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Die Erfindung geht aus von einer Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren und einen Fahrzeugscheinwerfer mit einer derartigen Anordnung.
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Als eine Lichtquelle für ein Lichtsystem ist aus dem Stand der Technik ein Laser Activated Remote Phosphor (LARP)-System bekannt, das die LARP-Technologie einsetzt. Bei dieser Technologie wird ein von einer Strahlungsquelle beabstandet angeordnetes Konversionselement, 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 beispielsweise in einem Fahrzeugscheinwerfer angewendet werden kann. LARP-Systeme für Fahrzeuganwendungen sind beispielsweise aus
DE 102010028949 A1 ,
DE 102012201307 A1 ,
US 9360175 B2 ,
DE 102015205510 A1 ,
DE 102015226636 A1 ,
DE 102015209340 A1 ,
DE 102015221049 A1 ,
DE 102015204817 A1 ,
DE 102016207780 A1 und
DE 102015213389 A1 bekannt.
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Außerdem ist bekannt, ein Digital-Micromirror-Device (DMD) oder ein oder mehrere Micro-Electro-Mechanical-Systeme (MEMS), die beispielsweise der oben beschriebenen LARP-Lichtquelle nachgeschaltet sind und zusammen mit der Lichtquelle ein Lichtsystem bilden, vorzusehen, um ein von einem Fahrzeugscheinwerfer abgestrahltes Licht einzustellen. Beide Systeme nutzen zur Lichtlenkung einen oder mehrere Spiegel bzw. Mikrospiegel.
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Des Weiteren sind aus dem Stand der Technik Sensorsysteme zur Umgebungserfassung bzw. zur Abstands- und Geschwindigkeitsmessung von Objekten, z.B. ein Light Detection and Ranging (LiDAR)-System, bekannt. Beim LiDAR-System setzen hochauflösende Sensorsysteme ebenfalls Spiegel bzw. Mikrospiegel ein.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung für ein Licht- und ein Sensorsystem zu schaffen, mit der im Vergleich zum Stand der Technik Bauraum, Gewicht und Kosten reduziert werden können. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Anwenden eines Licht- und Sensorsystems mit einer derartigen Anordnung bereitzustellen. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, einen Fahrzeugscheinwerfer mit einer derartigen Anordnung zu schaffen.
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Die Aufgabe hinsichtlich der Anordnung wird gelöst gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, hinsichtlich des Verfahrens gemäß den Merkmalen des Anspruchs 9 und hinsichtlich des Fahrzeugscheinwerfers gemäß den Merkmalen des Anspruchs 10.
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Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß ist eine Anordnung mit einer Lichtquelle für ein Lichtsystem vorgesehen, wobei der Lichtquelle eine adaptive Spiegelanordnung nachgeschaltet ist, über die von der Lichtquelle emittierbares Licht lenkbar oder modulierbar ist, und wobei eine Strahlungsquelle für ein Sensorsystem zur Umgebungserfassung vorgesehen ist. Die erfindungsgemäße Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung der Strahlungsquelle für das Sensorsystem über die adaptive Spiegelanordnung lenkbar ist.
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Im Stand der Technik werden Licht- und Sensorsysteme, z.B. das LARP-System und das LiDAR-System, separat aufgebaut und behandelt. Die gemeinsame Nutzung bzw. Kombination beider Systeme, z.B. in einem Fahrzeugscheinwerfer, hat eine hohe Komponentenzahl zur Folge.
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Die erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, dass das Lichtsystem und das Sensorsystem eine gemeinsame adaptive Spiegelanordnung nutzen. Es ist daher nicht notwendig, für das Lichtsystem und das Sensorsystem jeweils eine eigene Spiegelanordnung vorzusehen. Durch den hohen Integrationsgrad können Bauraum, Gewicht und insbesondere Kosten reduziert werden.
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Die Strahlung der Lichtquelle und die Strahlung der Strahlungsquelle können über ein optisches Element in einen gemeinsamen Strahlengang hin zur Spiegelanordnung führbar sein. Als optisches Element kann/können dabei ein oder mehrere Spiegel, ein oder mehrere dichroitische Spiegel, ein Lichtleiter, eine Linse, ein Reflektor, eine Blende, ein holografisches Element, ein Liquid Crystal Display (LCD), ein Digital Mirror Device (DMD), ein Konverter mit einem Leuchtstoff, und/oder dergleichen verwendet werden. Es ist auch eine Kombination mehrerer optischer Elemente denkbar.
