller von den Aktoren in jeweiliger Aus-Kippstellung reflektierten Teil-Strahlenbündel bildet das Aus-Strahlenbündel. Das Ein- und das Aus-Strahlenbündel ergeben sich jeweils im zeitlichen Integral, weil typischerweise nicht sämtliche Aktoren gleichzeitig in derselben Kippstellung sind bzw. die Aktoren auch generell oszillierend betrieben werden können. Ein zeitliches Integral kann eine Zeitdauer im Mikrosekundenbereich und/oder Millisekundenbereich und/oder Sekundenbereich und/oder Minutenbereich und/oder länger umfassen.
Zwischen dem Ein- und dem Aus-Strahlenbündel kann es auch noch ein weiteres Strahlenbündel (Transient-Strahlenbündel) geben, das einem nicht ausgelenkten Zustand der Aktoren entsprechen kann, sog. Transient Flat State, der nicht weiter genutzt wird, vgl. auch das Ausführungsbeispiel zur Illustration. Andererseits können Ein- und Aus-Strahlenbündel aber auch direkt nebeneinander liegen, kann also in anderen Worten der Transient Flat State auch aktiv genutzt werden.
Die „optische Sensoreinheit“ weist mindestens einen optischen Sensor auf, bei dem es sich im Allgemeinen auch um einen CCD- bzw. CMOS-Bildsensor handeln kann, bevorzugt ist eine Fotodiode als Sensor (siehe unten). Der Sensor hat eine sensitive Sensorfläche, die darauf fallende Strahlung wird in ein Sensorsignal umgesetzt. Damit ist ein zumindest qualitativer, bevorzugt quantitativer Rückschluss auf die Strahlungsleistung möglich. Bevorzugt ist eine Anordnung derart, dass das gesamte in dem Aus-Strahlenbündel geführte Beleuchtungslicht auf die Sensoreinheit fällt. In dem Aus-Strahlenbündel kann bspw. auch eine Optik vorgesehen sein, die bspw. nichtabbildend z. B. als Light Guide oder auch abbildend ausgestaltet sein kann, etwa als Sammellinse bzw. entsprechendes Linsensystem.
Dem Mikrospiegel-Array ist die Beleuchtungsoptik derart zugeordnet, dass das von unterschiedlichen Mikrospiegelaktoren in Ein-Kippstellung durch die Beleuchtungsoptik geführte Beleuchtungslicht in unterschiedliche Raumrichtungen gelangt. Die Lichtverteilung im Ortsraum in der Array-Ebene wird also in eine Lichtverteilung im Winkelraum des Fernfelds übersetzt. Durch selektives Ein-/Ausschalten eines jeweiligen Aktors kann dementsprechend eine jeweilige Raumrichtung bzw. ein Raumwinkelbereich selektiv mit Beleuchtungslicht versorgt werden, oder eben nicht.
Ein von bspw. einem Kamerasystem des Kraftfahrzeugs (Kfz) erfasstes, vorausfahrendes oder entgegenkommendes Fahrzeug kann so bspw. gezielt aus dem Lichtkegel ausgenommen werden, indem also die jeweilig zugeordneten Aktoren ausgeschaltet (in eine entsprechende Kippstellung) gebracht werden. Dies soll ein vorteilhaftes und insoweit auch bevorzugtes Anwendungsgebiet illustrieren, den Erfindungsgedanken aber nicht in seiner Allgemeinheit beschränken.
Die Beleuchtungsoptik kann im Allgemeinen auch einen Reflektor aufweisen; bevorzugt ist eine ausschließlich refraktive Beleuchtungsoptik. Im Allgemeinen ist auch eine nicht-abbildende Beleuchtungsoptik denkbar, vorzugsweise ist sie jedoch abbildend. Die Beleuchtungsoptik kann bspw. eine Linse aufweisen, bevorzugt eine Sammellinse, wobei die Linse auch nach Art eines Linsensystems aus mehreren Einzellinsen aufgebaut sein kann (in Bezug auf die Durchleuchtung aufeinanderfolgend angeordnet). Bevorzugt ist eine Anordnung derart, dass die Beleuchtungsoptik das Mikrospiegel-Array, also die Aktoren, ins Unendliche abbildet.
Das „Mikrospiegel-Array“ (auch Digital Micromirror Device, DMD) kann bspw. mindestens 10, 100, 500, 1.000, 5.000, 10.000 bzw. 30.000 Mikrospiegelaktoren und (davon unabhängig) z. B. nicht mehr als 1×10^8, 1×10⁷ bzw. 1×10⁶ Mikrospiegelaktoren aufweisen (jeweils in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt). Die Aktoren sind bevorzugt Teil desselben Halbleiter-Bauteils (Chips). Sie sind nicht notwendigerweise vollständig unabhängig voneinander schaltbar, sondern können bspw. auch bereits Chip-seitig in Gruppen zusammengefasst sein. Es können also bspw. auch mehrere nebeneinander angeordnete Mikrospiegelaktoren gemeinschaftlich einen Raumwinkelbereich versorgen, oder eben nicht, also dann sämtlich ein- oder ausgeschaltet sein. Auch hinsichtlich bestimmter Betriebsmodi, wie z. B. Fernlicht, Abblendlicht, Tagfahrlicht etc., ist auch ein bereits originäres gruppenweises Zusammenfassen möglich.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Lichtquelle eine Pumpstrahlungsquelle und ein bevorzugt dazu beabstandetes Leuchtstoffelement auf, womit sich sehr hohe Leuchtdichten realisieren lassen. Das Leuchtstoffelement konvertiert die Pumsptrahlung zumindest anteilig in ein Konversionslicht; dieses kann für sich (Vollkonversion) oder auch in Mischung mit anteilig nicht konvertierter Pumpstrahlung das Beleuchtungslicht bilden, bevorzugt ist letzteres. Auch wenn dabei Pumpstrahlung zu der Beleuchtungsanwendung gelangt, ist dies im Unterschied zu den beschriebenen Fehlerfällen in der Regel unkritisch, weil die anteilig nicht konvertierte Pumpstrahlung aufgefächert ist, bspw. aufgrund von Streuprozessen im Leuchtstoffelement. Ist das Leuchtstoffelement beschädigt, etwa gebrochen, oder auch vollständig abgefallen, gelangt mehr und zudem gebündelte Pumpstrahlung zu der Beleuchtungsanwendung.
Als Pumpstrahlungsquelle ist eine Laserquelle bevorzugt, die bspw. auch aus mehreren Einzel-Laserquellen aufgebaut sein kann. Bevorzugt ist als Laserquelle bzw. Einzel-Laserquelle eine Laserdiode vorgesehen. Das Leuchtstoffelement weist einen wellenlängenkonvertierenden Leuchtstoff auf, z. B. Cer-dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat (YAG:Ce). Der Leuchtstoff kann bspw. in Partikelform in ein Matrixmaterial eingebettet sein, es können aber auch agglomerierte Leuchtstoffpartikel oder auch ein Einkristall des Leuchtstoffs das Leuchtstoffelement bilden. Das Beleuchtungslicht ist generell bevorzugt Weißlicht, was sich bspw. mit dem gelbes Konversionslicht emittierenden YAG:Ce bei einer Teilkonversion mit blauem Pumplicht erreichen lässt.
