-
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Erzeugen einer Lichtpunktfolge, von einer Spiegelweiche, von einer Leuchtvorrichtung, von einem Scheinwerfer, wie von einem Kraftfahrzeugscheinwerfer und von einem Effektscheinwerfer, und von einer Laserschweißvorrichtung.
-
Für einen Scheinwerfer auf Basis von LEDs, also Licht emittierenden Dioden, benötigt man möglichst viele den Scheinwerfer verlassende Lichtstrahlen, um eine gleichmäßige Lichtverteilung zu erzielen und durch Abschalten einzelner Lichtstrahlen ein Blenden anderer Verkehrsteilnehmer zu verhindern. Hierzu werden gegenwärtig eine Vielzahl an LEDs verbaut. Diese Vielzahl an LEDs erhöht den Preis der Scheinwerfer. Des Weiteren verursacht die Vielzahl an LEDs eine aufwendige und störanfällige Steuerungselektronik.
-
Wird, wie beispielsweise beim Laserschweißen eines dünnen Blechs mittels eines cw-Lasers, eine Lichtquelle mit einer hohen Abgabeleistung mit einem Ziel mit einem geringen Leistungsbedarf bzw. einem geringen zulässigen Leistungseintrag kombiniert, benötigt man eine schnell umschaltende Steuerung.
-
Aus dem Stand der Technik bekannt ist eine Vorrichtung für eine Leuchte mit zumindest einem Befestigungskörper, an dem zumindest zwei Strahlungsquellen befestigt sind, wobei der Befestigungskörper bewegbar ist, um durch eine Änderung einer Position der Strahlungsquellen zumindest eine Eigenschaft einer von der Leuchte abstrahlbaren Strahlung einzustellen.
-
Für Laserschweißvorrichtungen ist bekannt, einen gepulsten Laser als Lichtquelle zu verwenden, wobei die Pulse des gepulsten Lasers mittels einer den Lichtstrahl der Lichtquelle lenkenden Spiegelweiche zu einer Vielzahl an Zielobjekten gesendet bzw. gerichtet werden. Dabei sind diese bekannten Spiegelweichen als ein um seine Flächenlängsachse rotierender Einzelspiegel gebildet. Die Änderung des Strahlengangs wird dabei während einer Nachladezeit von Kondensatoren der Lichtquelle umgesetzt bzw. realisiert, wobei die Kondensatoren die elektrische Energie des Lichtpulses speichern bzw. aufbauen. Eine solche Spiegelweiche bzw. eine solche Steuerung einer Spiegelweiche hat jedoch den Nachteil, dass sie nicht mit einer kontinuierlichen Lichtquelle wie einem sogenannten cw-Laser kombinierbar ist, der keine Nachladezeit aufweist.
-
Der in der vorliegenden Patentanmeldung verwendete Begriff Spiegelweiche umfasst beispielsweise eine Lichtlenkvorrichtung, die mit Hilfe zumindest eines lichtreflektierenden Elements einen oder mehrere Lichtstrahlen bzw. Lichtbündel vollständig oder teilweise in unterschiedliche Richtungen lenkt. Insbesondere umfasst der Begriff Spiegelweiche auch eine Lichtlenkvorrichtung, die mittels mindestens eines lichtreflektierenden Elements einen Lichtstrahl bzw. ein Lichtbündel zeitlich versetzt in mehrere unterschiedliche Richtungen lenkt.
-
Ein Aspekt bei Laser-Strahlenquellen ist, dass diese potentiell gefährlich sind. Deswegen wird es bevorzugt, wenn diese betriebssicher ein- und ausgeschaltet werden können. Bekannt ist, in Laser-Strahlenquellen Spiegel mechanisch einzuschwenken, wenn der Laserstrahl in einen Arbeitsraum einstrahlen soll. Der Antrieb hierfür kann elektrisch, mechanisch oder hydraulisch sein, und einen Elektromotor, einen Pneumatikzylinder, einen Drehmagneten oder dergleichen beinhalten.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Lichtstrahl einer Lichtquelle auf eine Vielzahl von Zielen in zeitlich kurzer Folge umzuschalten bzw. zu verteilen.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Erzeugen einer Lichtpunktfolge nach Anspruch 1, eine Spiegelweiche nach Anspruch 2, eine Leuchtvorrichtung nach Anspruch 9, einen Scheinwerfer nach Anspruch 12, einen Kraftfahrzeugscheinwerfer nach Anspruch 13, einen Effektscheinwerfer nach Anspruch 14, und/oder eine Laserschweißvorrichtung nach Anspruch 15.
-
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
-
Unabhängig beanspruchbar ist ein Verfahren zum Erzeugen einer Lichtpunktfolge, indem in einen Lichtweg einer Lichtquelle nacheinander Umlenkspiegel mittels eines Rotierens um eine Rotationsachse eingeschwenkt und/oder ausgeschwenkt werden, welche entlang der Rotationsachse längsversetzt verteilt und um die Rotationsachse herum winkelversetzt verteilt sind. Indem die Umlenkspiegel nacheinander den Lichtweg verändern, wird der Lichtstrahl von der Lichtquelle auf eine Vielzahl von entlang der Längserstreckung der Spiegelweiche angeordneten Zielen in zeitlich kurzer Folge umgeschaltet.
-
Unter einem Lichtweg kann eine etwa gerade Ausbreitungsrichtung eines Lichts verstanden werden. Unter einem Lichtstrahl kann eine zeitlich veränderliche Route von einer Lichtquelle zu einer Lichtsenke verstanden werden. Je nach Schwerpunkt können die Begriffe auch austauschbar und/oder synonym verwendet sein.
-
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugbare Lichtpunktfolge kann als eine zeitlich versetzte Folge von Lichtpunkten bezeichnet sein. Anstelle des Begriffs oder zusätzlich zu dem Begriff „eingeschwenkt“ können die Begriffe „eingedreht“ und/oder „hineinrotiert“ verwendet werden. Anstelle des Begriffs oder zusätzlich zu dem Begriff „ausgeschwenkt“ können die Begriffe „hinausgedreht“ und/oder „hinausrotiert“ verwendet werden.
-
Der Umlenkspiegel kann präzisiert werden als ein zum Reflektieren zumindest eines Teils bzw. Anteils (Teilreflexion) oder des gesamten Teils bzw. Anteils (Vollreflexion) des elektromagnetischen Spektrums nach dem Reflexionsgesetz vorbereiteter Reflektor. Vorzugsweise ist der Umlenkspiegel zum Reflektieren in zumindest einem Teil oder im gesamten Teil des durch die Lichtquelle definierbaren und/oder definierten elektromagnetischen Spektrums vorbereitet.
-
Unabhängig beanspruchbar ist eine Spiegelweiche mit einer rotierbar gelagerten Walze, an der, entlang ihrer Walzenlängsachse längsversetzt verteilt und um die Walzenlängsachse herum winkelversetzt verteilt, Umlenkspiegel so angeordnet sind, dass bei einer Rotation der Walze um ihre Walzenlängsachse herum die Umlenkspiegel nacheinander in einen Lichtweg eine Lichtquelle eindrehbar sind. Die erfindungsgemäße Spiegelweiche ermöglicht, bei einer Rotation der Walze, den Lichtstrahl einer Lichtquelle nacheinander an den verschiedenen Umlenkspiegeln in verschiedene Ausgangslichtstrahlen in zeitlich kurzer Folge umzuschalten bzw. zu verteilen. Hierbei ist festzustellen, dass im Allgemeinen eine erzeugte Punktwolke nicht fortlaufend vorgesehen sein muss, da beispielsweise bei Vorsehen von vier Spiegeln zuerst Spiegel 1, dann Spiegel 4, dann Spiegel 3, dann Spiegel 2 in den Lichtweg hineingedreht werden können. Auf diese Weise kann auf eine vorgegebene Platzierung der Spiegel reagiert werden, oder es kann eine geeignete Platzierung der Spiegel erreicht werden. Mithin kann weiterbildend vorgesehen sein, dass die Umlenkspiegel nacheinander sequentiell und/oder teilweise sequentiell und/oder nicht-sequentiell in einen Lichtweg eine Lichtquelle eindrehbar sind, so dass eine situationsanpassbare Spiegelweiche erreicht werden kann.
-
Mit anderen Worten: in den Lichtweg werden mittels einer Walze Umlenkspiegel eingedreht, die den Lichtstrahl der Lichtquelle um einen bestimmten Winkel, wie beispielsweise jeweils 90°, umlenken. Die Spiegel sind nacheinander auf der Walze positioniert. Dadurch ergeben sich nach der Reflexion an den jeweiligen Umlenkspiegeln mehrere Lichtpunkte, die hintereinander liegen können.
