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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung aus mehreren Komponenten aus verschiedenen Werkstoffen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten, bei denen Abstände zwischen bestimmten Komponenten definiert einzuhalten sind. Insbesondere befasst sich die Erfindung mit thermisch justierbaren Silikonoptiken.
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Die
DE 102012220457 A1 und
DE 102015225093 A1 offenbaren beispielsweise ein Modul für „dauerhaftes Fernlicht“ bzw. „Matrixlicht“ oder „ADB“ (Advanced Driving Beam), bei dem ein Automobil grundsätzlich ab einer gewissen Geschwindigkeit mit voller Lichtstärke („Fernlicht“) gefahren wird, und erkannte andere Verkehrsteilnehmer und/oder bei zu starker Beleuchtung schwer erkennbare Hindernisse wie Schilder lokal ausgeblendet werden. Dieses lokale Ausblenden erfolgt beispielsweise durch Steuern kleiner, einzeln schaltbarer Lichtquellen wie LEDs in den Scheinwerfern, die über einzelne Lichtleiter („Taper“) mit einer Austrittsoptik des Systems gekoppelt sind.
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Die
US 4 297 713 A offenbart eine Vorrichtung mit einer Lasereinheit, die einen Laser und eine Optik für den Laser umfasst, wobei der Laser und die Optik aus Materialien bestehen, deren thermische Ausdehnungskoeffizienten derart ausgebildet sind, dass der Abstand zwischen dem Laser und der Optik bei Temperaturänderungen innerhalb der Fokuslänge der Optik bleibt.
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Die
WO 02/078 137 A1 offenbart eine Laservorrichtung mit zwei Reflektoren, die einen Laserraum definieren, und mit einem Kompensationselement, das an zumindest einen Reflektor gekoppelt ist und ausgebildet ist, thermisch bedingte relative Positionsänderungen der beiden Reflektoren zueinander auszugleichen.
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Eine LED (Licht emittierende Diode) oder Leuchtdiode kann in Form mindestens einer einzeln gehäusten LED oder in Form mindestens eines LED-Chips, der eine oder mehrere Leuchtdioden aufweist, oder in Form einer Mikro-LED 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 AlInGaP, 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, insbesondere eine „LARP“-(Laser-Remote-Phosphor-) Lichtquelle. 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.
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1 zeigt ein beispielhaftes ADB-Modul des Stands der Technik mit einer Lichtleiter-Primäroptik (wie beispielsweise in der
DE 10 2015 225 093 A1 und der
DE 10 2012 220 457 A1 offenbart). Eine Sekundärlinse 100 wird über Lichtleiter 110 einer Primäroptik mit Licht bestrahlt, das aus (in der Figur nicht sichtbaren) einzeln an- und abschaltbaren LEDs in die Lichtleiter 110 eingekoppelt wird. Dabei ist jeder LED ein Lichtleiter 110 zugeordnet.
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Als bevorzugtes Material für die Herstellung von Lichtleiter-Primäroptiken mit den Lichtleitern 110 hat sich optisches Silikon durchgesetzt, da es viele positive Eigenschaften wie hohe Temperaturbeständigkeit, hohe Transmission und gute Eignung für Massenfertigung z.B. aufgrund guter Entformbarkeit aufweist. Gängige Silikon-Materialien sind beispielsweise Silikone vom Typ Lumisil, additionsvernetze Silikone und Silikone bestehend aus Polydimethylsiloxan. Der Nachteil von Silikon in dieser Anwendung ist sein hoher thermischer Ausdehnungskoeffizient, welcher um einen Faktor 10-20 größer ist als diejenigen der restlichen Materialien in einem ADB-Modul, insbesondere einem Rahmen, wie z.B. glasfaserverstärkte Kunststoffe, Leiterplattenmaterial und Aluminium. Dies hat zur Folge, dass sich u.a. der Abstand der Einkoppelfläche der Primäroptik zur LED über den Betriebstemperaturbereich ändert, da sich Optik und z.B. ein Halterahmen für die Optik in ungleichem Maße ausdehnen bzw. zusammenziehen. Im Automobilbereich übliche Temperaturbereiche sind zwischen -40 °C und + 125 °C, mit einer mittleren Betriebstemperatur von 85 °C.