Die Pumpstrahlung fällt auf eine Einstrahlfläche des Leuchtstoffelements, und das Konversionslicht wird an einer Abstrahlfläche abgeführt. Im Allgemeinen ist auch ein Betrieb in Reflexion möglich, können die Einstrahl- und die Abstrahlfläche also zusammenfallen, an der entgegengesetzten Seitenfläche des Leuchtstoffelements könnte dann bspw. ein Spiegel angeordnet sein. Bevorzugt wird das Leuchtstoffelement in Transmission betrieben, liegen also die Einstrahl- und die Abstrahlfläche einander entgegengesetzt. An der Einstrahlfläche kann bspw. eine dichroitische Beschichtung vorgesehen sein, die für die darauffallende Pumpstrahlung transmissiv ist, für das im Leuchtstoffelement daraufhin erzeugte Konversionslicht jedoch reflektiv.
Generell kann das Beleuchtungslicht, insbesondere eine anregende Pumpstrahlung, auch mit einer bestimmten Frequenz moduliert werden, zumindest zeitweilig. Eine Pulsweitenmodulation (PWM) kann einerseits der Einstellung einer mittleren Leistung dienen; andererseits kann ein infolgedessen ebenfalls moduliertes Sensorsignal auch einfacher auszuwerten sein, insbesondere wenn ein vergleichsweise hohes Hintergrundsignal anliegt. Die Veränderung kann bspw. mit einer Phasenregelschleife (Phase-Lock Loop, PLL) bzw. mit einer Lock-in Beschaltung ausgelesen werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Sensoreinheit einen Pumpstrahlungs-Sensor auf, der dazu eingerichtet ist, zumindest überwiegend eine Strahlungsleistung im Spektralbereich der Pumpstrahlung zu erfassen. Bevorzugt wird die Strahlungsleistung ausschließlich in diesem Spektralbereich erfasst, wird mit dem Pumpstrahlungs-Sensor also umgekehrt keine Strahlungsleistung im Spektralbereich des Konversionslichts erfasst. Dies wird bevorzugt durch eine entsprechende Befilterung des Pumpstrahlungs-Sensors erreicht. Als Sensor ist generell eine Fotodiode bevorzugt, was einen kostengünstigen und mit Blick auf die Kfz-Anwendungen auch robusten Aufbau ergeben kann (ein Nachteil kann in der fehlenden Ortsauflösung der integralen Messung liegen, was bevorzugt messtechnisch gelöst wird, siehe unten).
In bevorzugter Ausgestaltung ist der Pumpstrahlungs-Sensor mit einem wellenlängenabhängigen Filter und/oder einem Polarisationsfilter befiltert. Wenngleich im Allgemeinen auch ein integrierter Filter (Wellenlänge und Polarisation) bzw. auch mehrere Filter denkbar sind, sind die beiden Filter bevorzugt Alternativen. Die Pumpstrahlung kann bspw. linear polarisiert sein, bevorzugt wird sie bereits originär linear polarisiert emittiert, wie im Falle einer Laserdiode. Der Polarisationsfilter kann dann bspw. derart vor dem Sensor angeordnet sein, dass die bei einem nicht vorhandenen Leuchtstoffelement darauf fallende Pumpstrahlung transmittiert wird (also auch Pumpstrahlung, die sich durch einen Bruch/Riss ausbreiten würde) . Das bei intaktem Leuchtstoffelement darauf fallende Konversionslicht ist unpolarisiert bzw. zumindest nicht genau passend linear polarisiert, was im Falle einer Teilkonversion aufgrund der Streuprozesse auch für die anteilig nicht konvertierte Pumpstrahlung gilt. In einem Fehlerfall fällt hingegen die nicht gestreute Pumpstrahlung passender Polarisation auf den Filter und gelangt zum Pumpstrahlungs-Sensor.
Der wellenlängenabhängige Filter kann bspw. ein Farbfilter sein, der nur die Pumpstrahlung transmittiert, also bspw. im Blauen transmissiv ist. Als wellenlängenabhängiger Filter kann auch ein dichroitischer Spiegel vorgesehen sein, der in einem Wellenlängenbereich reflektiv und in einem anderen transmissiv ist. Im Allgemeinen kann die Pumpstrahlung auch zu der Sensoreinheit reflektiert werden, bevorzugt ist der Filter für die Pumpstrahlung transmissiv und für das Konversionslicht reflektiv. Ein dichroitischer Spiegel ist typischerweise aus mehreren dielektrischen Schichten aufgebaut, die sich in ihren Brechungsindizes unterscheiden.
Bei der Kombination einer aus Leuchtstoffelement und Pumpstrahlungsquelle aufgebauten Lichtquelle mit einem Pumpstrahlungs-Sensor kann es bei einer Vollkonversion auch die Situation geben, dass der Sensor im Normalbetrieb gar keine Strahlungsleistung erfasst. Es fällt zwar Beleuchtungslicht darauf, dieses wird dann aber nur von dem Konversionslicht gebildet. Im Fehlerfall würde sich dann aber auf demselben Pfad, auf dem im Normalbetrieb das Beleuchtungslicht zu der Sensoreinheit gelangt, Pumpstrahlung ausbreiten und von dem Sensor erfasst werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Sensoreinheit einen Konversionslicht-Sensor auf, der dazu eingerichtet ist, zumindest überwiegend eine Strahlungsleistung im Spektralbereich des Konversionslichts zu erfassen. Bevorzugt wird dies mit einer entsprechenden Befilterung erreicht, bevorzugt mit einem wellenlängenabhängigen Filter, etwa einem Farbfilter oder einem dichroitischen Spiegel. Als Sensor ist wiederum eine Fotodiode bevorzugt. Im Allgemeinen kann das Erfassen des Konversionslichts auch eine Alternative sein, bevorzugt weist die Sensoreinheit einen Konversionslicht-Sensor und einen Pumpstrahlungs-Sensor auf.
Bevorzugt sind allgemein solche Konfigurationen, bei denen im fehlerfreien Fall bereits ein Signalwert vom Sensor registriert wird (Signalwert ≠ 0), welches dann im Fehlerfall absinkt oder weiter ansteigt. Im Vergleich dazu kann es ungünstig sein, wenn im fehlerfreien Fall ein Signalwert gleich Null zu erfassen ist, weil dann ein Ausfall des Sensors an sich nicht festgestellt werden könnte.
