DE102018008760A1

DE102018008760A1 - Fahrzeugscheinwerfer mit einer Lichtquelle

Info

Publication number: DE102018008760A1
Application number: DE102018008760.4A
Authority: DE
Inventors: Bernd Schneider; Alexander Gröger
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2018-11-08
Filing date: 2018-11-08
Publication date: 2019-04-25
Also published as: CN112969887B; WO2020094376A1; US20220010940A1; CN112969887A; US11339938B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Fahrzeugscheinwerfer (4) mit einer Lichtquelle und mit einem verstellbaren Objektiv. Der erfindungsgemäße Fahrzeugscheinwerfer ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle als Feld (5) mit einer Vielzahl von Mikrolichtquellen ausgebildet ist, und dass das verstellbare Objektiv wenigstens drei Linsengruppen (K 1, K 2, K 3) umfasst, von welchen wenigstens zwei entlang der optischen Achse (6) verschiebbar ausgebildet sind, um die Brennweite und die Fokusebene zu verstellen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Fahrzeugscheinwerfer mit einer Lichtquelle und mit einem verstellbaren Objektiv.
Fahrzeugscheinwerfer mit einer Lichtquelle und einem verstellbaren Objektiv sind grundlegend aus dem Stand der Technik bekannt. In diesem Zusammenhang kann beispielsweise auf die DE 10 2006 053 019 A1 hingewiesen werden. Das verstellbare Objektiv umfasst hier wenigstens eine bewegliche Linse, welche mit einem Reflektor und einer Gasentladungslampe als Lichtquelle zusammenarbeitet. Hierdurch ist die Möglichkeit gegeben, den Lichtstahl entsprechend aufzuweiten, also durch ein Verstellen der Brennweite letztlich die Vergrößerung der Projektion in der Beleuchtungsebene zu variieren. In der Praxis geht dies mit dem Nachteil einer Unschärfe einher, da nur in einer baubedingt vorgegebenen Beleuchtungsebene bei der entsprechenden Brennweite eine scharfe Abbildung möglich ist. Eine solche Unschärfe ist ein gravierender Nachteil insbesondere dann, wenn über entsprechende Maßnahmen Teile eines Fernlichtkegels, beispielsweise zur Entblendung des Gegenverkehrs, ausgeblendet werden sollen.
Die technische Tendenz geht aber zunehmend in genau diese Richtung. So soll nämlich über Umgebungssensoren die Umgebung des Kraftfahrzeugs erfasst werden. Die erfassten Objekte werden dann klassifiziert und bei Bedarf durch eine entsprechende Ansteuerung der Lichtquelle des Scheinwerfers beleuchtet oder eben von der Beleuchtung ausgenommen, beispielsweise entgegenkommende Fahrzeuge, um diese nicht zu blenden. In diesem Zusammenhang ist in der DE 10 2015 013 271 A1 mit einer LED-Pixellichtquelle ein Aufbau beschrieben, welcher dies leisten kann. Dann ist in der DE 10 2015 013 271 A1 unter anderem beschrieben, dass eine scharf abbildende Optik wünschenswert wäre, um dieses gewünschte Lichtbild der Lichtquelle nun auch so, wie es eigentlich gedacht ist, in die Beleuchtungsebene und damit „auf die Straße“ zu bringen. Der Nachteil ist jedoch, dass eine entsprechende Optik nur in genau einer Entfernung ein wirkliches scharfes Bild ermöglicht. Je nach Verkehrssituation kommt es aber zu unterschiedlichen Abständen der Beleuchtungsebene, was zu Problemen führen kann. Aus diesem Grund schlägt die genannte Schrift eine Bewegung zwischen der Optik und dem Feld der Pixellichtquellen vor, welche hier insbesondere durch ein Verkippen des Feldes der Pixellichtquellen erfolgt.