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2 zeigt einen vergrößerten schematischen Schnitt durch ein Modul mit einer herkömmlichen Silikonoptik. Von einer LED 3 abgestrahltes Licht wird in eine dieser LED 3 gegenüberliegende Eintrittsfläche 2 einer Silikonoptik 1 eingekoppelt. Diese ist in einem bestimmten Abstand d von der LED 3 angeordnet, um bei Erwärmung der Silikonoptik 1 keine Verzerrungen und Spannungen auf LED 3 und Silikonoptik 1 zu übertragen.
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Nimmt man beispielsweise die Höhe des Rahmens 5 aus glasfaserverstärktem Kunststoff mit 10 mm bei Nominaltemperatur an, würde sich dieser Rahmen bei Erwärmung um z.B. 100 K (d.h. auf Betriebstemperatur) um ca. 20µm ausdehnen. Dagegen würde sich die Silikonoptik aufgrund des höheren Ausdehnungskoeffizienten in ihrer Längsrichtung gleichzeitig um ca. 300 µm ausdehnen. Dies führt dazu, dass sich der Abstand zwischen der LED und der Einkoppelfläche des zugehörigen „Tapers“ (Lichtleiters) der Silikonoptik verkleinert, so dass es zu einem direkten Kontakt kommen kann.
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In 3 sieht man, dass schon kleine Änderungen des Abstands großen Einfluss haben. Wenn das System aus 2 auf 100um Minimalabstand bei höchster Temperatur, d.h. maximaler Längenausdehnung der Silikonoptik, eingestellt wäre (und somit dann ca. 80% Einkoppeleffizienz erzielen würde), hätte es bei der niedrigsten Betriebstemperatur (Annahme hier wieder dT= 100 K) und damit minimaler Längenausdehnung einen Abstand von 400um und somit absolut nur noch ca. 50% Einkoppeleffizienz, was deutlich weniger Intensität und Lichtstrom bedeutet. Zusätzlich könnte - was hier nicht weiter erörtert wird - bei zu großem Abstand der Eintrittsflächen vom LED-Array ein „Übersprechen“ von Licht einer LED in einen danebenliegenden Taper und dadurch eine unerwünschte Lichtverteilung (mit nochmals schwächerer Einkopplung) auftreten.
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Würde andererseits das Silikon (bei der unteren Betriebstemperaturgrenze) ohne Abstand auf der LED aufliegen, um immer die maximale Einkoppeleffizienz zu erzielen, könnten die beim Erwärmen im Betrieb auftretenden Verformungen der Optik mechanische Belastungen der LED bzw. sogar ihrer Zerstörung und der Silikonoptik sowie daraus herrührende optische Verzerrungen der Silikonoptik hervorrufen. Eine derartige mechanische Belastung der LED ist nicht vorgesehen. Außerdem würde sich durch den Kontakt der Austritt des Lichts aus der LED in ein Medium mit komplett anderem Brechungsindex durch einen direkten Kontakt einer LED mit einem direkt aufliegenden Silikon-Lichtleiter eine unvorteilhafte Lichtführung und damit Effizienzverluste ergeben.
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Bisher wird das Problem auf eine der folgenden vier Arten bzw. Kombinationen aus diesen gelöst:
- 1. Der Abstand zwischen LED und Einkoppelfläche wird so hoch gewählt, dass die temperaturbedingte Längenänderung keinen großen Einfluss auf die Effizienz des Systems hat. Bei einem gewählten Minimalabstand von beispielsweise 500um variiert die Effizienz nur um 15% über den gesamten Temperaturbereich aus obigem Beispiel (d.h. zwischen 500pm und 800µm Abstand). Damit einher geht aber auch eine prinzipiell niedrige Einkoppeleffizienz von nur knapp 45%. Man erkauft sich also die Unempfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen mit deutlich geringerer Effizienz.
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Infolgedessen werden - gleiche Anforderungen vorausgesetzt - die Kosten (da ungefähr doppelt so viele bzw. doppelt so starke Lichtquellen nötig sind) signifikant höher, sofern ein solches System die Anforderungen überhaupt erfüllen kann.