-
Wenn der Längsversatz der Umlenkspiegel entlang der Walzenlängsachse gleichmäßig ist, ermöglicht dies in konstruktiv einfacher Weise einen gleichmäßigen Abstand zwischen den die Lichtweiche verlassenden Ausgangslichtstrahlen bzw. Ausgangslichtwegen, sodass mit einfachen Mitteln eine gleichmäßige Lichtverteilung erreichbar ist. Der Längsversatz ist die Länge bzw. der Abstand entlang der Walzenlängsachse, um den zwei jeweilige Umlenkspiegel längsversetzt sind.
-
Wenn der Winkelversatz der Umlenkspiegel um die Walzenlängsachse herum gleichmäßig ist, ermöglicht dies in konstruktiv einfacher Weise einen gleichmäßigen zeitlichen Versatz zwischen den Ausgangslichtstrahlen, sodass mit einfachen Mitteln eine gleichmäßige Lichtverteilung erreichbar ist. Der Winkelversatz ist der Winkel bzw. der Bogenmaßabstand um die Walzenlängsachse herum, um die zwei jeweilige Umlenkspiegel winkelversetzt sind.
-
Wenn sowohl der Längsversatz der Umlenkspiegel entlang der Walzenlängsachse gleichmäßig ist, als auch der Winkelversatz der Umlenkspiegel um die Walzenlängsachse herum gleichmäßig ist, ermöglicht dies somit, mit einfachen Mitteln eine gleichmäßige Ausgangs-Lichtverteilung zu erreichen.
-
Wenn der Winkelversatz der Umlenkspiegel dem Quotienten aus 360° geteilt durch die Anzahl der Umlenkspiegel entspricht, ermöglicht dies, die Leistung der Lichtquelle über die gesamte Rotation der Walze hinweg gleichmäßig zu nutzen, mithin eine Lichtweiche mit einem hohen Wirkungsgrad zu erreichen.
-
Weisen die Umlenkspiegel eine plane Oberfläche auf, weisen die Ausgangslichtstrahlen die gleiche Winkelverteilung wie der Eingangslichtstrahl auf. Des Weiteren lassen sich durch die gleichmäßige Spiegelform Ungleichförmigkeiten bei der Rotations-Massenträgheit weitgehend vermeiden. Spiegel mit einer planen Oberfläche sind relativ preiswert.
-
Weisen die Umlenkspiegel jeweils eine gekrümmte Spiegelfläche auf, kann wegen der räumlichen Ausdehnung des Eingangslichtstrahls, also des von der Lichtquelle abgegebenen und in die Lichtweiche eintretenden Lichtstrahls, an den Umlenkspiegeln jeweils eine Lichtlinie und/oder ein Lichtkegel als Ausgangsreflexion erzeugt werden. Konvex gekrümmte Oberflächen wirken im Allgemeinen lichtstreuend. Konkav gekrümmte Oberflächen wirken im Allgemeinen lichtfokussierend.
-
Weisen die Umlenkspiegel eine Freiformoberfläche auf, kann ein gewünschter Reflexionseffekt erzielt werden, so dass die Lichtweiche an Anforderungen anpassbar ist.
-
Die Begriffe „plane Oberfläche“, „gekrümmte Oberfläche“, „Reflexionsfläche“, „Reflexionsoberfläche“ und „Freiformoberfläche“ beziehen sich auf die Reflexionsgrenzfläche, und vorzugsweise auf den Reflexionseffekt der Reflexionsgrenzfläche im Zusammenwirken einer mit gegebenenfalls vorhandenen, durch die Strahlung zu durchdringenden und die Reflexionsgrenzfläche zumindest teilweise bedeckende Beschichtung, beispielsweise eine Antireflex-Beschichtung und/oder eine dichroitische Beschichtung oder dergleichen.
-
Weisen die Umlenkspiegel jeweils eine zusammenwirkend korrespondierende Krümmung auf, kann der Energieeintrag im zu bestrahlenden Zielobjekt auf einen vorbestimmten Wert begrenzt werden. Ferner kann so die Leuchtdichte eines Lichtfächers konstant gehalten werden. Weisen die Umlenkspiegel jeweils eine gleiche Krümmung auf, kann der Energieeintrag in die Umlenkspiegel auf einen vorbestimmten Wert begrenzt werden. Unter einer zusammenwirkend korrespondieren Krümmung kann verstanden werden, dass die Krümmung der einzelnen Spiegel in der Reihenfolge, mit der sie in den Lichtweg eingedreht werden, einer mathematischen Funktion gemäß geändert wird. Eine zusammenwirkend korrespondieren Krümmung umfasst also beispielsweise eine zunehmende Krümmung zum Bewirken eines Fächers, um so den Energieeintrag im zu bestrahlenden Zielobjekt auf einen vorbestimmten Wert zu begrenzen. Eine zusammenwirkend korrespondieren Krümmung umfasst also beispielsweise auch eine abnehmende-zunehmende-abnehmende Krümmung, um zu bewirken, dass die Leuchtdichte eines Lichtfächers konstant gehalten wird, dass also die Leuchtdichte in der Mitte des Fächers betragsmäßig der Leuchtdichte am Rand des Fächers zumindest näherungsweise nahekommt. Unter einer zusammenwirkend korrespondieren Krümmung kann auch verstanden werden, dass diese derart konfiguriert ist, dass eine Intensitätsverteilung einstellbar ist.
-
Sind die Umlenkspiegel paraboloide oder ellipsoide oder geeignet freiförmig ausgeformte Spiegel, lassen sich Lichtpunkte erzeugen, die in entsprechende Lichtleitfasern und/oder Lichtleitelemente (wie optische Taper) einkoppelbar sind. Des Weiteren lassen sich durch eine gleichmäßige Spiegelform Ungleichförmigkeiten bei der Rotations-Massenträgheit weitgehend vermeiden.
-
Durch eine Kombination von gekrümmten, planen, paraboloiden, ellipsoiden und freiförmigen Spiegeln ist die Spiegelweiche an den jeweiligen Anwendungsfall anpassbar.
-
Die Umlenkspiegel können vorzugsweise eine Kegelstumpfsektor-förmige bzw. Kegelstumpfsektor-förmig gekrümmte Reflexionsfläche bzw. Reflexionsoberfläche aufweisen, die derart geformt ist, dass ein während einer Rotation der Walze auf die Reflexionsfläche eines einzelnen Umlenkspiegels kontinuierlich oder zumindest zeitabschnittsweise treffender Lichtstrahl eine Menge von zusammen etwa kontinuierlichen und jeweils in der Abstrahlungsrichtung etwa gleichbleibenden und/oder Formationsangeordneten Ausgangslichtwege ergibt. Somit kann ein Lichtstrahl einer kontinuierlich emittierenden Lichtquelle in einen Bündel vom Winkel her etwa gleichbleibend ausgerichteter reflektierten Lichtstrahlen münden. Weiterbildend kann vorgesehen sein, dass die Umlenkspiegel einen Überlappungswinkel aufweisen, sodass eine kontinuierlich emittierende Lichtquelle etwa vollständig genutzt wird.
-
Die Umlenkspiegel können in einem festgelegten Winkel (sogenannter Schnittwinkel) zur Walzenlängsachse an der Walze angebracht und/oder an der Walze festgelegt sein, so dass sich ein besonders steifes System ergibt.
-
Besonders bevorzugt sind die Umlenkspiegel unter einem spitzen Winkel von etwa 45° zur Walzenlängsachse so an der Walze festgelegt, wobei die Spiegelweiche dazu vorbereitet ist, dass der Lichtweg der Lichtquelle Walzenlängsachsen-parallel angeordnet ist, sodass sich ergebende Ausgangslichtwege zur Walzenlängsachse etwa rechtwinklig stehen. Der Begriff „etwa“ kann beispielsweise bedeuten, dass eine Abweichung in den fachüblichen Toleranzen oder von bis zu 5% vorhanden sein kann.
-
Zusätzlich oder alternativ können die Umlenkspiegel in einem veränderlichen Winkel zur Walzenlängsachse an der Walze angebracht sein, so dass sich ein veränderliches bzw. anpassbares System ergibt. Der veränderliche Winkel kann einstellbar sein, so dass sich ein präzises System ergibt. Der Winkel kann während des Betriebs veränderlich sein, so dass eine Anpassung im laufenden Betrieb beispielsweise mittels einer Rückmeldungs-Steuerung (Regelung) möglich ist. Der Winkel kann zur Hand-betätigbaren und/oder zur Aktor-betätigbaren und/oder zur Zwangskraftbetätigbaren und/oder beliebig betätigbaren Verstellung vorbereitet sein. Eine Hand-betätigbare Verstellung ermöglicht besonders bei Experimenten eine schnelle und hohe Variabilität. Eine Aktor-betätigbare Verstellung ermöglicht eine hohe Wiederholgüte der Winkelverstellung. Eine Zwangskraft-betätigbare Verstellung ermöglicht beispielsweise eine materialschonende Konstruktion.