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Vorzugsweise ist das optische Element ein dichroitischer Spiegel. Mit Hilfe eines geeigneten dichroitischen Spiegels, der durch eine spezielle Beschichtung auftreffendes Licht in Abhängigkeit seiner Wellenlänge entweder reflektiert oder ungehindert passieren lässt, können die Lichtquelle für das Lichtsystem und die Strahlungsquelle für das Sensorsystem zur Umgebungserfassung je nach Platzangebot nahezu beliebig angeordnet sein.
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Das Sensorsystem zur Umgebungserfassung ist vorzugsweise ein Light Detection and Ranging (LiDAR)-System. Die LiDAR Abstandsmessung beruht auf einer Laufzeitmessung ausgesandter elektromagnetischer Pulse. Treffen diese auf ein Objekt, so wird an dessen Oberfläche der Puls anteilig zurück zu einer Abstandsmesseinheit reflektiert und kann als Echopuls mit einem geeigneten Sensor aufgezeichnet werden. Erfolgt die Aussendung des Pulses zu einem Zeitpunkt t
0 und wird das Echopuls zu einem späteren Zeitpunkt t
1 erfasst, kann der Abstand d zu der reflektierenden Oberfläche des Objekts über die Laufzeit Δt
A = t
1 - t
0 nach
bestimmt werden. Da es sich um elektromagnetische Pulse handelt, ist c der Wert der Lichtgeschwindigkeit. Die Abstandsmesseinheit weist neben einer Emittereinheit bzw. Strahlungsquelle und einer Empfängereinheit einen verstellbaren Spiegel, z.B. einen MEMS-Spiegel, auf, der die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung in unterschiedliche Raumwinkelsegmente lenken kann. Ein schwingender MEMS-Spiegel erlaubt ein Abrastern eines Erfassungsfelds (Field of View) in einem horizontalen Winkelbereich von z.B. 60° oder 120° und in einem vertikalen Winkelbereich von z.B. 30°. Die Empfängereinheit bzw. der Sensor kann die einfallende Strahlung ohne Ortsauflösung messen. Die Empfängereinheit kann aber auch raumwinkelauflösend sein. Die Empfängereinheit bzw. der Sensor kann eine Fotodiode, z.B. eine Avalanche Photo Diode (APD) oder eine Single Photon Avalanche Diode (SPAD), eine PIN-Diode oder ein Photomultiplier sein. Mit dem LiDAR-System können Objekte in einer Entfernung bis 60 m, bis 300 m oder bis 600 m erfasst werden. Eine Reichweite von 300 m entspricht einem Signalweg von 600 m, woraus sich beispielsweise eine Messdauer von 2 µs ergeben kann.
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Die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung ist vorzugsweise von einer Laserdiode emittierte infrarote (IR-) Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 600 nm bis 850 nm. Es sind aber auch Wellenlängen bis 1064 nm, bis 1600 nm, bis 5600 nm oder bis 8100 nm möglich. Die Strahlung der Laserdiode kann pulsartig mit einer Frequenz zwischen 1 kHz und 1 MHz, vorzugsweise mit einer Frequenz zwischen 10 kHz und 100 kHz, emittiert werden. Die Laserpulsdauer kann dabei zwischen 0,1 ns und 100 ns, bevorzugt zwischen 1 ns und 2 ns, betragen. Als Typ der IR-Strahlung emittierenden Laserdiode kann ein VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) verwendet werden, der Strahlung mit einer Strahlungsleistung im Milliwattbereich emittiert. Es kann aber auch ein VECSEL (Vertical-External-Cavity-Surface-Emitting-Laser) eingesetzt werden, der mit hohen Pulsleistungen im Wattbereich betrieben werden kann. Sowohl der VCSEL als auch der VECSEL können in Form eines Arrays, z.B. 15 x 20 oder 20 x 20, angeordnet sein, so dass die summierte Strahlungsleistung mehrere Hundert Watt betragen kann. Wenn bei einer Arrayanordnung die Laser gleichzeitig pulsen, können die größten summierten Strahlungsleistungen erreicht werden. Die Emittereinheiten können sich beispielsweise in ihren Wellenlängen der jeweilig emittierten Strahlung unterscheiden. Ist dann auch die Empfängereinheit entsprechend wellenlängensensitiv ausgestaltet, können die Pulse auch ihrer Wellenlänge nach differenziert werden.