Die Beleuchtungsvorrichtung weist eine Auswerteeinheit auf, die in bevorzugter Ausgestaltung dazu eingerichtet ist, einen Term auszuwerten, der aus einem Sensorsignal des Pumpstrahlungs-Sensors und einem zweiten Sensorsignal des Konversionslicht-Sensors gebildet wird. Der Term kann bspw. eine Differenz sein, es kann bspw. das zweite Sensorsignal (Konversionslicht) vom ersten Sensorsignal (Pumpstrahlung) abgezogen werden. Bevorzugt ist der Term ein Quotient, in dessen Zähler kann bspw. das erste Sensorsignal (Pumpstrahlung) eingehen, das zweite Sensorsignal in den Nenner. Die Auswertung eines Terms kann vorteilhafterweise das Signal/Rausch-Verhältnis verbessern helfen (Signal Noise Ratio).
Die Bestrahlungsvorrichtung weist generell bevorzugt eine Auswerteeinheit auf. Diese kann als gesondertes Bauelement vorgesehen sein, etwa als Mikrocontroller; es ist aber auch eine Integration möglich, kann also bspw. eine kombinierte Auswerte-/Ansteuereinheit das Array ansteuern (die Kippstellung der Aktoren) und zugleich das bzw. die mit der Sensoreinheit erfasste(n) Sensorsignal(e) auswerten. Die Auswerteeinheit kann auch mit einer Steuereinheit der Lichtquelle zumindest gekoppelt, gegebenenfalls auch integriert sein, um etwa im Fehlerfall eine Leistungsverringerung bzw. Abschaltung zu veranlassen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist in dem Aus-Strahlenbündel ein Bestrahlungsstärkereduzierer angeordnet, was einer Verringerung der Bestrahlungsstärke auf der Sensoreinheit dient. Dazu kann im Allgemeinen bspw. auch ein Spiegel vorgesehen sein, der einen Teil der in dem Aus-Strahlenbündel geführten Strahlung herausreflektiert, bzw. kann der Sensoreinheit vorgelagert auch ein Filter vorgesehen sein, auch ein dichroitischer Spiegel ist möglich. Bevorzugt kann eine Streuanordnung sein, bspw. eine von dem Aus-Strahlenbündel durchsetzte Streuscheibe. Der Bestrahlungsstärkereduzierer kann bspw. derart vorgesehen sein, dass im Vergleich zu einer Situation ohne Bestrahlungsstärkereduzierer die mit dem Beleuchtungslicht auf der Sensoreinheit erzeugte Bestrahlungsstärke (alle Aktoren im Ein-Zustand) um bspw. mindestens 50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 %, 95 %, 98 % bzw. 99 % verringert ist, mit möglichen (davon unabhängigen) Obergrenzen bei bspw. höchstens 99,99 % bzw. 99,9 %. Ein Bestrahlungsstärkereduzierer kann insbesondere von Interesse sein, wenn in dem Aus-Strahlenbündel eine Sensoroptik angeordnet ist, insbesondere eine die Aktoren auf die Sensoreinheit (deren sensitive Sensorfläche) abbildende Optik.
Generell kann bevorzugt sein, dass von dem in dem Aus-Strahlenbündel geführten Beleuchtungslicht bzw. der Strahlung jener Anteil, der nicht auf die Sensoreinheit trifft, „vernichtet“ wird, also auf einen Absorber fällt.
Erfindungsgemäß ist eine zur Ansteuerung des Arrays vorgesehene Steuereinheit derart eingerichtet, dass ein jeweiliger Aktor, wenn er sich in einer Betriebsperiode in der Ein-Kippstellung befindet („Ein-Zustand“ siehe unten), während dieser Betriebsperiode gleichwohl auch in einem jeweiligen Zeitpunkt in die Aus-Kippstellung gebracht wird. Der Aktor wird also auch wenn er in der Betriebsperiode Licht zur Beleuchtungsanwendung reflektieren soll, kurzzeitig in die Aus-Kippstellung gebracht. Dies wird vorliegend auch als Hin- und Herklappen bezeichnet, das auch periodisch mit einer bestimmten Klappfrequenz erfolgen kann. Davon zu unterscheiden ist die Betriebsfrequenz, die gewissermaßen eine Refresh-Rate der Lichtverteilung im Fernfeld vorgibt. Nach der Betriebsfrequenz bestimmt sich z. B., auf welcher Zeitskala ein jeweiliges „Pixel“ ein- oder ausgeschaltet werden kann, also das Hinzu- oder Wegschalten der Beleuchtung in einem jeweiligen Teil-Raumwinkelbereich.
Eine Betriebsfrequenz kann bspw. bei mindestens 5 Hz liegen, in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt mindestens 10 Hz, 20 Hz, 30 Hz, 40 Hz bzw. 50 Hz, mit möglichen (davon unabhängigen) Obergrenzen bei bspw. höchstens 300 Hz, 250 Hz, 200 Hz, 150 Hz, 100 Hz, 90 Hz, 80 Hz bzw. 70 Hz (ebenfalls in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt). Besonders bevorzugt können bspw. 60 Hz sein. Das Hin- und Herklappen kann im Allgemeinen auch mit derselben Frequenz erfolgen, nur phasenversetzt; die Klappfrequenz kann aber auch höher liegen, nämlich bspw. mindestens 100 Hz, 200 Hz, 300 Hz, 400 Hz, 500 Hz, 600 Hz, 700 Hz, 800 Hz, 900 Hz bzw. 1.000 Hz, wobei mögliche Obergrenzen (davon unabhängig) bspw. bei höchstens 1 MHz, 100 kHz bzw. 10 kHz liegen können. Im Falle eines bevorzugt periodischen Betriebs mit einer bestimmten Betriebsfrequenz ergibt sich die Dauer einer Betriebsperiode als Kehrwert davon.
Eine Betriebsperiode kann bspw. dann dem Ein-Zustand zuzuordnen sein, wenn sich der jeweilige Aktor über den größeren Teil der Periodendauer in der Ein-Kippstellung befindet, etwa zu einem Anteil von mindestens 60 %, 70 % bzw. 80 %. Obergrenzen können davon unabhängig bspw. bei höchstens 99 %, 98 % bzw. 95 % liegen. Umgekehrt befindet sich ein Aktor dann in einer Betriebsperiode im Aus-Zustand, wenn die Aus-Kippstellung mindestens 60 %, 70 % bzw. 80 % der Periodendauer ausmacht (mit möglichen Obergrenzen bei 99 %, 98 % bzw. 95 %). Ein Hin- und Herklappen kann bspw. auch die Lebensdauer der Aktoren betreffend von Interesse sein; zudem können sich bspw. auch Grauwerte realisieren lassen, die im Falle des Kfz-Scheinwerfers bspw. für Übergänge in den Randbereichen des Beleuchtungslichtkegels von Interesse sein können.