-
Eine auch unabhängig beanspruchbare Variante der Zwangskraft-Verstellbarkeit sieht vor eine Spiegelweiche mit einer rotierbar gelagerten Walze, an der zumindest ein Umlenkspiegel so angeordnet ist, dass bei einer Rotation der Walze um ihre Walzenlängsachse herum der zumindest eine Umlenkspiegel Fliehkraft-betätigt und vorzugsweise ab einer Grenzdrehzahl in einen Lichtweg einer Lichtquelle eindrehbar ist, wobei falls mehr als ein Umlenkspiegel vorgesehen ist, die Umlenkspiegel an der Walze an der entlang ihrer Walzenlängsachse längsversetzt verteilt und um die Walzenlängsachse herum winkelversetzt verteilt so angeordnet sind, dass bei einer Rotation der Walze um ihre Walzenlängsachse herum die Umlenkspiegel nacheinander in den Lichtweg der Lichtquelle eindrehbar sind. Mit anderen Worten, der bzw. die Umlenkspiegel kann/können mittels der Fliehkraft bewegt werden. Auf diese Weise ist eine höhere Systemsicherheit gewährleistbar, indem die Umlenkspiegel den Lichtstrahl von der Lichtquelle erst ab eine Grenzdrehzahl bzw. Minimaldrehzahl umlenken.
-
Nochmals anders formuliert, die vorstehend beschriebene Spiegelweiche mit mehr als einem Umlenkspeigel kann so modifiziert werden, dass die Umlenkspiegel Fliehkraft-betätigt in den Lichtweg der Lichtquelle eindrehbar sind.
-
Weiter bevorzugt ist es, wenn die Umlenkspiegel ab etwa einer Grenzdrehzahl Fliehkraft-betätigt in den Lichtweg der Lichtquelle eindrehbar sind, so dass zuverlässiger Weise sichergestellt wird, dass erst ab etwa der Grenzdrehzahl das Licht der Lichtquelle an dem zumindest einen Umlenkspiegeln reflektiert werden kann.
-
In einer bevorzugten und unabhängig beanspruchbaren Ausgestaltung wird vorgesehen, dass die Umlenkspiegel Fliehkraft-betätigt ausfahrbar und/oder einfahrbar und/oder ausklappbar und/oder einklappbar und/oder ausschwenkbar und/oder einschwenkbar in den Lichtweg der Lichtquelle eindrehbar sind.
-
Auch bevorzugt und unabhängig beanspruchbar ist es, wenn bei der vorstehend beschriebenen Spiegelweiche mit zumindest einem und/oder mehr als einem Umlenkspiegel die Umlenkspiegel in einem Fliehkraft-betätigbar verstellbaren Winkel zur Walzenlängsachse so an der Walze angeordnet und/oder angebracht und/oder angelenkt und/oder gelagert und/oder gleitgelagert und/oder gegen einen Anschlag bewegbar gelagert sind, dass diese vorzugsweise ab einer Grenzdrehzahl ausklappbar bzw. in den Lichtweg der Lichtquelle einklappbar sind. Diese Verbindungsarten stellen eine konstruktiv einfache bewegliche Verbindung zwischen dem jeweiligen Umlenkspiegel und der Walze dar.
-
Dabei kann weiterbildend vorgesehen sein, dass die Umlenkspiegel gegen eine Vorspannkraft vorzugsweise ab etwa einer Grenzdrehzahl in den Lichtweg der Lichtquelle eindrehbar sind, um ein noch sichereres System zu erhalten.
-
Weiterbildend kann vorgesehen sein, dass die Umlenkspiegel gegen eine Vorspannkraft einer Feder, wie einer Druckfeder, einer Biegefeder, einer Zugfeder, einer Torsionsfeder, einer pneumatischen Feder, einer magnetisch anziehenden und/oder abstoßenden Feder, eines betätigbaren und/oder nicht-betätigbaren Aktors und/oder eines anderen dem elastischen Prinzip konstruierten Rückstellelements mit vorzugsweise etwa weg-proportionalem Rückstellkraftaufbau in den Lichtweg der Lichtquelle eindrehbar sind. Federn sind mechanisch sehr zuverlässige Systeme mit kleinem Bauraum. Besonders bevorzugt sind die Bauformen Biegefeder und/oder Torsionsfeder für ausklappende Umlenkspiegel und die Bauformen Zug-Schraubenfeder und Druck-Schraubenfeder für gleitgelagerte und/oder gegen einen Anschlag bewegbar gelagerte Umlenkspiegel. Der Begriff „etwa weg-proportionaler Rückstellkraftaufbau“ soll einen etwa linear weg-proportionalen Rückstellkraftaufbau (etwa gerade Federkennlinie), einen etwa exponential weg-proportionalen Rückstellkraftaufbau (etwa progressive Federkennlinie) und einen etwa logarithmisch weg-proportionalen Rückstellkraftaufbau (etwa degressive Federkennlinie) beinhalten. Insbesondere sollen Federn aus Federstahl und/oder Nichteisenmetallwerkstoff und/oder Nichtmetallwerkstoff und/oder einer Kombination daraus bedacht sein. Zu den Nichtmetallwerkstoffen für Federn zählen insbesondere ein Gas, eine Flüssigkeit, ein Gummi, ein Kunststoff, und/oder ein anderer Nichtmetallwerkstoff und/oder eine Kombination daraus. Im weiteren Sinne kann man ein Magnetfeld zu den Federn aus Nichtmetallwerkstoff zählen, um ein Nichtvorliegen eines metallischen Berührens zu charakterisieren, beispielsweise um eine Federwirkung in einer für Metallwerkstoffe stark korrosiven Umgebung zu erreichen, oder um ein Nichtvorliegen eines elektrisch leitfähigen Kontakts zu erreichen.
-
Die Umlenkspiegel können vorteilhaft situations-/anwendungsanpassbar auch dazu vorbereitet sein, Fliehkraft-unbetätigt durch einen Aktor bei einem beliebigen gesteuerten und/oder rückmeldungsgesteuerten und/oder gewählten und/oder ferngesteuerten und/oder Bedienerferngesteuerten Moment und/oder Zustand in den Lichtweg der Lichtquelle eingedreht zu werden.
-
Besonders bevorzugt ist, wenn die Spiegelweiche dazu vorbereitet ist, dass der und/oder die Umlenkspiegel bei einer bestimmten Lichtstrahleingangsfrequenz und/oder Lichtstrahlausgangsfrequenz in den Lichtweg der Lichtquelle eingedreht werden. Der Begriff „Lichtstrahleingangsfrequenz“ bezeichnet die Frequenz eintreffender Lichtstrahlen von der Lichtquelle, sei es durch eine gepulste und/oder geschaltete und/oder anders vorgesehen Licht-emittierende Lichtquelle. Der Begriff „Lichtstrahlausgangsfrequenz“ bezeichnet die Frequenz aus der Spiegelweiche austretender Lichtstrahlen, sei es durch eine auf einen einzigen Spiegel jeweils einmal oder mehrmals auftreffender Lichtstrahlen von der Lichtquelle, sei es durch eine gepulste und/oder geschaltete und/oder anders vorgesehen Licht-emittierende Lichtquelle, oder sei es durch ein Reflektiert-Werden eines kontinuierlichen Lichtstrahls an in den Lichtweg eingedrehten Umlenkspiegeln.
-
Die bestimmte Lichtstrahleingangsfrequenz beträgt vorzugsweise zumindest etwa 0,1 Hz (Hertz), weiter bevorzugt zumindest etwa 1 Hz, weiter bevorzugt zumindest etwa 4 Hz, weiter bevorzugt zumindest etwa 16 Hz, weiter bevorzugt zumindest etwa 32 Hz, weiter bevorzugt zumindest etwa 64 Hz, weiter bevorzugt zumindest etwa 128 Hz, weiter bevorzugt zumindest etwa 256 Hz, weiter bevorzugt zumindest etwa 512 Hz und weiter bevorzugt zumindest etwa 1024 Hz bzw. etwa 1 kHz (Kilohertz). Besonders bevorzugt ist eine bestimmte Lichtstrahleingangsfrequenz von etwa 400 Hz.
-
Die bestimmte Lichtstrahlausgangsfrequenz entspricht bevorzugt den jeweiligen bevorzugten Lichtstrahleingangsfrequenzen.
-
Besonders bevorzugt ist eine Konfiguration, bei der die Lichtstrahleingangsfrequenz und die Lichtstrahlausgangsfrequenz jeweils zumindest etwa 400 Hz betragen, wobei 4 Umlenkspiegel und ein Rotationsantrieb vorgesehen sind, und wobei der Rotationsantrieb die Walze mit 100 Hz bzw. 100 U/sec (Umdrehungen pro Sekunde) bzw. 6000 U/min (Umdrehungen pro Minute) antreibt.