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Als Typ der Lichtquelle kann eine Licht emittierende Diode (LED) und/oder ein Laser Activated Remote Phosphor (LARP)-System und/oder ein RGB Laser vorgesehen sein. Alternativ oder in Kombination mit den genannten Lichtquellen kann auch eine Halogenlampe, und/oder eine Gasentladungslampe (High Intensity Discharge (HID)), und/oder in Verbindung mit einem nach einem Digital Light Processing (DLP)-Prinzip arbeitenden Projektor vorgesehen sein. Somit steht eine Vielzahl von Alternativen für die Lichtquelle zur Verfügung.
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Vorzugsweise wird als Lichtquelle für das Lichtsystem ein LARP-System eingesetzt. Die Anregungsstrahlung kann von einer Laserdiode erzeugt werden. Mit Hilfe des Konversionselements des LARP-Systems kann die Anregungsstrahlung, insbesondere blaues Laserlicht, teilweise in gelbe Konversionsstrahlung konvertiert werden. Bei einer teilweisen Konversion ergibt dann eine Überlagerung von nichtkonvertiertem blauem Anregungslicht und gelbem Konversionslicht weißes Nutzlicht.
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Das LARP-System ist vorzugsweise für einen Fahrzeugscheinwerfer oder beispielsweise für ein Head-Up-Display vorgesehen. Denkbar ist auch das LARP-System für Projektionsanwendungen einzusetzen, so zum Beispiel in der Kinoprojektion, aber auch als Lichtquelle in Effektscheinwerfern, in der medizinischen Beleuchtung, zur medizinischen Strahlungsbehandlung und viele andere.
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Als Typ der adaptiven Spiegelanordnung kann ein Micro-Electro-Mechanical-System (MEMS) oder ein Digital-Micromirror-Device (DMD) oder ein Galvoscanner vorgesehen sein. Vorzugsweise wird ein MEMS-Spiegel eingesetzt. Bei einem MEMS kann eine die Lichtquelle lenkende oder modulierende Bewegung eines Spiegels (Mikrospiegels) translatorisch entlang einer Achse oder rotatorisch um eine oder zwei Achsen erfolgen. Wenn sich der Spiegel rotatorisch bewegt, kann er in einem resonanten Modus, z.B. sinusförmig, oder in einem nicht resonanten Modus schwingen, d.h. der Spiegel führt keine lineare Schwingung aus. Der MEMS-Spiegel schwingt vorzugsweise mit einer Frequenz von 60 Hz bis 150 Hz. Es sind aber auch Schwingfrequenzen von bis zu 2 kHz möglich. Durch die hohen Schwingfrequenzen kann die von der Lichtquelle emittierte Strahlung besonders schnell ausgerichtet werden.
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Kommt das Lichtsystem in Kombination mit einem Sensorsystem zur Umgebungserfassung beispielsweise in einem Fahrzeugscheinwerfer zum Einsatz, so können dem Fahrzeug entgegenkommende Verkehrsteilnehmer schnell und gezielt ausgeblendet oder bestimmte Bereiche, z.B. Verkehrsschilder, die Fahrbahn kreuzende Objekte oder dergleichen, unterschiedlich hell ausgeleuchtet werden.
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Im Gegensatz zum MEMS weist das DMD eine Vielzahl von Spiegeln (Mikrospiegeln) auf, die mit hoher Frequenz zwischen zwei Spiegelstellungen kippbar sind und jeweils ein Lichtpixel bilden können. Wenn das DMD in einem Fahrzeugscheinwerfer eingesetzt wird, wird üblicherweise in einer ersten Position eines Spiegels ein auf den Spiegel einfallendes Licht aus dem Fahrzeugscheinwerfer emittiert und in einer zweiten Position zu einer Absorberfläche gelenkt.
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Das vorzugsweise verwendete MEMS kann als 1D- oder 2D-MEMS vorgesehen sein. Bei einem 1D-MEMS erfolgt die Bewegung eines Einzelspiegels translatorisch oder rotatorisch um eine Achse. Bei einem 2D-MEMS ist der Einzelspiegel kardanisch aufgehängt und schwingt um zwei Achsen, wobei die beiden Achsen individuell angeregt werden können, so dass die Amplitude jeder Schwingung unabhängig von der anderen eingestellt und kontrolliert werden kann.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren für eine Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Aspekte können die Lichtquelle und die Strahlungsquelle sequenziell angesteuert werden. Das heißt, dass die Lichtquelle ausgeschaltet wird, während die Strahlung der Strahlungsquelle pulsartig über die adaptive Spiegelanordnung gelenkt wird, und umgekehrt. Es ist auch möglich, dass die Lichtquelle und die Strahlungsquelle gleichzeitig angesteuert werden.