Dies ist in der Praxis relativ aufwändig und hinsichtlich des Scharfstellens bei verschiedenen Entfernungen relativ eingeschränkt. Außerdem lässt sich keine unabhängige Anpassung des Abbildes in der Beleuchtungsebene hinsichtlich seiner Größe erzielen, da der Strahl der Lichtquelle nicht aufgeweitet werden kann, da die Brennweite im Wesentlichen dieselbe bleibt.
Aus dem weiteren Stand der Technik und hier insbesondere aus dem Bereich der Beleuchtungstechnik von Bühnen sind ebenfalls Scheinwerfer mit variablen Objektiven bekannt, beispielsweise aus der WO 2011/020920 A1 oder aus der DE 20 2011 000 481 U1 .
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen Fahrzeugscheinwerfer, insbesondere einen Frontscheinwerfer für ein Fahrzeug, mit einer Lichtquelle und einem verstellbaren Objektiv hinsichtlich seines Einsatzzwecks weiter zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Fahrzeugscheinwerfer mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Der erfindungsgemäße Fahrzeugscheinwerfer nutzt zuerst einmal anders als die bisherigen Scheinwerfer, welche so aus dem Stand der Technik bekannt sind, als Lichtquelle ein Feld mit einer Vielzahl von Mikrolichtquellen. Ein solches Feld mit einer Vielzahl von Mikrolichtquellen, beispielsweise Mikro-LEDs oder Mikrospiegeln, welche das Licht gezielt in die gewünschte Richtung weiterleiten oder aus dieser ablenken, erlauben eine sehr feine Auflösung des entstehenden Lichtbildes. Dabei fällt unter die Definition einer Vielzahl von Mikrolichtquellen gemäß der hier vorliegenden Beschreibung ein Aufbau, welcher eine Anzahl von mehr als 10.000, insbesondere zwischen 30.000 und 1.5-Millionen Mikrolichtquellen aufweist.
Dieser Aufbau eines Fahrzeugscheinwerfers mit einem Feld mit einer Vielzahl von derartigen Mikrolichtquellen ist nun ergänzend mit einem verstellbaren Objektiv versehen. Dieses Objektiv weist nun gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Objektiven die Besonderheit auf, dass es wenigstens drei Linsenbaugruppen umfasst, von welchen wenigstens zwei entlang der optischen Achse verschiebbar ausgebildet sind, um die Brennweite und die Fokusebene zu verstellen. Das Objektiv des Fahrzeugscheinwerfers mit der Vielzahl von Mikrolichtquellen ist also so ausgebildet, dass es einerseits die Brennweite und damit die Vergrößerung verstellen kann und andererseits die Fokusebene anpassen kann. Ein solches Objektiv ist bisher bei Fahrzeugscheinwerfern, insbesondere bei Fahrzeugscheinwerfern mit einer Vielzahl von Mikrolichtquellen, so nicht zu zum Einsatz gekommen. Sein Funktionsprinzip entspricht dabei im Wesentlichen dem eines Zoomobjektivs, wie es aus der Fotografie bekannt ist. Dieses im umgekehrten Einsatz in dem Fahrzeugscheinwerfer, so hat es der Erfinder erkannt, erlaubt nun einerseits die Größe der Abbildung in der gewünschten Beleuchtungsebene entsprechend anzupassen und die Abbildung gleichzeitig in der gewünschten Beleuchtungsebene scharf zu stellen. Damit werden in dem erfindungsgemäßen Fahrzeugscheinwerfer alle im eingangs genannten Stand der Technik beschriebenen Nachteile vermieden.