-
Mit anderen Worten, es ist vorsehbar, dass die Spiegelweiche dazu vorbereitet ist, dass in einer Ruhelage der Walze und/oder zumindest unterhalb etwa einer Grenzdrehzahl der Walze die Umlenkspiegel in einer Sicherheitslage und/oder Sicherheitsposition außerhalb des Lichtwegs der Lichtquelle angeordnet sind, und die Umlenkspiegel Fliehkraft-betätigt und/oder Aktor-betätigt und/oder anders betätigt die Umlenkspiegel zumindest ab etwa der Grenzdrehzahl eine in den Lichtweg der Lichtquelle eindrehbare andere Lage bzw. Arbeitslage bewegbar sind. Fachsprachlich formuliert kann somit der Strahlengang geöffnet werden. Dies hat den Vorteil einer erhöhten Sicherheit der Spiegelweiche.
-
Anstelle Fliehkraft-betätigt und/oder Aktor-betätigt und/oder anders betätigt in den Lichtweg der Lichtquelle einbringbaren Umlenkspiegel oder zusätzlich dazu kann eine oder zumindest eine optische Sperre vorgesehen sein, die Fliehkraft-betätigt und/oder Aktor-betätigt und/oder anders betätigt den Lichtweg zu dem Umlenkspiegel oder den Umlenkspiegeln blockiert.
-
Besonders bevorzugt ist die Spiegelweiche dazu vorbereitet, bei keiner und/oder einer zu geringen Drehzahl der Walze und/oder falls die Drehzahl der Walze unter einem gewählten Drehzahlschwellwert liegt, die Umlenkspiegel so angeordnet sind und/oder sich zumindest radial zu der Walze nicht bewegen, dass der Lichtweg der Lichtquelle, wie ein Laserstrahl, ein Energieabsorptionsteil trifft und/oder „nicht nach außen geht“ und/oder nicht in einen Arbeitsraum eintritt und/oder nicht an dem Umlenkspiegel oder den Umlenkspiegel reflektiert wird.
-
Die Fliehkraft-betätigten und/oder Aktor-betätigten und/oder anders betätigten Umlenkspiegel-Varianten haben den Vorteil, dass ein Laserzentralverschluss und/oder ein Antrieb für einen Laserzentralverschluss oder dergleichen eingespart werden kann.
-
Mit anderen Worten: bei den Fliehkraft-betätigten und/oder Aktor-betätigten und/oder anders betätigten Umlenkspiegel-Varianten ist eine Kopplung und/oder eine direkte Kopplung zwischen Sicherheit und Funktion der Spiegelweiche vorsehbar und/oder umsetzbar.
-
Eine Untermenge der Aktor-betätigbar verstellbaren Winkel stellen Umlenkspiegel in MEMS-Bauart dar, also Umlenkspiegel, die in der Bauart mikro-elektro-mechanischer Systeme an der Walze angebracht und/oder angelenkt sein und/oder antriebsbefestigt sein können. Solche Spiegel werden durch einen Mikroaktor in Schwingungen bzw. Resonanzschwinungen versetzt. Diese Spiegel oder Spiegelelemente können resonant oder nichtresonant um ihre jeweilige Schwingungsachse schwingen und beispielsweise ein Spiegelsystem bilden. Es können in einer weiteren Ausgestaltung auch ein oder mehrere Strahlungsquellen, wie beispielsweise Anregungslaser auf ein weiteres oder auf mehrere solcher Spiegelsysteme gerichtet sein, so dass ein durch die einzelnen Anregungsstrahlen zusammengesetzter Gesamt-Lichtstrahl gebildet wird, der bahnartig bewegbar oder „scanbar“ ist. Eine insbesondere bei einer zeilen- bzw. spaltenartigen Bewegung zum Überstreichen einer Zeile bzw. Spalte benötigte Frequenz kann als „Scanfrequenz“ bezeichnet werden. Die Scanfrequenz kann dabei so hoch gewählt werden, dass das menschliche Auge und/oder eine Kamera keine Bildaufbau-Artefakte erkennen kann, zum Beispiel im Bereich von einigen Hundert Hertz. Während des Scannens können die Strahlungsquellen mit konstanter Leistung und/oder mit wechselnder Leistung und/oder mit einem Pulsmodulationsbetrieb betrieben werden. Dadurch kann ein Muster bzw. Anregungsmuster mit einer örtlich fein abstimmbaren Leuchtdichteverteilung bereit gestellt werden. Im Falle von mehreren Spiegelsystemen, können sich die bereit gestellten Anregungsstrahlen auch auf einem Objekt überlappen.
-
Die Umlenkspiegel können eine jeweilige Breite und/oder eine jeweils gleiche Breite und/oder eine Kombination daraus aufweisen, um anpassbar an eine Anwendung zu sein.
-
Unabhängig beanspruchbar ist eine Spiegelweiche mit einer rotierbar gelagerten Walze, an der entlang ihrer Walzenlängsachse längsversetzt verteilt und um die Walzenlängsachse herum winkelversetzt verteilt Umlenkspiegel so angeordnet sind, dass bei einer Rotation der Walze um ihre Walzenlängsachse herum die Umlenkspiegel nacheinander und in einen Lichtweg eine Lichtquelle eindrehbar sind, wobei die Umlenkspiegel zum Gekühlt-Werden vorbereitet sind. Insbesondere bei nicht-vollständiger Reflexion an den Umlenkspiegeln kann so die Lebensdauer der Umlenkspiegel erhöht werden.
-
Falls die Umlenkspiegel so angeordnet sind, dass, wenn diese bei einer Rotation der Walze um die Walzenlängssache nacheinander in den Lichtweg der Lichtquelle eingedreht werden, die reflektierten Strahlen zueinander jeweils einen vorbestimmten Winkel aufweisen und/oder zueinander etwa parallel sind, kann ein an den jeweiligen Anwendungsfall angepasstes Ausgangslichtstrahlenmuster bzw. Ausgangslichtwegmuster, wie ein Ausgangslichtstrahlenfächer oder parallele Ausgangslichtstrahlen oder anders angeordnete Ausgangslichtstrahlen erzielt werden.
-
Wenn das von einem jeweiligen Umlenkspiegel reflektierte Licht jeweils in einem Strahlengang weggeführt wird, und dabei ein Teil der Strahlengänge oder alle Strahlengänge parallel zueinander angeordnet sind, und/oder dabei ein Teil der Strahlengänge oder alle Strahlengänge zueinander angewinkel sind, kann ebenfalls ein an den jeweiligen Anwendungsfall angepasstes Ausgangslichtstrahlenmuster, wie ein Ausgangslichtstrahlenfächer oder parallele Ausgangslichtstrahlen oder anders angeordnete Ausgangslichtstrahlen erzielt werden.
-
Die Spiegelweiche kann einen Rotationsantrieb aufweisen, um die Walze anzutreiben.
-
Vorzugsweise rotiert der Rotationsantrieb die Walze mit eine Frequenz von zumindest 25 Hz, weiter bevorzugt mit einer Frequenz von zumindest 50 Hz, weiter bevorzugt mit einer Frequenz von zumindest 75, weiter bevorzugt mit einer Frequenz von zumindest 100 Hz, weiter bevorzugt mit einer Frequenz von zumindest 250 Hz, weiter bevorzugt mit einer Frequenz von zumindest 500 Hz, weiter bevorzugt mit einer Frequenz von zumindest 750 Hz, noch weiter bevorzugt mit einer Frequenz von zumindest 1000 Hz.
-
Der Rotationsantrieb kann dazu vorbereitet sein, dass bei Verwendung mit einer gepulsten Lichtquelle die Lichtpulse zu der Rotation der Walze synchronisierbar sind. Somit kann beispielsweise erreicht werden, dass möglichst alle Lichtpulse reflektiert werden, sodass ein hoher Wirkungsgrad bzw. eine hohe Lichtausbeute erreicht werden kann. Bei einer hohen Energiedichte pro Lichtpuls kann ferner verhindert werden, dass die Energie innerhalb der Lichtweiche verbleibt und abgeführt werden muss.
-
Weiterbildend kann der Rotationsantrieb dazu vorbereitet sein, dass jeder Lichtpuls einen vorbestimmten, und vorzugsweise den der Reihe nach jeweils nächsten, Umlenkspiegel trifft. Der Rotationsantrieb kann dazu vorbereitet sein, dass jeder Lichtpuls einen vorbestimmten, und vorzugsweise den sequentiell der Reihe nach jeweils nächsten, Umlenkspiegel trifft. Der Rotationsantrieb kann dazu vorbereitet sein, dass jeder Lichtpuls einen vorbestimmten, und vorzugsweise den sequentiell (jeweils) nächsten, Umlenkspiegel trifft. Somit wird eine bestimmte Abfolge aus getroffenen Umlenkspiegeln erzielt, um das Ausgangslichtstrahlenmuster an den jeweiligen Anwendungsfall anpassen zu können. Man kann hier fachsprachlich auch von einer sequentiellen Auskopplung sprechen.