- 2. Die Silikonoptik umfasst eine mäanderförmige Trägerstruktur am Rand, welche die Längenausdehnung der Taper (einzelnen Lichtleiter) kompensiert, indem sich die Längen der Trägerstruktur und der Taper im gleichen Ausmaß ändern und der Abstand der LEDs zu Einkoppelfläche somit konstant bleibt. Dies wird üblicherweise als Temperatur-kompensierte Aufhängung bezeichnet. Durch die freie Aufhängung mit einer derartigen „weichen“ Trägerstruktur ist die Optik aber anfälliger für Schwingungen, und die Trägerstruktur erfordert ein komplizierteres Spritzwerkzeug und größeren Materialaufwand.
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Außerdem gleicht ein solches Konzept nur ein Maß - hier den Abstand - aus. Alle anderen Geometrien unterliegen weiterhin großen Schwankungen aufgrund der Temperatur.
- 3. Die Silikonoptik wird mechanisch vorgespannt und mit einem Abstandshalter („Spacer“) auf einem definierten Abstand zu den LEDs gehalten. Der Abstandshalter ist der LED vorgelagert. Die Vorgabe ist so ausgelegt, dass der Taper bei der niedrigsten Betriebstemperatur, also minimal möglicher Längenausdehnung, gerade noch auf dem Spacer aufliegt. Bei höheren Temperaturen drückt der Taper gegen den mechanisch fixierten Spacer, aber nicht auf die LED.
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Dieses System hat den Vorteil, dass der Abstand der LED zur Einkoppelfläche der Silikonoptik immer gleich bleibt; der minimal mögliche Abstand wird jedoch durch die mechanischen Toleranzen des Spacers und die Bestückungstoleranzen der LEDs begrenzt. Wie unter 2. gleicht ein solches Konzept zudem ebenfalls nur eine spezielle Größe - hier den Abstand - aus, nicht die anderen Geometrien. Auch mögliche spannungsbedingte optische Verzerrungen der Silikonoptik können so nicht ausgeglichen werden.
- 4. Prinzipiell könnten auch andere Werkstoffe eingesetzt werden, z.B. Glas(verbund)-werkstoffe sowohl als Rahmen als auch für die Optik. Während das unterschiedliche Temperaturverhalten dadurch beseitigt werden könnte, gäbe es Nachteile durch die wesentlich aufwändigere (falls überhaupt mögliche) Bearbeitung und daraus resultierende Kosten und durch die Dauerfestigkeit der spröden Glasbauteile.
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Ausgehend von den vorstehend erörterten Problemen ist es die wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung, insbesondere eine Primäroptik, zu schaffen, die die beschriebenen Schwierigkeiten beseitigt. Es ist eine allgemeine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, in der trotz unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten verschiedener Komponenten ein definierter Abstand zwischen bestimmten Komponenten weitgehend unabhängig von der Umgebungstemperatur beibehalten werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine optische Vorrichtung nach Anspruch 1, durch einen Scheinwerfer nach Anspruch 6 und durch ein Verfahren nach Anspruch 7 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß wird bei einem System aus mindestens zwei Komponenten mit unterschiedlicher Wärmeausdehnung die (nachstehend als „erste“ bezeichnete) Komponente kontrolliert thermisch beaufschlagt, d.h. im Regelfall geheizt, aber u. U. auch gekühlt, die einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Dadurch kann die Wärmeausdehnung dieser ersten Komponente auf einen Wert eingestellt werden, der den gewünschten Abstand und/oder Auflagedruck zwischen dieser ersten und der zweiten Komponente festlegt. Von der ersten Komponente in die zweite Komponente im Lauf des Betriebs übergehende Wärme ist dabei unerheblich, weil sich die zweite Komponente unter Wärmeeinfluss (in Höhe des Übertritts zwischen den Komponenten) kaum oder nur wenig ändert. Zudem kann die dadurch zusätzlich eingebrachte Energie im Vergleich zur sonst im System vorhandenen Energie (Wärme) gering sein.
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Erfindungsgemäß ist die erste Komponente eine Silikonoptik, die wie im vorstehend erörterten Stand der Technik in einem Rahmen (als „zweiter Komponente“) befestigt ist, um Licht von LEDs in die Silikonoptik zu leiten und bestimmte Bereiche unter gegebenen Umständen abzublenden, indem beispielsweise LEDs abgeschaltet werden.