Ein kurzzeitiges Klappen des jeweiligen Aktors in die Aus-Kippstellung kann vorliegend im Besonderen vorteilhaft sein, weil so über den Aktor auch in dessen Ein-Zustand, der in einem Fehlerfall besonders kritisch wäre (in der Ein-Kippstellung könnte bspw. gebündelte Pumpstrahlung zur Beleuchtungsanwendung gelangen), Information zur Verfügung steht. In der Regel korreliert eine Ortsverteilung der Emission an einer Abstrahlfläche der Lichtquelle auch mit einer Ortsverteilung auf dem Array (siehe unten im Detail), wird also bspw. das an unterschiedlichen Bereichen der Abstrahlfläche emittierte Beleuchtungslicht über unterschiedliche Aktoren geführt. Eine Erfassung mit der Sensoreinheit kann deshalb nicht nur für die gerade im Aus-Zustand befindlichen Aktoren von Interesse sein, sondern wegen einer möglicherweise auch nur lokalen Schädigung auch für die im Ein-Zustand befindlichen Aktoren. Bildlich gesprochen „sieht“ nicht zwingend jeder Aktor eine lokale Schädigung des Leuchtstoffelements.
Erfindungsgemäß ist die Auswerteeinheit dazu eingerichtet, in der Betriebsperiode ausschließlich die sich im Aus-Zustand befindlichen Aktoren auszuwerten, nämlich während sie kurzzeitig in die Aus-Kippstellung gebracht werden. Bevorzugt werden dazu die in dieser Betriebsperiode im Aus-Zustand befindlichen Aktoren in jenem Zeitpunkt, in dem die anderen Aktoren (kurzzeitig) in die Aus-Kippstellung gebracht werden, in die Ein-Kippstellung gebracht. Im Falle des Kfz-Schweinwerfers wird also tatsächlich ein Abbild der Lichtverteilung auf der Straße bzw. im Fernfeld ausgewertet. Dies kann aber durchaus aufintegriert erfolgen, also (zunächst) ohne weitergehende Ortsauflösung auf bspw. dem Leuchtstoffelement.
Alternativ ist im Allgemeinen selbstverständlich auch eine Auswertung des Negativs möglich, können also auch (aussschließlich) die jeweilig im Aus-Zustand befindlichen Aktoren vermessen werden. Gegenüber der eben geschilderten Vorgehensweise kann dies aber bspw. dahingehend nachteilig sein, dass sich einige der Aktoren, die bspw. einen zentralen Raumwinkelbereich versorgen, über den Betrieb hinweg schwerpunktmäßig im Ein-Zustand befinden können. Damit wären sie einerseits der Erfassung nicht zugänglich und andererseits mitunter auch besonders beschädigungsträchtig bzw. im Falle einer Beschädigung auch kritisch. Es sind auch kombinierte Messungen möglich, sodass bspw. während einiger Betriebsperioden der Ein-Zustand und während anderer Betriebsperioden der Aus-Zustand erfasst werden kann.
Die Lichtquelle emittiert das Beleuchtungslicht an einer Abstrahlfläche mit einer Ortsverteilung, also aus einem bestimmten Flächenbereich heraus. Über den Flächenbereich muss die Bestrahlungsstärke nicht zwingend variieren, sie kann bspw. auch im Wesentlichen konstant sein und ein sog. Flat Top-Profil haben. Die Ortsverteilung auf der Abstrahlfläche korreliert mit einer Ortsverteilung auf dem Array, es ist also einem jeweiligen Aktor ein jeweiliger Bereich der Abstrahlfläche zugeordnet (und umgekehrt). Bevorzugt wird das Beleuchtungslicht über eine Optik auf das Array geführt, besonders bevorzugt wird die Abstrahlfläche auf das Array abgebildet. Bevorzugt bildet die Abstrahlfläche eines Leuchtstoffelements die Abstrahlfläche der Lichtquelle (siehe vorne).
Erfindungsgemäß ist die Auswerteeinheit der Beleuchtungsvorrichtung dazu eingerichtet, die Aktoren bevorzugt in Gruppen (im Allgemeinen aber auch jeweils einzeln) nacheinander auszuwerten, um eine Abweichung der Emission an der Abstrahlfläche ortsaufgelöst zuzuordnen. Die Ortsverteilungen an der Abstrahlfläche und dem Array korrelieren, weswegen das ortsaufgelöste Auswerten der Aktoren einen Rückschluss auf die Abstrahlfläche erlaubt. Wird also bspw. für einen bestimmten Aktor bzw. eine Gruppe ein überhöhter Pumpstrahlungsanteil festgestellt, kann darauf geschlossen werden, dass in einem zugeordneten Bereich der Abstrahlfläche eine Schädigung vorliegt, etwa ein Riss/Bruch, durch den sich gebündelte Pumpstrahlung ausbreitet.
Die entsprechenden Aktoren können dann bspw. dauerhaft im Aus-Zustand bleiben. Bei der Kfz-Anwendung kann dem Fahrzeugführer der Defekt angezeigt werden, um ihn zum Aufsuchen einer Werkstatt anzuhalten, etwa über eine Kontrollleuchte im Fahrzeuginneren oder dergleichen. Es können dann bspw. nur noch einige der Aktoren, die von den dem Schadensbereich zugeordneten Aktoren hinreichend beabstandet sind, in einem Notlichtbetrieb betrieben werden. Die Lokalisierung der Schädigung kann auch ausgelesen werden, etwa in der Werkstatt, oder auch automatisch an den Hersteller ausgegeben werden, um bspw. die Bereitstellung passender Ersatzteile zu veranlassen. Im Falle mehrerer Defektstellen und/oder großflächiger Defektstellen kann auch ein Dimmen der Lichtquelle oder gar ein komplettes Abschalten der Lichtquelle ausgeführt werden.
Das „Auswerten“ eines Aktors bzw. einer Gruppe von Aktoren meint, dass die darüber in dessen/deren Aus-Kippstellung zur Sensoreinheit reflektierte Strahlung zumindest anteilig erfasst und dem/den Aktor(en) zugeordnet wird. Bevorzugt ist ein gruppenweises Auswerten, werden also mindestens 2 Aktoren gemeinsam betrachtet, wobei weitere Untergrenzen bei mindestens 5, 10, 50 bzw. 100 Aktoren je Gruppe liegen können, mit möglichen (davon unabhängigen) Obergrenzen bei bspw. nicht mehr als 10 · 10⁶, 8 · 10⁶, 6 · 10⁶, 4 ·10⁶, 2 ·10⁶, 1,5 · 10⁶, 1 ·10⁶ bzw. 5 · 10⁵ Aktoren (jeweils in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt). Generell kann das sequenzielle Auswerten vorteilhafterweise auch bei einem integral messenden Sensor, bspw. einer einfachen und damit aber kostengünstigen und robusten Fotodiode, eine Ortsauflösung ergeben.