-
Die Spiegelweiche kann dazu vorbereitet sein, eine etwa homogene Leuchtdichteverteilung der Ausgangslichtstrahlen zu bewirken, wobei eine homogene Leuchtdichteverteilung dem Betrachter das Wahrnehmen erleichtert.
-
Die Spiegelweiche kann dazu vorbereitet sein, einen etwa durchgehenden Kurvenzug der Ausgangslichtstrahlen zu bewirken, wobei ein durchgehender Kurvenzug eine besonders gleichmäßige Ausleuchtung zur Folge hat.
-
Unabhängig beanspruchbar ist auch eine Leuchtvorrichtung mit einer Spiegelweiche wie vorstehend beschrieben, wobei die Leuchtvorrichtung zumindest eine Lichtquelle aufweist, wobei die Umlenkspiegel nacheinander in den Lichtweg dieser Lichtquelle eindrehbar sind. Durch die Integration der Lichtweiche und der Lichtquelle in einer Leuchtvorrichtung wird eine hoch-integrierbare und gut aufeinander abstimmbare Leuchtvorrichtung erzielt.
-
Eine Lichtquelle kann aus mehreren Einzellichtquellen gebildet sein, oder sie kann aus mehreren Sub-Lichtquellen zusammengesetzt sein (zusammengesetzter Lichtpunkt). Dabei können die jeweiligen Lichtstrahlen der Strahlungsquellen deckungsgleich abgestrahlt werden, oder lateral versetzt (kollinear) abgestrahlt werden, oder auch (leicht) winkelversetzt abgestrahlt werden, und zwar so, dass ihre Auftreffpunkte auf einem Spiegelelement sich vollständig überlappen, oder nur partiell überlappen oder sogar vollständig disjunkt sind.
-
Die erfindungsgemäße Lichtquelle kann grundsätzlich jede beliebige Strahlungsquelle sein, welche eine elektromagnetische Strahlung im sichtbaren, infraroten oder ultravioletten Bereich emittiert. Die Lichtquelle kann beispielsweise ausgebildet sein: als eine Glühlampe; als eine Halogenlampe; als eine Entladungslampe (High Intensity Discharge (HID)), insbesondere als eine Gasentladungslampe; als eine lichtemittierende bzw. Licht emittierende Diode (LED); als ein Laser, wie insbesondere ein nach dem Prinzip Laser Activated Remote Phosphor (LARP) arbeitendes System (Hinweis: der Begriff Phosphor ist umfasst fachsprachlich auch Phosphor-freie Leuchtstoffe); als ein nach einem Digital Light Processing (DLP)-Prinzip arbeitender Projektor; als eine IR-Strahlungsquelle, insbesondere als eine IR-Laserdiode; einen Excimer-Ultraviolett-Laser (wie ArF- oder KrF-Laser), eine Plasmalichtquelle, eine Elektronenstrahllichtquelle oder als eine andere, eine elektromagnetische Strahlung in und/oder teilweise in und/oder nahe bei und/oder teilweise nahe bei dem sichtbaren Bereich abgebende, wiedergebende und/oder erzeugende Vorrichtung.
-
Die lichtemittierende Diode (LED) kann in Form mindestens einer einzeln gehäusten LED oder in Form mindestens eines LED-Chips, der eine oder mehrere Leuchtdioden aufweist, vorliegen. Es können mehrere LED-Chips auf einem gemeinsamen Substrat („Submount“) montiert sein und eine LED bilden oder einzeln oder gemeinsam beispielsweise auf einer Platine (z.B. FR4, Metallkernplatine, etc.) befestigt sein („CoB“ = Chip on Board). Die mindestens eine LED kann mit mindestens einer eigenen und/oder gemeinsamen Optik zur Strahlführung ausgerüstet sein, beispielsweise mit mindestens einer Fresnel-Linse oder einem Kollimator. Anstelle oder zusätzlich zu anorganischen LEDs, beispielsweise auf Basis von AlInGaN oder InGaN oder AlIn-GaP, sind allgemein auch organische LEDs (OLEDs, z.B. Polymer-OLEDs) einsetzbar. Die LED-Chips können direkt emittierend sein oder einen vorgelagerten Leuchtstoff aufweisen. Alternativ kann die lichtemittierende Komponente eine Laserdiode oder eine Laserdiodenanordnung sein. Denkbar ist auch eine OLED-Leuchtschicht oder mehrere OLED-Leuchtschichten oder einen OLED-Leuchtbereich vorzusehen. Die Emissionswellenlängen der lichtemittierenden Komponenten können im ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Spektralbereich liegen. Die lichtemittierenden Komponenten können zusätzlich mit einem eigenen Konverter ausgestattet sein. Bevorzugt emittieren die LED-Chips weißes Licht im genormten ECE-Weißfeld der Automobilindustrie, beispielsweise realisiert durch einen blauen Emitter und einen gelb/grünen Konverter.
-
Gemäß einem anderen Aspekt kann unter einer Licht emittierenden Diode insbesondere eine LED mit einem nachgelagerten Leuchtstoff zur teilweisen Umwandlung von Primärlicht (Emissionslicht der LED) in Sekundärlicht (Konversionslicht des Leuchtstoffs); eine ein warmweißes Licht emittierende LED; eine ein kaltweißes Licht emittierende LED; eine LED, welche in Vollkonversion betrieben wird; eine LED ohne einen nachgelagerten Leuchtstoff; eine pixelierte LED-Matrixanordnung; eine organische LED (OLED) und/oder dergleichen verstanden werden.
-
Eine bevorzugte Lichtquelle ist ein Laser (light amplification by stimulated emission of radiation), also eine Lichtquelle, die ein sehr monochromatisches und hoch kohärentes Licht erzeugt, das sich gut fokussieren lässt und das hohe Intensitäten erreicht. Laser können in verschiedenen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums ausgestaltet sein: Mikrowellen, Infrarot, sichtbares Licht, Ultraviolett oder Röntgenstrahlung. Ein Laser kann bauartlich insbesondere in Gasentladungslaser, Halbleiterlaser und Festkörperlaser unterschieden werden, welche alle von der Erfindung bedacht sind. Ein Laser kann betriebsartlich kontinuierlich im sogenannten Dauerstrichbetrieb und diskontinuierlich im sogenannten Pulsbetrieb und Ultrakurzpulsbetrieb betrieben werden.
-
Eine bevorzugte Lichtquelle ist ein gepulster Laser, also eine Laserlichtquelle, die abwechselnd Laserlicht emittiert und nicht emittiert. Durch diesen Wechsel kann eine besonders hohe Energiedichte des Lichtstrahls erzeugt werden.
-
Eine bevorzugte Lichtquelle ist ein cw-Laser (continuous wave laser), also ein Laser im Dauerstrichbetrieb, d.h. eine Lichtquelle, die eine Lichtwelle zeitlich konstanter Intensität abstrahlt.
-
Eine bevorzugte Lichtquelle ist ein CO2-Laser, also ein Laser nach Gasentladungsbauart, dessen laseraktives Medium CO2-Gas (Kohlendioxid) ist. Hierbei soll auch die Bauform CO2-Slablaser umfasst sein. Besonders bevorzugt ist ein CO2-Laser mit einer Wellenlänge von 10,6 µm (Mikrometern), die in der Materialbearbeitung vorteilhaft verwendbar ist.
-
Eine bevorzugte Lichtquelle ist ein YAG-Laser, also ein Festkörperlaser aus einem Kristall aus Yttrium-Aluminium-Granat, der mit einer Blitzlampe gepumpt wird (lampengepumpt), oder zur Wirkungsgradsteigerung mit einem Diodenlaser gepumpt wird (diodengepumpt).
-
Eine bevorzugte Lichtquelle ist ein Nd:YAG-Laser, also ein Festkörperlaser aus einem mit Neodym dotierten Kristall aus Yttrium-Aluminium-Granat, der mit einer Blitzlampe gepumpt wird (lampengepumpt), oder zur Wirkungsgradsteigerung mit einem Diodenlaser gepumpt wird (diodengepumpt) . Der Nd:YAG-Laser weist vorzugsweise eine Wellenlänge von 1064nm (Nanometern) auf.
-
Beispielsweise können Wellenlängen zwischen 700 nm und 1200nm als im Infrarotbereich liegend bzw. als Infrarotwellenlängen bezeichnet sein, sodass im Infrarotbereich emittierende Laser oder Lichtquellen auch als Infrarotlaser bzw. IR-Laser oder Infrarotlichtquellen oder IR-Lichtquellen bezeichnet sein können.