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Die Lichtquelle für das Lichtsystem und die Strahlungsquelle für das Sensorsystem zur Umgebungserfassung können daher die adaptive Spiegelanordnung, z.B. einen MEMS-Spiegel, gemeinsam nutzen. Wenn das Lichtsystem und das Sensorsystem zur Umgebungserfassung, insbesondere ein LiDAR-System mit einer IR-Strahlungsquelle, in einem Fahrzeugscheinwerfer verwendet werden, behält die Lichtquelle im Vergleich zur Strahlungsquelle einen größeren zeitlichen Anteil, da die IR-Strahlungsquelle, wie oben beschrieben, im Nanosekundenbereich gepulste Strahlung emittiert. Das LiDAR-System kann seine pulsierende Strahlung mit der adaptiven Spiegelanordnung synchronisieren, um das Erfassungsfeld (Field of View) des Sensorsystems abzuscannen. Wenn das LiDAR-System ein auszublendendes Objekt oder ein Objekt, das besonders stark beleuchtet werden soll, erfasst, kann die Strahlungsleistung der Lichtquelle des Lichtsystems an der entsprechenden Winkelstellung der adaptiven Spiegelanordnung geeignet verändert werden. Mit anderen Worten kann die Lichtquelle winkelselektiv hoch- bzw. heruntergetaktet werden. Der Fahrzeugscheinwerfer kann dadurch verschiedene Bereiche unterschiedlich hell ausleuchten.
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Erfindungsgemäß ist ein Fahrzeugscheinwerfer mit einer Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Aspekte vorgesehen.
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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 die Verwendung des Fahrzeugscheinwerfers in einem Lastkraftwagen oder Personenkraftwagen oder Kraftrad.
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Die Lichtquelle des Lichtsystems als ein Leuchtmittel kann insbesondere für eine Nebellichtfunktion, eine Tagfahrlichtfunktion, eine Abblendlichtfunktion, eine Fernlichtfunktion, eine Rücklichtfunktion, eine Signallichtfunktion, eine Positionslichtfunktion, eine Blinklichtfunktion, eine Bremslichtfunktion, eine Akzentbeleuchtungsfunktion, als Effektleuchtmittel, sowie für weitere Nicht-Automotive-Anwendungen, wie zum Beispiel als Leuchtmittel in Scheinwerfern für Effektlichtbeleuchtungen, Entertainmentbeleuchtungen, Architainmentbeleuchtungen, Outdoor-Beleuchtungen, Offshore-Beleuchtungen, Beleuchtung für Windkrafträder, Allgemeinbeleuchtungen, medizinische und therapeutische Beleuchtungen oder Beleuchtungen für den Gartenbau (Horticulture) oder Tieraufzucht eingesetzt sein.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die einzige Figur zeigt eine schematische Ansicht einer Anordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Die Figur zeigt insbesondere eine vereinfachte optische Funktionsweise eines LARP-Systems, eines LiDAR-Systems und eines MEMS-Spiegels 30.
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Eine Lichtquelle LQ in Form eines LARP-Systems weist eine Laserdiode 10 und ein Konversionselement 12 auf. Die Laserdiode 10 emittiert blaues Laserlicht 11 mit einer Wellenlänge von etwa 450 nm. Das blaue Laserlicht 11 strahlt als Anregungsstrahlung auf das Konversionselement 12, das einen Leuchtstoff aufweist oder daraus besteht. Das blaue Laserlicht 11 wird vom Leuchtstoff zumindest teilweise absorbiert und zumindest teilweise in eine gelbe Konversionsstrahlung umgewandelt. Bei der teilweisen Konversion ergibt die Überlagerung von nichtkonvertiertem blauen Laserlicht 11 und gelbem Konversionslicht weißes Nutzlicht 13 mit einem Wellenlängenbereich von etwa 450 nm bis 800 nm. Das weiße Nutzlicht 13 tritt durch einen dichroitischen Spiegel 14 hindurch, trifft auf einen MEMS-Spiegel 30 als eine adaptive Spiegelanordnung, und wird als Leuchtmittel in einem Fahrzeugscheinwerfer verwendet. Obwohl nicht genauer gezeigt, ist der MEMS-Spiegel 30 als 1D-MEMS-Spiegel ausgeführt, der mit einer Frequenz von 60 Hz bis 150 Hz sinusförmig um eine Achse schwingt. Die Lichtquelle LQ kann somit im Fahrzeugscheinwerfer je nach Strahlungsintensität und je nach Ansteuerung des MEMS-Spiegels 30 verschiedene Bereiche oder Winkelbereiche unterschiedlich hell ausleuchten.