In bevorzugter Ausgestaltung werden die Aktoren bei der sequenziellen Auswertung in mehrere Gruppen unterteilt, die das Array rasterartig abdecken. Das Raster kann bspw. nach Zeilen und Spalten aufgebaut sein (mit je Zeile und/oder je Spalte mindestens 2 Aktoren), etwa nach Art eines Schachbretts. Es ist aber auch eine komplexere Rasterung möglich, die Gruppen können bspw. jeweils für sich polygonförmig und einander flächig ergänzend vorgesehen sein, bspw. auch ein Honigwaben-Raster bilden. Bevorzugt sind die Gruppen vordefiniert, ist also die Rasterung vorab festgelegt, wird sie also nicht in Abhängigkeit von den bis dato ausgewerteten Gruppen verändert. Es wird dann bspw. so lange gemessen, bis das Feld mit der Abweichung aufgefunden ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform, bei der die Aktoren gruppenweise nacheinander vermessen werden, wird die Anzahl der je Iteration ausgewerteten Aktoren schrittweise verringert und die Abweichung damit lokalisiert. Dies ist im Allgemeinen auch in Kombination mit einer vordefinierten, rasterartigen Unterteilung möglich, bevorzugt ist in diesem Fall jedoch eine dynamische Anpassung der Gruppen, bestimmen sich also die im Folgenden auszuwertenden Aktoren nach den für die bis dato ausgewerteten Aktoren. Die Anzahl der Aktoren wird schrittweise verringert, nicht zwingend von jeder Iteration auf die darauffolgende, aber über mehrere Iterationen hinweg.
Generell kann in der Auswerteeinheit bevorzugt ein Profilbild der Bestrahlungsstärkeverteilung hinterlegt sein. Beim Auswerten eines bestimmten Aktors bzw. einer Gruppe ist dann also bekannt, welche Strahlungsleistung zu erwarten ist. Dazu können dann bspw. auch Schwellwerte definiert werden, bei deren Unter- bzw. Überschreiten eine Abweichung diagnostiziert wird. Ein solches Profilbild kann virtuell ermittelt werden, bspw. über eine Raytracing-Simulation, kann aber andererseits auch gemessen sein, auch eine Kombination aus Messung und Simulation ist möglich. Die Messung kann an einer baugleichen Beleuchtungsvorrichtung vorgenommen und übertragen werden, es kann aber auch jede Beleuchtungsvorrichtung für sich in der Herstellung durch eine entsprechende Messung kalibriert werden. Insbesondere, wenn ein Profilbild der Bestrahlungsstärkeverteilung hinterlegt ist, kann das sukzessive Verringern der Aktorenanzahl je Gruppe, also bildlich gesprochen das Einkreisen der Fehlerstelle, bspw. auch anhand stochastisch eingeteilter und/oder in stochastischer Abfolge ausgewerteter Gruppen erfolgen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das Array zur Lokalisierung der Abweichung in zwei Hälften unterteilt, wird die Abweichung einer der Hälften zugeordnet und wird diese verbleibende Hälfte erneut in zwei Hälften unterteilt, also das Array im Gesamten dann geviertelt. Die Abweichung wird dann erneut zugeordnet, wobei die Unterteilung in Hälften (dann 1/8, 1/16, 1/32 etc.) fortgesetzt werden kann, bis die Abweichung hinreichend genau lokalisiert ist. Wird dann bspw. festgestellt, dass die Abweichung nicht randseitig sitzt, sondern an eine andere, in der Iteration zuvor ausgeschlossene Hälfte grenzend, kann diese dann auch nochmals gesondert in der gleichen Weise durch Iterationen aufgelöst werden. Für die Zuordnung zu einer Hälfte wird tatsächlich die aktive, also von den Aktoren belegte Fläche des Arrays genommen und in zwei Teile mit im Wesentlichen gleich großen Flächeninhalten geteilt; bevorzugt sind die Flächeninhalte gleich groß (im Allgemeinen könnte aber bspw. der grö-ßere davon auch um nicht mehr als 15 %, 10 % bzw. 5 % vom kleineren abweichen). Die Hälften grenzen bevorzugt in einer geraden Trennfläche aneinander, können also bspw. im Falle einer rechteckförmigen aktiven Arrayfläche durch die Diagonale oder eine der mittigen Spiegelsymmetrieachsen des Rechtecks gebildet sein.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer vorliegend offenbarten Beleuchtungsvorrichtung, die eine Auswerteinheit aufweist, mit welcher die Mikrospiegelaktoren ausgewertet werden. Soweit in der vorstehenden Beschreibung bzw. den Ansprüchen von einer für einen bestimmten Betrieb eingerichteten Auswerteinheit die Rede ist, ist dies ausdrücklich auch als Offenbarung des entsprechenden Betriebsverfahrens zu lesen.
Die Erfindung betrifft auch eine Verwendung der Beleuchtungsvorrichtung zur Beleuchtung. Wenngleich im Allgemeinen auch Anwendungen im Projektionsbereich (Video, Kino), bei Effekt- und Entertainmentbeleuchtung oder auch im Architainmentbereich denkbar sind, betrifft die Erfindung in bevorzugter Ausgestaltung die Verwendung einer vorliegend offenbarten Beleuchtungsvorrichtung zur Fahrzeugbeleuchtung, bevorzugt in einem Frontscheinwerfer. Im Allgemeinen ist auch ein Einsatz in einem Schiff bzw. auch Flugzeug oder Helikopter denkbar, bevorzugt ist ein Kraftfahrzeug (Kfz), insbesondere ein Personenkraftwagen (Pkw). Die bevorzugte Straßenausleuchtung ist bevorzugt adaptiv, es werden also andere Verkehrsteilnehmer zur Vermeidung einer Blendung selektiv von der Beleuchtung ausgenommen.
Ein Raumwinkelvolumen, welches der Beleuchtungslichtkegel maximal ausfüllen kann, ist segmentiert, bevorzugt in Zeilen und Spalten unterteilt, und es werden nur jene Segmente weggeschaltet bzw. in ihrer Intensität verringert (mit dem „Klappen“, siehe vorne, können auch Grauwerte realisiert werden), in denen der andere Verkehrsteilnehmer festgestellt wurde, bspw. ein anderes Kfz, oder auch ein Fußgänger oder Fahrradfahrer. Dabei können Aktoren auch gruppenweise zusammengefasst sein, bspw. mit je Gruppe mindestens 10, 50, 100 Aktoren und (davon unabhängig) z. B. nicht mehr als 1000 bzw. 500 Aktoren. Es lässt sich bspw. auch ein Kurvenlicht realisieren bzw. können Objekte (z. B. Wildtier am Fahrbahnrand oder auch Personen) auch gezielt beleuchtet werden, etwa zur Markierung (Gefahrenkennzeichnung).
In bevorzugter Ausgestaltung wird das Array in Abhängigkeit von einer Fahrzeugsensormessung betrieben, bevorzugt in Abhängigkeit von einem oder mehreren Kamerabildern. Die Kamerabilder können der Segmentierung des maximal zugänglichen Beleuchtungslichtkegels entsprechend unterteilt sein, wobei jedem Segment dann einer oder mehrere Aktoren des Arrays zugeordnet sind. Wird in einem Segment ein anderer Verkehrsteilnehmer festgestellt, werden die entsprechenden Aktoren in den Aus-Zustand gebracht.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.