-
Eine bevorzugte Lichtquelle ist eine Licht emittierende Diode (LED) wie vorstehend beschrieben.
-
Eine bevorzugte Lichtquelle ist ein Halbleiterlaser, auch Diodenlaser oder Diodenquelle genannt, also eine Halbleiterlichtquelle, welche Laserlicht emittiert.
-
Eine bevorzugte Lichtquelle ist eine Lichtquellenbatterie, also eine Anordnung von zumindest zwei Lichtquellen, deren Lichtstrahlen kombiniert werden. So kann eine höhere Lichtleistung bei gleichen Bauteilen erreicht werden. Eine Lichtquellenbatterie kann als Unter-Lichtquelle wieder eine Lichtquellenbatterie verwenden.
-
Bei der Leuchtvorrichtung können gemäß einer Weiterbildung die Spiegel mit einem Konverter in Reihenschaltung angeordnet sein. Mit dem Konverter kann eine Anregungsstrahlung in Nutzlicht, d.h. in Konversionsstrahlung und eventuell nicht konvertierte Anregungsstrahlung, (teil-)umgewandelt werden.
-
Bevorzugt ist eine Leuchtvorrichtung, bei der die Lichtquelle und der Konverter ein LARP-System bilden. Ein LARP-System (Laser Activated Remote Phosphor-System) verwendet die LARP-Technologie. Bei der LARP-Technologie wird ein von einer Strahlungsquelle beabstandet angeordnetes Konversionselement (hier vorzugsweise der Konverter), das einen Leuchtstoff aufweist oder daraus besteht, mit einer Anregungsstrahlung, insbesondere einem Anregungsstrahl oder Pumpstrahl oder Pumplaserstrahl, bestrahlt, insbesondere mit dem Anregungsstrahl einer Laserdiode. Die Anregungsstrahlung wird vom Leuchtstoff zumindest teilweise absorbiert und zumindest teilweise in eine Konversionsstrahlung oder in ein Konversionslicht umgewandelt, deren Wellenlängen und somit spektralen Eigenschaften und/oder Farbe durch die Konversionseigenschaften des Leuchtstoffs bestimmt wird. Bei der Down-Konversion wird die Anregungsstrahlung der Strahlungsquelle durch den bestrahlten Leuchtstoff in Konversionsstrahlung mit längeren Wellenlängen als die Anregungsstrahlung konvertiert. Beispielsweise kann so mit Hilfe des Konversionselements blaue Anregungsstrahlung, insbesondere blaues Laserlicht, in rote und/oder grüne und/oder gelbe Konversionsstrahlung konvertiert werden. Bei einer teilweisen Konversion ergibt dann beispielsweise eine Überlagerung von nichtkonvertiertem blauen Anregungslicht und gelbem Konversionslicht weißes Nutzlicht.
-
Das Konversionselement ist üblicher Weise mit einem Substrat verbunden und bildet dann zusammen mit dem Substrat einen Konverter. Der Konverter kann hierbei transmittierend ausgestaltet sein, wobei dann eine Einkoppelseite und eine Auskoppelseite bei dem Konversionselement für die Strahlung vorgesehen sind. Alternativ kann der Konverter als reflektiver Konverter ausgestaltet sein, bei dem dann eine Seite als Ein- und Auskoppelseite dient. Hierbei ist das Substrat dann reflektierend ausgebildet. Ein erfindungsgemäßer Umlenkspiegel kann als das Substrat dienen.
-
Der Vorteil bei der reflektiven Variante liegt in der besseren thermischen Anbindung des Konverters, da im Gegensatz zur transmissiven Variante keine optisch transparente Wärmesenke, wie beispielsweise ein Substrat, auf dem dann der Leuchtstoff angeordnet ist, erforderlich ist. So kann beispielsweise bei der reflektiven Variante der Leuchtstoff auf einem metallischen Spiegel angeordnet sein, dessen Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zum lichtdurchlässigen Substrat, wie beispielsweise Saphir, deutlich erhöht ist.
-
Der Hauptvorteil bei der transmissiven Variante liegt in der vorrichtungstechnisch einfachen Ausgestaltung eines optischen Gesamtsystems. So kann im Strahlengang zwischen der Laserdiode und dem Leuchtstoff eine erste Optik zum Zuführen der Anregungsstrahlung zum Leuchtstoff vorgesehen sein.
-
Im Nachgang zum Leuchtstoff kann eine weitere Optik angeordnet sein, die vom Leuchtstoff emittiertes Nutzlicht abbildet.
-
Bei der reflektiven Variante sind beide Optiken oder optischen Teilsysteme Prinzip bedingt im gleichen Halbraum angeordnet, was vorrichtungstechnisch aufwändig ist und eine Systemeffizienz herabsetzen kann. Bei der transmissiven Variante können dagegen die Optiken oder die optischen Teilsysteme in einem jeweiligen Halbraum, also vor und nach dem Leuchtstoff, angeordnet sein. Dies führt insbesondere zu einem großzügigeren Bauraum für die Optiken.
-
Wenn gemäß einer Weiterbildung der Konverter der Spiegelweiche nachgeschaltet ist, bzw. wenn sich der Konverter (optisch bzw. auf den Strahlengang bezogen) hinter der Spiegelweiche befindet, bzw. wenn der Konverter im Nachgang zu der Spiegelweiche angeordnet ist, können die durch die Spiegelweiche getrennten Lichtstrahlen über den Konverter verteilt werden, sodass der Energieeintrag pro Lichtstrahl in den Konverter, das Konversionselement und/oder das Substrat verringert sein kann. Bilden der Konverter und die Leuchtvorrichtung ein LARP-System, ermöglicht das Nachschalten des Konverters zu der Spiegelweiche beispielsweise ein transmissives LARP-System.
-
Wenn gemäß einer Weiterbildung der Konverter eine Vielzahl von Einzelkonvertern umfasst, die an den jeweiligen Umlenkspiegeln angebracht und/oder nachgelagert sind, ermöglicht dies eine Variation zwischen den Ausgangsstrahlen der Spiegelweiche, wie beispielsweise, dass jeder Umlenkspiegel eine andere Lichtfarbe erzeugt. Bilden der Konverter und die Leuchtvorrichtung ein LARP-System, ermöglicht das Anbringen je eines Konversionselements (Einzelkonverter) an den jeweiligen Umlenkspiegeln beispielsweise ein reflektives LARP-System. Ferner kann der Energieeintrag je Konverter um die Anzahl der Einzelkonverter reduziert sein. Durch die Rotation der Einzelkonverter um die Walzenlängsachse herum kann eine zusätzliche Kühlung der Konverter erreicht werden.
-
Spiegelweichen können je nach Anwendung mit unterschiedlicher Walzendurchmesser und Walzenlänge ausgebildet werden. So können Walzendurchmesser im Bereich von wenigen mm bis zu mehreren Dezimetern ausgeführt sein. Auch die Spiegelelemente können Seitenkanten von nur wenigen Millimetern bis zu einigen Dezimetern aufweisen. Die Spieggelseitenkanten können gleich oder unterschiedlich lang sein.
-
Bevorzugt ist, dass der Konverter zumindest etwa 10 µm (Mikrometer) dick ist. Weiter bevorzugt ist, dass der Konverter zumindest etwa 25 µm dick ist. Weiter bevorzugt ist, dass der Konverter etwa 50 µm dick ist. Weiter bevorzugt ist, dass der Konverter zumindest etwa 100 µm dick ist. Weiter bevorzugt ist, dass der Konverter zumindest etwa 150 µm dick ist. Weiter bevorzugt ist, dass der Konverter zumindest etwa 200 µm dick ist. Dabei soll die Dicke vorzugsweise nicht anhand der Geometrie des Konverterbauteils gemessen werden, sondern anhand der Länge des Durchdringungspfades bestimmt werden. Wenn beispielsweise ein Konverterbauteil 20 µm dick ist, aber im Reflexionsbetrieb zwei Mal durchlaufen wird, kann es als 40 µm dick gelten. Hierdurch wird verdeutlicht, dass ein dünneres Konverterbauteil verwendet werden kann, welches leichter zu kühlen ist.
-
Bei der Leuchtvorrichtung kann weiterbildend die Spiegelweiche mit einer Optik in Reihenschaltung angeordnet sein. Der Begriff Optik soll hierbei als Oberbegriff für optisch aktive Elemente wie Licht-leitende Elemente, Licht-brechende Elemente, Licht-beugende Elemente, Lichtschluckende Elemente und/oder eine Kombination daraus verstanden werden. Die Optik ermöglicht eine Manipulation des Lichtstrahls, um gewünschte Effekte zu erzielen.