Ein durch die Vielzahl von Mikrolichtquellen sehr hochauflösendes Bild lässt sich nun also in jeder gewünschten Entfernung vom Fahrzeug aus gesehen in der gewünschten Größe und mit einer hohen Schärfe in der gewünschten Beleuchtungsebene darstellen. Die Abbildung der vorgegebenen Hell-Dunkel-Verteilung, welche sich insbesondere über die Daten von Umfeldsensoren in dem Fahrzeug aus den Berechnungen einer intelligenten Lichtsteuerung, in an sich bekannter Art und Weise, ergibt, kann also sehr präzise und exakt in der jeweils gewünschten Beleuchtungsebene „auf die Straße“ gebracht werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee weist dabei jede der Linsenbaugruppen wenigstens eine optische Linse auf, sodass über einen entsprechend großen Vergrößerungsbereich hinweg die Größe und die Schärfe der Abbildung der Hell-Dunkel-Verteilung auf der Straße beeinflusst werden kann. Dabei kann ferner eine Aperturblende vorgesehen sein und/oder eine oder mehrere der Oberflächen von einem oder mehreren Elementen des Objektivs können asphärisch ausgebildet sein. Die Materialien der einzelnen Elemente des Objektivs können dabei auch unterschiedliche Brechzahlen aufweisen, sodass unterschiedliche Materialien bzw. Materialien mit unterschiedlicher Dichte eingesetzt werden können, insbesondere um einen einfachen und kompakten Aufbau zu erzielen. Daneben können selbstverständlich optische Optimierungen wie diffrafktive Strukturen auf den Oberflächen, Antireflexbeschichtungen oder variable Flüssiglinsen oder dergleichen Anwendung finden.
Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Scheinwerfers sieht es ergänzend oder alternativ dazu vor, dass die Positionierung einzelner oder mehrerer Elemente des Optiksystems zueinander und/oder die Positionierung des gesamten Optiksystems zu der Lichtquelle durch Gleichstrommotoren, Schrittmotoren und/oder Piezo-Aktuatoren realisiert ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Idee ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
Dabei zeigen:

1 eine Prinzipdarstellung eines Fahrzeugs in einer Aussicht von Oben mit einer in einer Beleuchtungsebene durch die Frontscheinwerfer des Fahrzeugs bewirkten Projektion einer Hell-Dunkel-Verteilung in verschiedenen Größen;
2 ein beispielhaftes verstellbares Objektiv zum Einsatz in dem erfindungsgemäßen Scheinwerfer in einer ersten Extremstellung;
3 ein beispielhaftes verstellbares Objektiv zum Einsatz in dem erfindungsgemäßen Scheinwerfer in einer zweiten Extremstellung;
4 eine schematische Darstellung der Lichtkegel der Frontscheinwerfer eines Fahrzeugs in der in 2 gezeigten Extremstellung;
5 eine schematische Darstellung der Lichtkegel der Frontscheinwerfer eines Fahrzeugs in der in 3 gezeigten Extremstellung;
6 eine beispielhafte Darstellung einer simulierten Fernlichtverteilung in der in 2 dargestellten Extremstellung; und
7 eine beispielhafte Darstellung einer simulierten Fernlichtverteilung in der in 3 dargestellten Extremstellung.

In der Darstellung der 1 ist ein Fahrzeug 1 in einer Vogelperspektive dargestellt. Vor dem Fahrzeug 1 mit einem als Lichtbild 2 in einer mit 3 bezeichneten Beleuchtungsebene die Möglichkeit gezeigt, Licht mit verschiedenen Brennweiten und damit einer verschiedenen Strahlaufweitung von den hier nicht erkennbaren Frontscheinwerfern 4 des Fahrzeugs abzustrahlen. Mit durchgezogener Linie ist dabei eine kleine Vergrößerung 2a, mit gestrichelter Linie eine entsprechend größere Vergrößerung 2b des Lichtbildes 2 in der Beleuchtungsebene 3 dreidimensional angedeutet.