Im Einzelnen zeigt

1 eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung mit einer Lichtquelle, einem Aktor eines Mikrospiegel-Arrays und einer Sensoreinheit;
2 ein Systemblockschaltbild zu Ansteuerung und Auswertung der Beleuchtungsvorrichtung gemäß 1;
3 eine erste Möglichkeit zur sequenziellen Auswertung der Aktoren des Mikrospiegel-Arrays;
4 eine zweite Möglichkeit zur sequenziellen Auswertung der Aktoren des Mikrospiegel-Arrays.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung
1 zeigt eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung mit einem Mikrospiegelaktor 1, der Teil eines Arrays an Aktoren ist (im Gesamten nicht dargestellt), und von einer Lichtquelle 2 mit Beleuchtungslicht 3 versorgt wird. Das Beleuchtungslicht 3 durchsetzt eine Sammellinse als Zuführoptik 4 und fällt in Form eines Zuführ-Strahlenbündels 5 auf das Mikrospiegel-Array. Aus Darstellungsgründen ist nur der eine Mikrospiegelaktor 1 des Arrays gezeigt, dennoch wird das zugeführte/reflektierte Licht anhand der Strahlenbündel veranschaulicht, also bezogen auf das Array im Gesamten.
Der Mikrospiegelaktor 1 ist im nicht ausgelenkten Zustand dargestellt. Er ist zwischen zwei Maximal-Kippstellungen, die strichliert angedeutet sind, hin und her verkippbar. Der nicht ausgelenkte Zustand wird als Transient Flat State bezeichnet, und vorliegend entspricht die eine Maximal-Kippstellung der Ein- und die andere der Aus-Kippstellung. In der Aus-Kippstellung reflektiert der Mikrospiegelaktor 1 das auf seine Spiegelfläche 6 fallende Beleuchtungslicht erfindungsgemäß auf eine Sensoreinheit 7. In der Ein-Kippstellung wird das Beleuchtungslicht hingegen durch eine Beleuchtungsoptik 8 (ein Linsensystem) geführt und damit vorliegend zur Erzeugung einer Lichtverteilung im Fernfeld genutzt, konkret zur adaptiven Straßenausleuchtung in einem Kfz-Frontscheinwerfer.
1 illustriert ferner, wie ein bedingt durch die Verkippbarkeit der Mikrospiegelaktoren 1 um vorliegend +/- 12° insgesamt zugänglicher Gesamt-Winkelbereich von 96° aufgeteilt sein kann. In diesem Gesamt-Winkelbereich sind zusätzlich zu dem Zuführ-Strahlenbündel 5 das Ein-Strahlenbündel 9 (zur Beleuchtungsoptik 8), das Aus-Strahlenbündel 10 (auf die Sensoreinheit 7) und das Transient-Strahlenbündel 11 dargestellt. Das Ein-Strahlenbündel 9 und das Aus-Strahlenbündel 10 sind über das Transient-Strahlenbündel 11 zueinander beabstandet, um für einen guten Kontrast soweit möglich unbeabsichtigte Reflexe aus dem Ein-Strahlenbündel 9 zu halten. Diese können im Transient Flat State vermehrt auftreten, weil die Spiegelflächen der Aktoren hier parallel zur Chip-Ebene liegen und so auch Reflexe von der übrigen Chipoberfläche (Verbindungsstege, Metallisierung etc.) eingetragen werden können.
Bei der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung wird das in dem Aus-Strahlenbündel 10 geführte Beleuchtungslicht nicht in einem Absorber (Beam Dump) vernichtet, was ansonsten ggf. hinsichtlich einer Kontrastoptimierung vorteilhaft sein könnte. Stattdessen wird die Strahlung über eine Sammellinse als Sensoroptik 12 auf die Sensoreinheit 7 geführt und für eine Zustandsüberwachung der Lichtquelle 2 genutzt. Dies ist insoweit vorteilhaft, als eben einerseits ein Überwachen der Lichtquelle 2 möglich wird, dies aber andererseits keinen Effizienzverlust bedeutet, weil die in dem Aus-Strahlenbündel 10 geführte Strahlung prinzipiell ohnehin nicht zur Beleuchtung genutzt wird.
Die Lichtquelle 2 ist aus einer Pumpstrahlungsquelle 20 und einem Leuchtstoffelement 22 aufgebaut. Als Pumpstrahlungsquelle 20 ist eine Laserdiode vorgesehen (auch mehrere Laserdioden sind möglich). Bei der davon emittierten Pumpstrahlung 21 handelt es sich vorliegend um blaues Laserlicht. Dieses fällt in der Regel kollimiert auf ein beabstandet dazu angeordnetes Leuchtstoffelement 22, konkret dessen Einstrahlfläche 23.
Auf die Anregung mit der Pumpstrahlung 21 hin emittiert das Leuchtstoffelement 22 ein Konversionslicht, welches anteilig das Beleuchtungslicht 3 bildet und an der Abstrahlfläche 24 abgeführt wird. Die Abstrahlfläche 24 wird mit der Zuführoptik 4 auf das Array abgebildet. Vorliegend weist das Leuchtstoffelement YAG:Ce als Leuchtstoff auf, das Konversionslicht ist gelbes Licht. Die Pumpstrahlung 21 wird nur anteilig konvertiert (Teilkonversion), ein verbleibender Teil des blauen Laserlichts bildet in Mischung mit dem gelben Konversionslicht Weißlicht als Beleuchtungslicht 3.
Das Leuchtstoffelement 22 wird in Transmission betrieben, die Abstrahlfläche 24 liegt der Einstrahlfläche 23 entgegengesetzt. Zur Erhöhung der Effizienz ist an der Einstrahlfläche 23 eine dichroitische Beschichtung 25 vorgesehen, welche für die Pumpstrahlung 21 transmissiv, für das Konversionslicht jedoch reflektiv ist. Das Leuchtstoffelement 22 ist auf einem Träger angeordnet, bspw. aus Saphir, der aber nicht dargestellt ist. Auch wenn vorliegend anteilig nicht konvertierte Pumpstrahlung 21 zur Beleuchtungsanwendung gelangt, ist dies unkritisch, weil die Pumsptrahlung 21 beim Durchstrahlen des Leuchtstoffelements 22 aufgefächert wird, etwa aufgrund von Streuprozessen, also nicht gebündelt zur Beleuchtungsanwendung gelangt.
Es sind jedoch verschiedene Fehlerfälle denkbar, in denen es anwendungsseitig zu einem kritischen Austritt von Pumpstrahlung 21 kommen kann. Das Leuchtstoffelement 22 kann bspw. im Gesamten von einem (nicht dargestellten) Träger abfallen, die kollimierte Pumpstrahlung kann sich jedoch auch bereits durch einen Riss/Bruch des Leuchtstoffelements 22 ausbreiten. Die vorliegende Beleuchtungsvorrichtung ist zur Detektion eines solchen Fehlers eingerichtet, um dann im Fehlerfall ein Abschalten der Pumpstrahlungsquelle 20 oder ein zumindest teilweises Wegschalten der Beleuchtung über das Array zu veranlassen.