-
Bei der Leuchtvorrichtung kann weiterbildend im Nachgang zu der Lichtweiche eine Optik angeordnet sein. Mit anderen Worten: die Optik kann weiterbildend der Lichtweiche nachgeschaltet sein. Vorzugsweise ist die Optik auch dem Konverter nachgeschaltet. Die nachgeschaltete Optik ermöglicht eine Anpassung an den jeweiligen Anwendungsfall.
-
Eine der Spiegelweiche nachgeordnete Optik kann insbesondere dazu vorbereitet sein, die Ausgangslichtwege der Lichtweiche jeweils und/oder teilweise und/oder gruppenweise und/oder auswählend und/oder gemeinsam auf zumindest ein Zielobjekt zu fokussieren.
-
Schließlich kann ein Scheinwerfer mit einer Spiegelweiche, wie vorstehend beschrieben, und/oder mit einer Leuchtvorrichtung, wie vorstehend beschrieben, vorteilhaft vorgesehen werden.
-
Der Scheinwerfer wird vorzugsweise bei einem Fahrzeug eingesetzt, man spricht dann von einem Kraftfahrzeugscheinwerfer. Das Fahrzeug kann ein Luftfahrzeug oder ein wassergebundenes Fahrzeug oder ein landgebundenes Fahrzeug sein. Das landgebundene Fahrzeug kann ein Kraftfahrzeug oder ein Schienenfahrzeug oder ein Fahrrad sein. Besonders bevorzugt ist das Fahrzeug ein Lastkraftwagen oder ein Personenkraftwagen oder ein Kraftrad. Das Fahrzeug kann des Weiteren als nicht-autonomes oder teilautonomes oder autonomes Fahrzeug ausgestaltet sein. Wird der Scheinwerfer für ein Fahrzeug eingesetzt, so handelt es sich dann bei diesem vorzugsweise um einen Frontscheinwerfer, in besonders bevorzugter Weise um einen Adaptive-Driving-beam (ADB) Frontscheinwerfer, der dafür eingerichtet ist, Gegenverkehr auszublenden. So kann bzw. können in Kombination mit einem Kamerasystem und einer bildverarbeitenden Elektronik, Gegenverkehr und vorausfahrende Fahrzeuge erkannt und zumindest bereichsweise ausgeblendet werden. Hierdurch ist denkbar, beispielsweise dauerhaft mit „Fernlicht“ zu fahren, ohne andere Verkehrsteilnehmer zu blenden, insbesondere wenn bestimmte Bedingungen vorliegen. Als Bedingungen können vorgesehen sein, dass das Fahrzeug außer Orts fährt und/oder eine Geschwindigkeit von über 50 km/h aufweist. Neben anderen Verkehrsteilnehmern können auch Hindernisse, wie beispielsweise Schilder, Fußgänger, Fahrradfahrer lokal ausgeblendet werden. Für Front-Scheinwerfer im Fahrzeugbereich ist das Beleuchtungslicht bevorzugt Weißlicht, dessen Farbort in einem CIE-Normfarbdiagramm (1931) in dem ECE-Weißfeld gemäß der ECE/324/Rev.1/Adb.47/Reg.No.48/Rev.12 liegt.
-
Weiterbildend kann die folgende Konfiguration vorgesehen sein. Bewegt sich ein mit einem erfindungsgemäßem Schweinwerfer ausgestattetes Fahrzeug unterhalb einer definierten Mindestgeschwindigkeit (zum Beispiel 60 km/h), verhindert eine Sicherheitsschaltung die Inbetriebnahme einer Laserlichtquelle und/oder eine Drehung der Spiegelwalze oberhalb der Grenzdrehzahl, und/oder verhindert ein Sicherheitselement das Herausgleiten eines beweglich gelagerten Spiegelelements. Auf diese Weise kann die Sicherheit erhöht werden, da keine eingebrachte Laserstrahlung von einem Umlenkspiegel umgelenkt wird, und somit nicht aus dem Fahrzeug austreten kann. Auf diese Weise kann eine Augensicherheit erhöht werden. Auch kann eine Sicherheitsschaltung aktiviert werden im Ansprechen auf ein Erkennen einer Gefahrensituation durch eine am Fahrzeug angebrachte Kamera oder durch einen am Fahrzeug angebrachten Sensor , sodass die Sicherheitsschaltung dann den Laserbetrieb und/oder eine Rotation der Walze unterbinden kann, wozu sie vorbereitet ist.
-
Weitere auch unabhängig beanspruchbare Anwendungsbereiche für den Scheinwerfer können Effektlichtbeleuchtungen (sogenannter Effektscheinwerfer), Entertainmentbeleuchtungen, Architainmentbeleuchtungen, Allgemeinbeleuchtungen, medizinische und therapeutische Beleuchtungen oder Beleuchtungen für den Gartenbau (Horticulture) sein.
-
Außerdem kann eine Laserschweißvorrichtung mit einer vorstehend beschriebenen Leuchtvorrichtung vorgesehen werden, wobei die Lichtquelle ein Laser ist. Somit wird der Effekt erreicht, dass der Laserschweiß-Lichtstrahl der Laserlichtquelle auf mehrere Lichtstrahlen verteilt wird; mit anderen Worten: Der Laserschweiß-Lichtstrahl der Laserlichtquelle wird in kurzer zeitlicher Folge auf verschiedene Ausgangslichtstrahlen umgeschaltet.
-
Der Laser der Laserschweißnaht kann insbesondere ein IR-Laser bzw. ein Laser im infraroten Bereich sein, um Werkstücke besonders gut schweißen zu können.
-
Diese Laserschweißvorrichtung kann insbesondere dazu vorbereite sein, eine Punktschweißnaht zu erzeugen. Dabei können die Schweißpunkte möglichst eng bzw. nahe nebeneinander angeordnet sein. Die Punktschweißnaht kann eine Punktschweißnaht mit dichter Punktfolge sein.
-
Die Rotationsachse der Spiegelweiche kann dazu vorbereitet sein, horizontal und/oder vertikal und/oder schräg ausgerichtet zu sein, und sie kann zusätzlich oder alternativ dazu vorbereitet sein, im Betrieb verdreht und/oder verkippt werden.
-
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
- 1 in schematischer Seitenansicht eine Spiegelweiche gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit vier Umlenkspiegeln an einer Walze, wobei die Darstellungen 1a bis 1d die Walze in vier Rotationspositionen zeigen, wobei jeweils ein anderer der Umlenkspiegel in den Lichtweg einer Lichtquelle eingeschwenkt ist,
- 2 in schematischer Seitenansicht einen Scheinwerfer gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit einem transmissiven LARP-System, wobei der Scheinwerfer eine Lasersichtquelle, eine erste Primäroptik, eine Spiegelweiche, eine zweite Primäroptik, einen Konverter und eine Sekundäroptik beinhaltet,
- 3 in schematischer Seitenansicht eine Spiegelweiche gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung, die für ein reflektives LARP-System vorbereitet ist, und
- 4 in perspektivischer Darstellung eine Spiegelweiche gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
-
Die 1 zeigt eine Spiegelweiche 2 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zu vier Zeitpunkten entsprechend den Darstellungen 1a bis 1d
-
Die Spiegelweiche 2 umfasst eine Walze 4, die sich entlang einer Walzenlängsachse 6 erstreckt. An der Walze 4 sind vier Umlenkspiegel 8 angebracht, nämlich der erste Umlenkspiegel 10, der zweite Umlenkspiegel 12, der dritte Umlenkspiegel 14 und der vierte Umlenkspiegel 16.
-
Die Umlenkspiegel sind zueinander entlang der Walzenlängsachse um einen Längsversatz 18 längsversetzt und um einen Winkelversatz 20 winkelversetzt (vgl. 4).
-
Eine Lichtquelle 22 ist so angeordnet, dass der aus ihr austretende Lichtstrahl 24 zu der Walzenlängsachse 6 parallel ist. Dabei sind der Lichtstrahl 24 und die Walzenlängsachse 6 weiter als um den Außenradius 26 der Walze und weniger als um den Außenradius 28 der Umlenkspiegel 8 voneinander beabstandet. Somit trifft der Lichtstrahl 24 auf einen in den sich aus dem Lichtstrahl 24 ergebenden Lichtweg 30 eingedrehten Umlenkspiegel 8.
-
Jeder der Umlenkspiegel 8 ist ein planer Umlenkspiegel mit einer planen Reflexionsoberfläche 32. Die Reflexionsoberfläche jedes der Umlenkspiegel 8 befindet sich in einer geometrischen Ebene 38, in welcher eine Tangente 34 liegt, die in der Mitte des jeweiligen Umlenkspiegels 8 in Umfangsrichtung um die Walzenlängsachse 6 herum an der Walzenaußenoberfläche 36 anliegt, und welche geometrische Ebene 38 die Walzenlängsachse 6 unter einem Schnittwinkel 40 schneidet. Der Schnittwinkel 40 beträgt bei der ersten Ausführungsform 45°.