Um nun in der Beleuchtungsebene 3 sowohl die gewünschte Größe 2a, 2b des Lichtbildes 2 als auch eine hohe Schärfe des Lichtbildes in der Beleuchtungsebene 3 zu erzielen, kann der Fahrzeugscheinwerfer 4 in der in 2 schematisch angedeuteten Art aufgebaut sein. Der Fahrzeugscheinwerfer 4 hat als Lichtquelle ein Feld 5 von Mikrolichtquellen, welche über ein hier nicht dargestelltes intelligentes Lichtsteuersystem in der Art angesteuert werden, dass sie eine Hell-Dunkel-Verteilung als Lichtbild 2 zur Projektion auf die Straße und in die Beleuchtungsebene 3 vorgeben. Dieses Lichtbild 2 wird nun, wie es in der Prinzipdarstellung der 2 zu erkennen ist, entlang einer optischen Achse 6 in die Umgebung abgestrahlt. Es passiert dabei drei Linsenbaugruppen K 1, K 2 und K 3. Die Linsenbaugruppe K 1, welche hier beispielsweise zwei Linsen 7, 8 und eine Aperturblende 9 aufweist, ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel entlang der optischen Achse 6 nicht verschiebbar und entsprechend fixiert. Damit liegt ein definierter Abstand zum Feld 5 der Mikrolichtquellen vor. Die Linsenbaugruppe K 2 besteht ebenfalls aus zwei Linsen 10, 11 und ist, wie es durch den mit 12 bezeichneten Pfeil entsprechend angedeutet ist, entlang der optischen Achse 6 verschiebbar. Sie ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel der 2 direkt benachbart zur Linsengruppe K 3 mit einer Linse 13 dargestellt und damit in einer ihrer Extrempositionen, nämlich der Extremposition „minimale Brennweite“. Der mit 14 bezeichnete Lichtaustrittskegel ist entsprechend breit. Auch die Linsengruppe K3 ist verschiebbar, wie es mit dem Pfeil 15 angedeutet ist.
Optional kann auch die Aperturblende verschiebbar ausgestaltet werden. Ebenfalls optional kann eine zusätzliche Irisblende im Scheinwerfer vorhanden sein.
In der Darstellung der 4 ist in einer Draufsicht auf das Fahrzeug 1 zu erkennen, wie in dieser Stellung „minimale Brennweite“ der Linsengruppen K 1, K 2, K 3 der Frontscheinwerfer 4 die schematisiert angedeuteten Lichtkegel 14 in etwa aussehen. Sie werden sehr schnell entsprechend breit und eignen sich insbesondere zu einer großflächigen Ausleuchtung einer hier nicht mehr dargestellten Beleuchtungsebene 3. Durch die Möglichkeit, insbesondere die Linsengruppen K 2 und K 3 insgesamt gegenüber der Linsengruppe K 1 und gegeneinander zu verschieben, lässt sich neben der gewünschten Breite der Austrittslichtkegel 14 auch die Schärfe in der Beleuchtungsebene 3 exakt einstellen, sodass in der gewünschten Beleuchtungsebene 3 ein Abbild des Feldes 5 der Mikrolichtquellen sowohl in einer variablen Größe als auch in einer in der gewünschten, typischerweise maximal möglichen, Schärfe gegeben ist.
Die 6 zeigt in dieser Situation der Stellung „minimale Brennweite“ die Lichtverteilung anhand einer entsprechenden Simulation, wobei die Lichtverteilung in der Mitte entsprechend am hellsten ist und die Werte zum Rand hin abnehmen, wie es durch die verschiedenen Graustufen in der Darstellung der 6 zu erkennen ist.
Die Darstellung der 3 greift nun wiederum dieselbe Darstellung wie in 2 auf. Die Linsenbaugruppe K 2 mit ihren beiden Linsen 10, 11 befindet sich nun in ihrer anderen Extremstellung, nämlich in der Stellung „maximale Brennweite“. Der Austrittskegel 14 des Lichts ist daher entsprechend schmaler und reicht in eine größere Entfernung, um dort Objekte gezielt anzuleuchten und erkennen zu können. Die 5 zeigt wiederum analog zur 4 die entsprechende Ansicht des Fahrzeugs 1 mit den Austrittslichtkegeln 14 von oben. Es ist insbesondere im direkten Vergleich der Figuren sehr gut zu erkennen, dass die schematisch dargestellten Austrittslichtkegel 14 hier entsprechend schmaler sind und damit auch in größerer Entfernung noch eine höhere Lichtintensität bereitstellen. Dies ist auch aus der Darstellung der 7 erkennbar. Analog zur Darstellung in 6 ist hier wieder die Simulation der Lichtverteilung dargestellt. Insgesamt ist die ausgeleuchtete Fläche in der beispielhaft gewählten Beleuchtungsebene 3 entsprechend kleiner, dafür ist die Lichtintensität insbesondere im Zentrum deutlich höher.