Die Sensoreinheit 7 weist einen Pumpstrahlungs-Sensor 28 auf, der mit einem wellenlängenabhängigen Filter 29 versehen ist. Durch diesen gelangt nur Strahlung im Wellenlängenbereich der Pumpstrahlung 21 auf den Pumpstrahlungs-Sensor 28, nicht das Konversionslicht. Der Pumpstrahlungs-Sensor 28, vorliegend eine Fotodiode, ist also durch die Befilterung zur Erfassung im Spektralbereich der Pumpstrahlung eingerichtet. Analog aufgebaut könnte auch ein Konversionslicht-Sensor vorgesehen sein (nicht dargestellt), alternativ oder auch in Kombination mit dem Pumpstrahlungs-Sensor 28.
Breitet sich nun bspw. in einem der Fehlerfälle mehr Pumpstrahlung in dem Zuführ-Strahlenbündel 5 zu dem Array hin und damit auch in dem Aus-Strahlenbündel aus, erfasst der Pumpstrahlungs-Sensor 28 eine erhöhte Strahlungsleistung. Es kann bspw. eine Abschaltung der Pumpstrahlungsquelle veranlasst werden.
2 zeigt ein Systemblockschaltbild, wobei auch einige der bislang beschriebenen optischen Komponenten schematisch wiedergegeben sind, nämlich die Lichtquelle 2, die Beleuchtungsoptik 8, die Sensoreinheit 7 und das Mikrospiegel-Array 30. Ferner ist die Lichtausbreitung teils schematisch gezeigt (jeweils strichliert). Zusätzlich ist eine Steuereinheit 31 zu erkennen, die vorliegend kombiniert sowohl das Mikrospiegel-Array 30 also auch die Lichtquelle 2 ansteuert (ebenso wäre auch eine getrennte Ausführung möglich). Die Steuereinheit 31 gibt den Aktoren des Mikrospiegel-Arrays 30 die jeweilige Kippstellung vor, bestimmt also, wieviel Beleuchtungslicht in welchen Raumwinkelbereichen zur Beleuchtungsanwendung gelangt.
Ferner ist eine Auswerteeinheit 32 zu erkennen, die einerseits ein Messsignal der Sensoreinheit 7 empfängt und andererseits mit der Steuereinheit 31 wechselwirkt. Von der Steuereinheit 31 können Informationen bzgl. der Kippstellungen der jeweiligen Aktoren an die Auswerteinheit 32 gehen, umgekehrt kann die Auswerteeinheit im Falle einer Fehlerdetektion über die Steuereinheit 31 ein Abschalten der Lichtquelle 2 bzw. des Mikrospiegel-Arrays 30 veranlassen. Der Übersichtlichkeit halber sind die Steuereinheit 31 und die Auswerteeinheit 32 gesondert dargestellt, in der Praxis können sie aber auch integriert ausgeführt sein.
Die Steuereinheit 31 empfängt ferner Daten von einem Fahrzeugsensor 33, vorliegend einem Kamerasystem mit Bildverarbeitung. Dieses erkennt andere Verkehrsteilnehmer und kann diese bestimmten Raumwinkelbereichen zuordnen, diese Raumwinkelbereiche werden dann über die Steuereinheit 31 durch entsprechende Beschaltung des Mikrospiegel-Arrays 30 von der Beleuchtung ausgenommen. Die Beleuchtungsoptik 8 setzt eine Ortsverteilung des Mikrospiegel-Arrays 30 in eine Raumwinkelverteilung um, einzelne Raumwinkelbereiche davon können dann bildlich gesprochen wie Pixel hinzu- oder weggeschaltet werden.
Der Betrieb erfolgt getaktet, vorliegend mit einer Betriebsfrequenz von 60 Hz. Dies ist also die Frequenz, mit welcher die Versorgung eines jeweiligen Raumwinkelbereichs verändert werden kann. Ferner werden die Aktoren des Mikrospiegel-Arrays 30 mit einer höheren Frequenz hin- und hergeklappt, die bspw. im kHz-Bereich liegen kann. Auch wenn ein jeweiliger Aktor im Aus-Zustand ist, gelangt er also während der entsprechenden Betriebsperiode mehrfach kurzfristig in die Ein-Kippstellung, und umgekehrt. Dies kann auch messtechnisch vorteilhaft sein, vgl. die Beschreibungseinleitung im Detail.
Wie erwähnt, ist zur Erfassung bevorzugt eine Fotodiode vorgesehen, was robust und preiswert ist, andererseits aber keine Ortsauflösung ergibt. Eine ortsaufgelöste Auswertung kann aber von Interesse sein, um eine Schadstelle des Leuchtstoffelements 22 zu lokalisieren; die Ortsverteilung der Bestrahlungsstärke auf dem Mikrospiegel-Array 30 korreliert nämlich mit der Ortsverteilung der Bestrahlungstärke auf der Abstrahlfläche 24 des Leuchtstoffelements 22, insbesondere aufgrund der Abbildungseigenschaften der Sensoroptik 12. Es wird ausdrücklich auf die Beschreibungseinleitung verwiesen, auch die beiden nachstehend anhand der 3 und 4 illustrierten Auswertemöglichkeiten werden unter Verweis darauf verkürzt dargestellt.
In den 3 und 4 ist die Abstrahlfläche 24 in einer Aufsicht dargestellt, das Kreuz markiert jeweils eine Schadstelle. Durch gruppenweises Auswerten der Aktoren des Mikrospiegel-Arrays 30 wird die Abstrahlfläche 24 de facto in der dargestellten Weise segmentiert und wird in mehreren aufeinanderfolgenden Messungen die Schadstelle lokalisiert.
Im Falle von 3 ist ein vordefiniertes Raster über die Abstrahlfläche 24 gelegt. Die einzelnen Bereiche, also die jeweilig zugeordneten Aktoren, werden nacheinander vermessen, jeweils durch eine Schraffur gekennzeichnet (gibt den jeweilig vermessenen Bereich an). Vorliegend wird die Schadstelle bei der dritten Messung aufgefunden, bei einer anderen Anordnung müssten entsprechend weniger/ weitere Messungen vorgenommen werden.
In 4 wird die Abstrahlfläche 24 in zwei Hälften unterteilt, die nacheinander vermessen werden (jeweils schraffiert, in unterschiedlichen Richtungen). In einem nächsten Schritt wird dann jene der Hälften, in welcher die Abweichung festgestellt wurde (eine erhöhte Strahlungsleistung), erneut in zwei Hälften unterteilt, und wird die in diesen beiden Hälften gemessene Strahlungsleistung verglichen. Dies wird solange fortgesetzt, bis die Schadstelle mit hinreichender Genauigkeit lokalisiert ist.