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Das LiDAR-System als Sensorsystem zur Umgebungserfassung weist eine Strahlungsquelle SQ in Form einer Laserdiode auf, die infrarote Strahlung 21 mit einer Wellenlänge von etwa 1050 nm emittiert. Die infrarote Strahlung 21 wird über einen unteren Umlenkspiegel 15 und den dichroitischen Spiegel 14 in den Pfad des weißen Nutzlichts 13 gekoppelt und auf den MEMS-Spiegel 30 gelenkt und von dort zur Umgebungserfassung in die Ferne geworfen.
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Bei der Anordnung gemäß dem Ausführungsbeispiel werden die Lichtquelle LQ und die Strahlungsquelle SQ sequenziell angesteuert. Das heißt, dass die Lichtquelle LQ ausgeschaltet wird, während die infrarote Strahlung 21 der Strahlungsquelle SQ pulsartig über den MEMS-Spiegel 30 gelenkt wird. Die Lichtquelle LQ behält im Vergleich zur Strahlungsquelle SQ einen größeren zeitlichen Anteil, da die Strahlungsquelle SQ im Nanosekundenbereich gepulste infrarote Strahlung 21 emittiert. Denkbar ist auch, dass die infrarote Strahlung 21 und das Nutzlicht 13 gleichzeitig über den MEMS-Spiegel gelenkt werden.
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Die Lichtquelle LQ und die Strahlungsquelle SQ für das Sensorsystem zur Umgebungserfassung können den MEMS-Spiegel 30 gemeinsam nutzen. Das LiDAR-System synchronisiert seine pulsierende infrarote Strahlung 21 mit der Schwingung des MEMS-Spiegels 30, um das Erfassungsfeld (Field of View) des LiDAR-Systems abzuscannen. Mit dem LiDAR-System können Objekte beipsielsweise in einer Entfernung bis 600 m erfasst werden. Wenn das LiDAR-System ein auszublendendes Objekt oder ein Objekt, das besonders stark beleuchtet werden soll, erfasst, wird die Strahlungsleistung der Lichtquelle LQ an der entsprechenden Winkelstellung des MEMS-Spiegels 30 geeignet verändert. Mit anderen Worten kann die Lichtquelle LQ winkelselektiv hoch- bzw. heruntergetaktet werden. Der Fahrzeugscheinwerfer kann somit verschiedene Bereiche unterschiedlich hell ausleuchten.
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Offenbart ist eine Anordnung für einen Fahrzeugscheinwerfer, die eine Lichtquelle für ein Lichtsystem und eine Strahlungsquelle für ein Sensorsystem zur Umgebungserfassung aufweist. Der Lichtquelle ist eine adaptive Spiegelanordnung nachgeschaltet, über die das emittierbare Licht lenkbar ist. Die Strahlung der Strahlungsquelle für das Sensorsystem ist über die adaptive Spiegelanordnung lenkbar.
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Bezugszeichenliste
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Lichtquelle |
LQ |
Strahlungsquelle |
SQ |
Laserdiode |
10 |
blaues Laserlicht |
11 |
Konversionselement |
12 |
weißes Nutzlicht |
13 |
dichroitischer Spiegel |
14 |
unterer Umlenkspiegel |
15 |
infrarote Strahlung |
21 |
MEMS-Spiegel |
30 |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010028949 A1 [0002]
- DE 102012201307 A1 [0002]
- US 9360175 B2 [0002]
- DE 102015205510 A1 [0002]
- DE 102015226636 A1 [0002]
- DE 102015209340 A1 [0002]
- DE 102015221049 A1 [0002]
- DE 102015204817 A1 [0002]
- DE 102016207780 A1 [0002]
- DE 102015213389 A1 [0002]