Zwischen diesen beiden beschriebenen Extremstellungen der maximalen Brennweite in den 3, 5 und 7 sowie der minimalen Brennweite in den 2, 4 und 6 lassen sich nun alle beliebigen Zwischenwerte einstellen. Damit kann das Abbild des Feldes 5 der Mikrolichtquellen in der gewünschten Beleuchtungsebene 3 in der benötigten Größe und mit der benötigten Schärfe dargestellt werden, sodass mit dem erfindungsgemäßen Fahrzeugscheinwerfer 4 eine Vielzahl von unterschiedlichen Beleuchtungsaufgaben wahrgenommen werden kann, insbesondere auch eine adaptive Beleuchtung in dem eingangs beschriebenen Sinn, bei welcher anhand von Umgebungssensoren erfasste Objekte gezielt beleuchtet oder eben nicht beleuchtet werden können, beispielsweise um die Blendung von Gegenverkehr oder Eigenblendung durch das sehr helle Anstrahlen eines Verkehrsschildes oder dergleichen zu unterbinden. Ferner lassen sich gezielt Objekte in der Umgebung anstrahlen, um diese über Umgebungssensoren wie beispielsweise Kameras oder dergleichen besser erkennen und klassifizieren zu können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006053019 A1 [0002]
DE 102015013271 A1 [0003]
WO 2011/020920 A1 [0005]
DE 202011000481 U1 [0005]

Claims

Fahrzeugscheinwerfer (4) mit einer Lichtquelle und mit einem verstellbaren Objektiv, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle als Feld (5) mit einer Vielzahl von Mikrolichtquellen ausgebildet ist, und dass das verstellbare Objektiv wenigstens drei Linsengruppen (K 1, K 2, K 3) umfasst, von welchen wenigstens zwei entlang der optischen Achse (6) verschiebbar ausgebildet sind, um die Brennweite und die Fokusebene zu verstellen.
Fahrzeugscheinwerfer (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrolichtquellen Mikro-LEDs oder Mikro-Spiegel-Vorrichtungen aufweisen.
Fahrzeugscheinwerfer (4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Feld (5) eine Anzahl von mehr als 10.000, insbesondere 30.000 bis 1,5-Millionen, Mikrolichtquellen aufweist.
Fahrzeugscheinwerfer (4) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Linsenbaugruppen (K 1, K 2, K 3) wenigstens eine optische Linse (7, 8, 10, 11, 13) aufweist.
Fahrzeugscheinwerfer (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das verstellbare Objektiv wenigstens eine Aperturblende (9) aufweist.
Fahrzeugscheinwerfer (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv zusätzlich eine Irisblende enthält.
Fahrzeugscheinwerfer (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Oberflächen von einem oder mehreren optischen Elementen des variablen Objektivs asphärisch ausgebildet sind, diffrafktive Strukturen und/oder eine Antireflexbeschichtung aufweisen.
Fahrzeugscheinwerfer (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialien von einzelnen optischen Elementen des variablen Objektivs unterschiedliche Brechzahlen aufweisen.
Fahrzeugscheinwerfer (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierung der entlang der optischen Achse (6) verschiebbaren Linsenbaugruppen (K 1, K 2, K 3) durch Gleichstrommotoren, Schrittmotoren und/oder Piezo-Aktuatoren realisiert ist.