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Im Stand der Technik wird für Geräte hoher Präzision, wie Messmaschinen oder auch Bearbeitungsmaschinen wie Schleif- und Fräsmaschinen, üblicherweise versucht, eine unterschiedliche Wärmeausdehnung einzelner Komponenten oder auch des gesamten Geräts durch Klimatisierung bzw. Wärmeabfuhr zu verhindern, oder diese konstruktiv durch geeignete Materialwahl zu minimieren. Außerdem ist es bisher üblich, in solchen Fällen hoher Präzisionsanforderungen darauf zu achten, alle Bauteile auf gleicher Temperatur zu halten, um keine temperaturinduzierten Spannungen und Verschiebungen aufzubringen. Wie vorstehend erläutert sind z.B. für das zukünftig voraussichtlich millionenfach eingesetzte „adaptive Fernlicht“ und die dort nötige Einkopplung des Lichts der LED in die Silikonoptik all diese Möglichkeiten nicht wirtschaftlich, können aber durch die erfinderische Lösung ersetzt werden.
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Erfindungsgemäß geben die Heizelemente Wärme hauptsächlich an die Teile der Silikonoptik ab, die für die Einkopplung relevant sind, insbesondere an Taper oder Lichtleiter, die den LED-Elementen gegenüberliegen und das Licht weiterleiten. Einzelne Taper, die zur Silikonoptik gehören, können einzeln oder auch gruppenweise beheizt werden, um ihre thermische Ausdehnung entsprechend anzupassen und somit eine optimale Lichteinkopplung bei wechselnden Umgebungstemperaturen durch Beibehalten/Einstellen einer festgelegten Betriebstemperatur zu erhalten.
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Noch weiter bevorzugt werden die Heizelemente wahlweise direkt an den Tapern vorgesehen, z.B. als Widerstandsheizung, oder die Taper aus der Ferne „indirekt“, z.B. mit Infrarotstrahlern wie IR-LEDs, IR-Lasern oder anderen geeigneten Strahlungsquellen beheizt.
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Insbesondere wird die Wärme durch an den Tapern vorgesehene oder auf die Taper gerichtete Heizelemente vorwiegend direkt in die Taper eingebracht, statt beispielsweise zunächst den Rest der Primäroptik zu heizen. Selbst eine zwangsläufige Erwärmung der Umgebung der Silikonoptik (des Halterahmens der Optik oder der „zweiten Komponente“ in den Ansprüchen) über die Wärmeabstrahlung der Silikonoptik bzw. Abwärme der aktiven Komponenten im Betrieb ist unproblematisch, da der Halterahmen aus Material mit deutlich geringerem Ausdehnungskoeffizienten besteht. Vor allem kann auf diese Weise aktiv am Ende des Fertigungsprozesses oder auch bei späteren planmäßigen Wartungen unter Messung des Lichtoutputs des Systems eine Justage mit unterschiedlicher thermischer Beaufschlagung der Taper erfolgen, um eine optimale Ausbeute zu erzielen. Zudem können auch weitere Einflüsse ausgeglichen werden, da die temperaturbedingte Ausdehnung des Silikons deutlich größer als die wirtschaftlichen Fertigungstoleranzen sind. Zu derartigen weiteren kompensierbaren Einflüssen zählen beispielsweise:
- 1. Altersbedingte Schrumpfung der Silikonoptik (d.h. die Alterung wird ausgeglichen durch eine Änderung der grundlegenden Betriebstemperatur der Optik).
- 2. Fertigungsbedingte Längenunterschiede der Taper (Kompensierbar durch unterschiedliche Beheizung bzw. unterschiedliche Betriebstemperatur für individuelle Taper).
- 3. Fertigungsbedingte Höhenunterschiede der Licht emittierenden Fläche durch Bauteiltoleranzen von Leiterplatte und LED (individuelle Heizung der Taper wie bei 2)
- 4. Toleranzen beim Montieren des Moduls (auch über individuelle Heizung wie bei 2)
- 5. Toleranzen der LED-Helligkeit bzw. unterschiedliche LED-Bins bei der Bestückung (auch hier individuelle Heizung wie bei 2)
- 6. Durch Änderungen der Umgebungstemperatur hervorgerufene Abstandsänderungen werden kompensiert (Lösung der eigentlichen Aufgabe).