-
Im Ergebnis resultiert aus dem 45° betragenden Schnittwinkel 40 und dem Walzenlängsachsen-parallelen Lichtweg 30, dass ein Abstrahlungswinkel 42 zwischen dem reflektierten Teil des Lichtstrahls 24, d.h. einem jeweiligen Ausgangslichtweg 66, und der Walzenlängsachse 6 ein rechter Winkel ist.
-
Wird die Walze 4 rotiert, werden ausgehend von dem Zustand der 1a, in welchem der erste Umlenkspiegel 10 in den Lichtweg 30 eingeschwenkt ist, während einer Rotation der Walze 4 um 90 Grad um ihre Walzenlängsachse 6 herum der erste Umlenkspiegel 10 aus dem Lichtweg 30 ausgeschwenkt und der zweite Umlenkspiegel 12 in den Lichtweg 30 eingeschwenkt, sodass der Zustand der 1b erreicht wird. Von dort aus werden während einer Rotation der Walze 4 um weitere 90 Grad um ihre Walzenlängsachse 6 herum der zweite Umlenkspiegel 12 aus dem Lichtweg 30 ausgeschwenkt und der dritte Umlenkspiegel 14 in den Lichtweg 30 eingeschwenkt, sodass der Zustand der 1c erreicht wird. Von dort aus werden während einer Rotation der Walze 4 um weitere 90 Grad um ihre Walzenlängsachse 6 herum der dritte Umlenkspiegel 14 aus dem Lichtweg 30 ausgeschwenkt und der vierte Umlenkspiegel 16 in den Lichtweg 30 eingeschwenkt, sodass der Zustand der 1d erreicht wird. Von dort aus werden während einer Rotation der Walze 4 um weitere 90 Grad um ihre Walzenlängsachse 6 herum der vierte Umlenkspiegel 16 aus dem Lichtweg 30 ausgeschwenkt und wieder der erste Umlenkspiegel 10 in den Lichtweg 30 eingeschwenkt, sodass wieder der Zustand der 1a erreicht wird.
-
Jeder der Umlenkspiegel 8 reflektiert den Lichtweg 30 in einen anderen Ausgangslichtweg 66, welche vorliegend zueinander parallel und um einen Ausgangsversatz 68 parallel zu der Walzenlängsachse 6 versetzt sind. Die in einem Ziel auftreffenden Ausgangslichtwege 66 erzeugen eine Lichtpunktfolge, was hier nicht dargestellt ist.
-
Die Spiegelweiche 2 und die Lichtquelle 22 bilden zusammen eine Leuchtvorrichtung 44.
-
Die Lichtquelle 22 ist ein Laser, und die Leuchtvorrichtung 44 ist Teil einer Laserschweißvorrichtung 46.
-
Nachfolgend wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung basierend auf der 2 erläutert, wobei nur auf Unterschiede zu der vorstehenden Ausführungsform abgestellt wird.
-
Die 2 zeigt nur teilweise einen Kraftfahrzeugscheinwerfer 48, der eine Leuchtvorrichtung 44 aus einer Spiegelweiche 2 und einer Lichtquelle 22 umfasst. Die Lichtquelle 22 ist ein Laser. Die Spiegelweiche 2 umfasst einen Rotationsantrieb 50, der die Walze 4 antreibt. Die Lichtquelle 22 ist wieder so angeordnet, dass der Lichtweg 30 zwischen den Radien 26, 28 parallel zu der Walzenlängsachse 6 verläuft.
-
Der Kraftfahrzeugscheinwerfer 48 ist ein LARP-System, also ein sogenanntes Laser Activated Remote Phosphor-System. Als solches umfasst der Kraftfahrzeugscheinwerfer 48 einen Konverter 52, der das von der Lichtquelle 22 emittierte Laserlicht als eine Anregungsstrahlung 54 nach dem Transmissionsprinzip in ein Nutzlicht 56 konvertiert, welches eine Konversionsstrahlung und eine nicht konvertierte Anregungsstrahlung 54 enthält. Dem Konverter 52 ist eine Primäroptik 58 vorgeschaltet und eine Sekundäroptik 60 nachgeschaltet. Die Primäroptik 58 umfasst eine zwischen der Lichtquelle 22 und der Spiegelweiche 2 angeordnete erste Primäroptik 62 und eine zwischen der Spiegelweiche 2 und dem Konverter 52 angeordnete zweite Primäroptik 64.
-
Jeder der Umlenkspiegel 8 reflektiert den Lichtweg 30 in einen anderen Ausgangslichtweg 66, welche vorliegend zueinander parallel und um einen Ausgangsversatz 68 parallel zu der Walzenlängsachse 6 versetzt sind.
-
Nachfolgend wird eine dritte Ausführungsform der Erfindung basierend auf der 3 erläutert, wobei nur auf Unterschiede zu den vorstehenden Ausführungsformen abgestellt wird.
-
Die 3 zeigt nur teilweise einen Kraftfahrzeugscheinwerfer 48 nach dem LARP-Prinzip. Im Unterschied zu der zweiten Ausführungsform ist jeweils ein einen Konverter 52 bildendes Konversionselement 72 direkt auf den jeweiligen Umlenkspiegeln 8 angebracht. Die Primäroptik 58 ist zwischen der Lichtquelle 22 und dem Konverter 52 angeordnet. Jeweils ein Konverter 52 umfasst also jeweils ein Konversionselement 72 und den jeweiligen Umlenkspiegel 8 als reflektierendes Substrat, wobei das jeweilige Konversionselement 72 an dem jeweiligen Umlenkspiegeln 8 angebracht ist.
-
Die Abstrahlung ist für die gestreute Laserstrahlung und die Konversionsstrahlung lambert'sch zur Oberfläche. Deshalb ist der Ausgangslichtweg 66 in der Darstellung näherungsweise senkrecht bzw. normal zur der Oberfläche des jeweilige Konversionselement 72 angeordnet.
-
Nachfolgend wird eine vierte Ausführungsform der Erfindung basierend auf der 4 erläutert, wobei nur auf Unterschiede zu den vorstehenden Ausführungsformen abgestellt wird.
-
Die Umlenkspiegel 8 weisen jeweils Kegelstumpfsektorförmige bzw. Kegelstumpfsektor-förmig gekrümmte Reflexionsoberflächen 32 auf. Die Reflexionsoberflächen 32 sind derart geformt, dass ein während einer Rotation der Walze 4 auf die Reflexionsoberfläche 32 eines einzelnen Umlenkspiegels 8 kontinuierlich treffender Lichtstrahl 24 eine Menge von zusammen etwa kontinuierlichen und jeweils in Bezug auf die Abstrahlungsrichtung etwa gleichbleibenden Ausgangslichtwege 66 ergibt.
-
Dabei weisen die Umlenkspiegel 8 in der Umfangsrichtung um die Walzenlängsachse 6 herum einen Überlappungswinkel auf, sodass sich die Umlenkspiegel 8 in einem Überlappungsbereich 70 gegenseitig überlappen.
-
Merkmale der einzelnen Ausführungsformen sind untereinander kombinierbar, austauschbar und/oder weglassbar.
-
Bezugszeichenliste
-
| Spiegelweiche |
2 |
| Walze |
4 |
| Walzenlängsachse |
6 |
| Umlenkspiegel |
8 |
| erster Umlenkspiegel |
10 |
| zweiter Umlenkspiegel |
12 |
| dritter Umlenkspiegel |
14 |
| vierter Umlenkspiegel |
16 |
| Längsversatz |
18 |
| Winkelversatz |
20 |
| Lichtquelle |
22 |
| Lichtstrahl |
24 |
| Außenradius der Walze |
26 |
| Außenradius der Umlenkspiegel |
28 |
| Lichtweg |
30 |
| Reflexionsoberfläche |
32 |
| Tangente |
34 |
| Walzenaußenoberfläche |
36 |
| geometrische Ebene |
38 |
| Schnittwinkel |
40 |
| Abstrahlungswinkel |
42 |
| Leuchtvorrichtung |
44 |
| Laserschweißvorrichtung |
46 |
| Kraftfahrzeugscheinwerfer |
48 |
| Rotationsantrieb |
50 |
| Konverter |
52 |
| Anregungsstrahlung |
54 |
| Nutzlicht |
56 |
| Primäroptik |
58 |
| Sekundäroptik |
60 |
| erste Primäroptik |
62 |
| zweite Primäroptik |
64 |
| Ausgangslichtweg |
66 |
| Ausgangsversatz |
68 |
| Überlappungsbereich |
70 |
| Konversionselement |
72 |