Bezugszeichenliste

1: Mikrospiegelaktor
2: Lichtquelle
3: Beleuchtungslicht
4: Zuführoptik
5: Strahlenbündel
7: Sensoreinheit
8: Beleuchtungsoptik
9: Ein-Strahlenbündel
10: Aus-Strahlenbündel
12: Sensoroptik
20: Pumpstrahlungsquelle
21: Pumpstrahlung
22: Leuchtstoffelement
23: Einstrahlfläche
24: Abstrahlfläche
28: Pumpstrahlungs-Sensor
29: Wellenabhängiger Filter
30: Mikrospiegel-Array
31: Steuereinheit
32: Auswerteeinheit
33: Fahrzeugsensor

Claims

Beleuchtungsvorrichtung mit einer Lichtquelle (2) zur Emission eines Beleuchtungslichts (3), einem Mikrospiegel-Array (30) mit einer Mehrzahl Mikrospiegelaktoren (1), einer Beleuchtungsoptik (8) und einer optischen Sensoreinheit (7), wobei das von der Lichtquelle (2) emittierte Beleuchtungslicht (3) auf die Mikrospiegelaktoren (1) geführt und an diesen reflektiert wird und mit der Reflexion im zeitlichen Integral - ein Ein-Strahlenbündel (9) von den Mikrospiegelaktoren (1) in einer jeweiligen Ein-Kippstellung über die Beleuchtungsoptik (8) zu einer Beleuchtungsanwendung reflektiert wird und - ein Aus-Strahlenbündel (10) von den Mikrospiegelaktoren (1) in einer jeweiligen Aus-Kippstellung neben die Beleuchtungsoptik (8) reflektiert wird, wobei ein in dem Aus-Strahlenbündel (10) enthaltener Teil des Beleuchtungslichts (3) zumindest anteilig auf die optische Sensoreinheit (7) geführt wird, - einer Steuereinheit (31) zur Ansteuerung des Mikrospiegel-Arrays (30), die derart eingerichtet ist, dass ein jeweiliger Mikrospiegelaktor (1), wenn er sich in einer Betriebsperiode in der Ein-Kippstellung befindet, während dieser Betriebsperiode gleichwohl auch in einem jeweiligen Zeitpunkt in die Aus-Kippstellung gebracht wird, - einer Auswerteeinheit (32), die dazu eingerichtet ist, in der Betriebsperiode ausschließlich die sich in der Betriebsperiode in der Ein-Kippstellung befindlichen Mikrospiegelaktoren (1) auszuwerten, nämlich wenn sie in einem jeweiligen Zeitpunkt in die Aus-Kippstellung gebracht werden, wobei die Lichtquelle (2) das Beleuchtungslicht (3) an einer Abstrahlfläche (24) mit einer Ortsverteilung emittiert, die mit einer Ortsverteilung auf dem Mikrospiegel-Array (30) korreliert, und die Auswerteeinheit (32) der Beleuchtungsvorrichtung dazu eingerichtet ist, durch ein zumindest gruppenweise sequenzielles Auswerten der Mikrospiegelaktoren (1) eine Abweichung in der Emission an der Abstrahlfläche (24) ortsaufgelöst zuzuordnen.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Lichtquelle (2) eine Pumpstrahlungsquelle (20) zur Emission von Pumpstrahlung (21) aufweist, sowie ein Leuchtstoffelement (22) zur zumindest teilweisen Konversion der Pumpstrahlung (21) in ein Konversionslicht, welches zumindest anteilig das Beleuchtungslicht (3) bildet, welches Leuchtstoffelement (22) bevorzugt in Transmission betrieben wird.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher ein Pumpstrahlungs-Sensor (28) der Sensoreinheit (7) dazu eingerichtet ist, zumindest überwiegend eine Strahlungsleistung im Spektralbereich der Pumpstrahlung zu erfassen, vorzugsweise durch Befilterung des Pumpstrahlungs-Sensors (28), besonders bevorzugt mit einem wellenlängenabhängigen Filter (29) und/oder einem Polarisationsfilter.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, bei welcher ein Konversionslicht-Sensor der Sensoreinheit (7) dazu eingerichtet ist, zumindest überwiegend eine Strahlungsleistung im Spektralbereich des Konversionslichts zu erfassen, vorzugsweise durch Befilterung des Konversionslicht-Sensors.
Beleuchtungsvorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, wobei die Auswerteeinheit (32) dazu eingerichtet ist, einen aus einem ersten Sensorsignal des Pumpstrahlungs-Sensors (28) und einem zweiten Sensorsignal des Konversionslicht-Sensors gebildeten Term auszuwerten.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher in dem Aus-Strahlenbündel (10) ein Bestrahlungsstärkereduzierer angeordnet ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Auswerteeinheit (32) dazu eingerichtet ist, die Mikrospiegelaktoren (1) bei dem sequenziellen Auswerten in mehrere vordefinierte und das Mikrospiegel-Array (30) rasterartig abdeckende Gruppen zu unterteilen, um die Gruppen in mehreren Iterationen nacheinander und dabei je Iteration die Mikrospiegelaktoren (1) der jeweiligen Gruppe gemeinsam zu vermessen.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 7, bei welcher die Auswerteeinheit (32) dazu eingerichtet ist, die Mikrospiegelaktoren (1) bei dem sequenziellen Auswerten in mehrere Gruppen zu unterteilen, um in mehreren Iterationen die Gruppen nacheinander und dabei je Iteration die Mikrospiegelaktoren (1) der jeweiligen Gruppe gemeinsam zu vermessen, wobei über mehrere der Iterationen hinweg die Anzahl der je Iteration ausgewerteten Mikrospiegelaktoren (1) schrittweise verringert und damit die Abweichung lokalisiert wird.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 8, bei welcher die Auswerteeinheit (32) dazu eingerichtet ist, bei dem sequenziellen Auswerten zunächst die in einer Hälfte des Mikrospiegel-Arrays (30) angeordneten Mikrospiegelaktoren (1) und dann die in der anderen Hälfte davon angeordneten Mikrospiegelaktoren (1) jeweils gemeinsam auszuwerten, um anschließend für eine verbleibende der beiden Hälften, welcher die Abweichung zuzuordnen ist, wiederum nacheinander zunächst die in einer Hälfte der verbleibenden Hälfte und dann die in der anderen Hälfte davon angeordneten Mikrospiegelaktoren (1) jeweils gemeinsam auszuwerten und die Abweichung zuzuordnen.
Verwendung einer Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in einem Kfz-Scheinwerfer zur adaptiven Straßenausleuchtung, bei welcher vorzugsweise zur Vermeidung einer Blendung anderer Verkehrsteilnehmer diese von der Beleuchtung ausgenommen werden.
Verwendung nach Anspruch 10, bei welcher die Mikrospiegelaktoren (1) des Mikrospiegel-Arrays (30) in Abhängigkeit von einer Messung mit einem Fahrzeugsensor (33), insbesondere einem Kamerabild, selektiv in die Ein- oder die Aus-Kippstellung gebracht werden, insbesondere zur Vermeidung einer Blendung anderer Verkehrsteilnehmer.