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Des Weiteren ist außerdem eine gezielte Änderung der Lichtverteilung wie z.B. eine Lichtschwerpunktverschiebung durch unterschiedliche Beheizung der einzelnen Taper zum Ändern der Lichteinkopplung möglich. Dies bedeutet, die Lichtverteilung kann während des Betriebs aktiv verändert und damit adaptiv an die Fahrsituation angepasst werden. Die Regelungsgrößen für die adaptive thermische Lichtsteuerung können von externen Sensoren, beispielsweise Kameras, LIDAR, RADAR, Ultraschallsensoren, bereitgestellt werden bzw. in einer nachgelagerten Objekterkennung und - Klassifizierung als Regelgrößen für die Beheizung bzw. Kühlung der Primäroptik und/oder des Halterahmens zur Verfügung gestellt werden.
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Außerdem kann dieses Prinzip dazu verwendet werden, den grundsätzlichen (Nominal-) Abstand von Licht emittierender Fläche der LED und Einkoppelfläche der Primaroptik zu verringern. Aktuell muss dieser Abstand eine gewisse Größe aufweisen, um Toleranzen (z.B. Höhentoleranzen der LEDs) abfangen zu können. Hierzu ist anzumerken, dass (nicht bezüglich einer thermischen Ausdehnung der Primäroptik, sondern auf Grund von auftretenden Toleranzen) immer ein größerer Abstand zwischen Taper und LED gewählt werden muss. Mit dem erfindungsgemäßen Konzept können selbst diese Fertigungs- / Bauteiltoleranzen zumindest teilweise kompensiert werden. Alternativ können natürlich auch (billigere) Bauteile mit größeren Toleranzen verwendet werden.
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Als temperierende Elemente können beliebige wärmeabgebende oder -abführende Elemente an den Tapern bzw. auf die Taper gerichtet vorgesehen sein. So ist es prinzipiell vorstellbar, einen ohmschen Widerstand auf jeden Taper zu „kleben“ bzw. einen solchen bei der Herstellung einzubetten (sofern dadurch die optischen Eigenschaften nicht beeinträchtigt werden), oder eine Beschichtung der Taper mit stromleitenden Schichten (z.B. durchsichtigen ITO-Schichten) als Widerständen oder mit strahlungswandelnden Schichten durchzuführen, die z.B. Mikrowellen oder dgl. in Wärme umwandeln, und die Taper dadurch elektrisch zu beheizen. Prinzipiell könnten Taper auch gekühlt werden, indem beispielsweise ein Peltier-Element statt eines Widerstands aufgebracht wird. Die temperierenden Elemente werden dann wie im Stand der Technik bekannt mit einer Steuerelektronik verbunden, um entsprechend einzeln oder in Gruppen angesteuert zu werden. Diese Steuerelektronik kann selbstverständlich auch mit einer Sensorik verbunden sein, die bestimmte Auswirkungen der Steuerung misst, um sensorabhängig rückgekoppelt zu steuern, d.h. zu regeln.
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Bei entfernt von den Tapern angebrachten Elementen, z.B. IR(Infrarot)-abstrahlenden Heizelementen, wird normalerweise nicht ein Einzelelement wie ein einzelner Taper, sondern ein Cluster nebeneinanderliegender Taper erwärmt, je nach Ausführung ist es aber auch möglich, die Taper einzeln mit abstrahlenden Heizelementen zu heizen. Auch auf diese Weise erhält man weitgehend die vorstehend erörterten Vorteile, während gleichzeitig ein Kostenvorteil durch den einfacheren Aufbau entsteht. Die Heizleistung bzw. Kühlleistung kann im Bereich von wenigen mW bis hin zu einigen Watt betragen, oder auch mehr.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. In den Figuren zeigen:
- 1 eine Prinzipskizze eines Lichtleitersystems, in dem die vorliegende Erfindung einsetzbar ist,
- 2 einen Schnitt durch eine Silikon-Primäroptik nach dem Stand der Technik,
- 3 ein beispielhaftes Schaubild der Effizienz der Einkopplung von LED-Licht in eine Primäroptik abhängig vom Abstand zwischen LED und Optik, und
- 4 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Systems mit thermisch über Heizelemente adaptierbaren Tapern.
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Als ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun ein sogenanntes „Matrixlicht“ analog zum vorstehend als Stand der Technik beschriebenen erörtert, in dem die Erfindung realisiert wird.
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1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines Lichtleitersystems mit einer Sekundärlinse 100 und einer Primäroptik 110. Licht wird aus LEDs (oder anderen einzelnen Lichtquellen; denkbar wären Laser-Activated-Remote-Phosphor Lichtquellen (LARP), VCSEL und VCSEL Laser, Fiber-Laser, auch Mikroblenden oder vergleichbare optische Bauteile wie MEMS-Spiegel oder DLP-Spiegel (auch als „Digital Mirror Device“, DMD, bezeichnet) in Kombination mit einer zentralen Lichtquelle), die in dieser Figur nicht gezeigt sind, in die Primäroptik 110 eingekoppelt. Ein vorstehend erwähntes DMD weist eine Vielzahl von Spiegeln (Mikrospiegeln) auf, die mit hoher Frequenz zwischen zwei Spiegelstellungen kippbar sind und jeweils ein Lichtpixel bilden können. Üblicherweise wird 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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Von dort wird es zur Sekundärlinse 100 weitergeleitet, die das Licht nach außen abstrahlt. Je nach Einkopplung in die Primäroptik ergibt sich im abgestrahlten Licht eine gewünschte Verteilung, die beispielsweise entgegenkommende Fahrzeuge, Fußgänger und/oder Verkehrsschilder an der Strecke abblendet, d.h. schwächer oder gar nicht direkt beleuchtet (Adaptive Driving Beam).
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In den 2 und 3 wird die Einkopplung des Lichts aus LEDs 3 in die Primäroptik 110 der 1 verdeutlicht. 2 zeigt eine Prinzipskizze eines Ausschnitts (genauer einer Umgebung eines Tapers 1a) einer silikonbasierten Primäroptik. Eine LED 3 ist über einen Abstand d von einer Eintrittsfläche 2 des Tapers 1a beabstandet, indem die Silikonoptik 1 mit dem Taper 1a über ein Rahmengerüst 4, 5 von der Montagefläche der LED 3 (bzw. einer nicht mit Bezugszeichen versehenen Platine, auf der die LED angebracht ist und die in das Rahmengerüst 4, 5 eingebaut ist) beabstandet gehalten wird. Zur Vereinfachung ist hier die über eine Leiterplatte, auf der Rahmen und LED aufgebaut sind, fest mit dem Rahmen verbundene LED 3 auch als „Abschnitt des Rahmens 4“ mitgemeint. 3 zeigt die Einkoppeleffizienz von LED-Licht in eine Primäroptik 1 abhängig von einem in 2 veranschaulichten Abstand d zwischen der Eintrittsfläche 2 des Tapers 1a und der LED 3.
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Wie aus 3 zu erkennen ist, sollte der (in den 2 und 4 gezeigte) Abstand d, der zwischen der Lichtabstrahlfläche der LED 3 und der Eintrittsfläche 2 in den Taper 1a, 1b, 1c (siehe 4) definiert ist, möglichst gering sein, um die Effizienz der Einkopplung zu erhöhen; andererseits darf der Taper auch nicht auf der LED 3 aufliegen, um Beschädigungen, Verspannungen oder unerwünschte Einkopplungen etc. zu verhindern.
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Um nun einen möglichst geringen, aber dennoch vorhandenen Abstand d zwischen LED 3 und Eintrittsfläche 2 so zu erzielen, dass eine maximaler Anteil des Lichts in die Taper 1a, 1b, 1c eintritt und in Primär- und Sekundäroptik weitergeleitet wird, werden erfindungsgemäß die Taper 1a, 1b, 1c wie in 4 veranschaulicht einzeln über Heizelemente 6 beheizt. In 4 werden beispielhaft auf die Taper 1a, 1b, 1c aufgebrachte elektrische Heizelemente 6 gezeigt. Der in 2 gezeigte Halterahmen 4, 5 zwischen der LED 3 (der Platine) und den Tapern 1a, 1b, 1c ist in 4 zur Vereinfachung weggelassen. Die Anschlüsse sowie die Ansteuerung dieser Elemente 6 werden ebenfalls nicht im Einzelnen gezeigt.
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Statt einer direkten Ankopplung von Wärme- bzw. Kälteerzeugern an einzelne Taper und/oder Anordnungen von Tapern, hier auch als Taper-Cluster bezeichnet, ist es auch möglich, Taper und/oder Taper-Cluster „aus der Ferne“, z.B. mittels Infrarot-Elementen, IR-Lasern oder anderen Energieübertragungsvorrichtungen zu erwärmen, um dadurch eine entsprechende Längenausdehnung zu erzeugen. Diese könnten beispielsweise rund um die eigentlichen lichtabstrahlenden Elemente wie LEDs angeordnet werden. Auch auf diese Weise kann die Längenausdehnung gesteuert werden, wobei die Anpassung dann vorzugsweise nicht anhand des einzelnen Tapers, sondern in den genannten größeren Taper-Clustern erfolgt.
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Mit einem derartigen Aufbau ist es möglich, die Taper 1a, 1b, 1c zu erwärmen, damit sie sich ausdehnen, während gleichzeitig die Rahmenteile 4, 5 (vgl. 2) sich kaum verändern, da sie nur eine geringere Wärmemenge aus der Silikonoptik aufnehmen und darüber hinaus auch einen geringeren Ausdehnungskoeffizienten haben. Näherungsweise kann man also den Rahmen 4, 5 als thermisch stabil ansehen, so dass der Abstand zwischen der Eintrittsfläche 2 und der LED 3 nur durch das Aufheizen des jeweiligen Tapers 1a, 1b, 1c beeinflusst wird. Daher kann man einerseits einen „optimalen“, d.h. möglichst geringen, Abstand der Eintrittsflächen 2 der Taper von den LEDs einstellen, um eine möglichst hohe Einkopplung des Lichts zu erzielen, an anderen Orten jedoch beispielsweise die Taper nicht heizen (oder u.U. sogar kühlen), um den Abstand zur jeweiligen LED zu vergrößern und dadurch die Lichtübertragung zu begrenzen, so dass man einen „stufenlosen“ Übergang zwischen hell beleuchteten und schwächer beleuchteten Feldern vor dem Scheinwerfer erzielt, falls dieser erwünscht ist. Ein derartiges sogenanntes „Eindimmen“, also eine langsame Steigerung oder Verringerung der Lichtfunktion, ist für das Auge angenehmer, da keine plötzlichen Hell-DunkelÜbergänge erzeugt werden.
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Obwohl die Erfindung am Beispiel eines adaptiven Fahrlichts für ein Automobil erläutert wurde, sind verständlicherweise auch andere Einsatzmöglichkeiten für eine entsprechende Silikonoptik, beispielsweise blendfreie Bühnenscheinwerfer oder Abbildungsoptiken denkbar.
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Auf dem Gebiet der Beleuchtung kann die Erfindung beispielsweise 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 Gartenbau (Horticulture) oder Tierzucht eingesetzt sein.
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Zusammenfassend leistet die Erfindung Folgendes:
- Es wird eine aus mindestens zwei Komponenten 1, 4 mit zueinander unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bestehende Vorrichtung geschaffen, die in einem bestimmten Bereich einen Abstand d im System definieren, wobei zumindest an einem Teil 1a, 1b, 1c der ersten Komponente 1, die den größeren Ausdehnungskoeffizienten unter den Komponenten 1, 4 aufweist, mindestens ein Element 6 zur gesteuerten thermischen Beeinflussung vorgesehen ist, das eine Längenausdehnung dieses Teils in Richtung des Abstands d derart beeinflusst, dass bei allen Betriebsbedingungen der Abstand d zwischen einem Abschnitt der ersten Komponente 1 und einem Abschnitt der zweiten Komponente 4, insbesondere einer mit der zweiten Komponente 4 (über weitere Bauteile) verbundenen dritten Komponente 3, durch die thermische Beeinflussung einstellbar ist. Ferner wird ein Scheinwerfer erläutert, in dem diese Vorrichtung vorgesehen ist. Schließlich wird ein Verfahren vorgestellt, das diese Vorrichtung einsetzt.
