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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, ein Beleuchtungssystem für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7 sowie ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.
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Im Kraftfahrzeugbereich stellt die Erzeugung von hochaufgelösten Lichtverteilungen, beispielsweise mit einem Scheinwerfer, ein Thema von zunehmendem Interesse dar. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise die Blendung des Gegenverkehrs oder auch die Eigenblendung durch Reflexionen des eigenen Scheinwerfers besser vermeiden. Durch hochaufgelöste Lichtfunktionen können darüber hinaus komplexere Aufgaben erfüllt werden, wie beispielsweise die Kommunikation mit der Außenwelt oder auch eine selektive Ausleuchtung bei Dunkelheit.
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Die
WO 2016/042052 A1 offenbart einen Laserscheinwerfer mit einer Laserlichtquelle, die einen Leuchtstoff zeitlich getrennt in voneinander verschiedenen Teilbereichen zu beleuchten vermag.
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Des Weiteren offenbart die
DE 10 2008 022 795 A1 einen Kfz-Scheinwerfer, der mit Laserlicht betrieben wird. Die Verteilung des Laserlichts wird durch einen oszillierenden Spiegel gesteuert.
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Als nachteilig an solchen scannenden Verfahren erweist sich jedoch die zeitlich abhängige Bewegungscharakteristik des Spiegels bzw. Scanners. Insbesondere bei einem Richtungswechsel des Scanners, entstehen im Randbereich einer zu erzeugenden Projektion besonders hohe Intensitäten aufgrund der lokal geringen Scanngeschwindigkeit. Andererseits weist der Scanner, wenn dieser sich beispielsweise in der Mitte seines Verfahrwegs befindet, eine besonders hohe Scangeschwindigkeit auf. Um hier noch den notwendigen Energieeintrag in die Projektion zu erreichen, bedarf es sehr hoher Spitzenleistungswerte des Lasers.
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Bekannte Lösungsansätze, um die eben beschriebenen Effekte auszugleichen, umfassen eine digitale Verringerung der Intensitäten im Randbereich der Projektion. Diese Methode ist allerdings weniger effizient, da insgesamt weniger Energie pro Zeit in die Projektion eingebracht werden kann.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine technische Lösung zu finden, mit der möglichst die gesamte von einer Lichtquelle erzeugte Energie zur Erzeugung einer hochaufgelösten Lichtverteilung verwendet werden kann, ohne dabei temporär auf extrem hohe Spitzenleistungen zurückgreifen zu müssen. Darüber hinaus soll die technische Lösung möglichst flexibel einsetzbar, mit geringem Aufwand umsetzbar und sicher sein.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche 1, 7 und 10 gelöst. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
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Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Beleuchtungsanordnung, umfassend:
- - einen Scanner,
- - eine Lichtquelle, die Licht in Richtung des Scanners zu emittieren vermag,
- - einen optischen Pfad, umfassend eine abbildende Optik, die ausgebildet ist, mit dem von der Lichtquelle emittierten und über den Scanner verteilten Licht eine Projektion zu erzeugen,
- - ein in dem optischen Pfad zwischen dem Scanner und der abbildenden Optik angeordnetes reflektierendes Element, sowie
- - ein in dem optischen Pfad zwischen dem Scanner und der abbildenden Optik angeordnetes lichtstreuendes Element.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das reflektierende Element ausgebildet ist, eine Intensität des Lichts in zumindest einem Bereich in der Projektion gegenüber einem damit korrespondierenden Scannerbereich auf dem reflektierenden Element zu modulieren.
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Das lichtstreuende Element kann vorzugsweise ein Diffusor sein. Der Scanner kann beispielsweise ein scannender Spiegel oder Mikrospiegel sein. Dieser kann beispielsweise um zwei Achsen schwingend gelagert sein oder aber auch zwei separate Spiegel umfassen, die jeweils um eine Achse schwingend gelagert sind. Die Lichtquelle kann beispielsweise eine Laserlichtquelle umfassen. Diese eignet sich besonders gut zur Darstellung einer hochaufgelösten Lichtverteilung. Im Falle eines RGB-Lasers lassen sich sogar Lichtverteilungen in beliebigen Farben darstellen. Das Licht wird durch den Scanner umgelenkt und beispielsweise zeilenweise über einen definierten Scannerbereich auf dem reflektierenden Element gelenkt. Dabei wird das Licht an dem reflektierenden Element reflektiert und in Richtung der abbildenden Optik, die beispielsweise von einer Linse gebildet sein kann, abgestrahlt. Das Licht kann dann durch die abbildende Optik aus der Beleuchtungsanordnung austreten und in der Außenwelt die Projektion bilden.
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Das reflektierende Element ist auf die Bewegungscharakteristik des Scanners abgestimmt. Das reflektierende Element und der Scanner sind derart relativ zueinander angeordnet, dass der gesamte Scannerbereich, mit anderen Worten der von dem Scanner ausleuchtbare Bereich, auf dem reflektierenden Element liegt. Das Merkmal des korrespondierenden Scannerbereichs ist dahingehend aufzufassen, dass, wenn von einem Randbereich in der Projektion gesprochen wird, auf einen Randbereich im Scannerbereich Bezug genommen wird. Demnach ist es erfindungsgemäß möglich, beispielsweise die Intensität im Bereich einer Außenkante der Projektion gegenüber der Intensität im Bereich einer Außenkante des Scannerbereichs zu reduzieren. Beispielsweise wird in einem mittleren Bereich der Projektion eine Pixeldichte und somit die Intensität durch Stauchung des Lichts erhöht und in einem äußeren Bereich der Projektion, wo der Scanner sonst die höchsten Lichtintensitäten erzeugen würde, durch eine Pixelvergrößerung reduziert. Im Randbereich des Scannerbereichs treten somit aufgrund der Bewegungscharakteristik des Scanners zwar hohe Intensitäten auf, wohingegen im Randbereich der Projektion aber geringere Intensitäten auftreten.
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Vorteilhafterweise kann so die gesamte von der Lichtquelle erzeugte Energie für die Lichtverteilung verwendet werden, wobei aufgrund der Umverteilbarkeit der Intensität geringere Maximalleistungen ausreichen, als ohne diese Möglichkeit. Da zudem Intensitätsspitzen in den Randbereichen der Projektion selbst ohne eine digitale Reduktion der Lichtintensität vermieden werden, ist die Beleuchtungsanordnung auch besonders sicher.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Beleuchtungsanordnung der Erfindung ist vorgesehen, dass das reflektierende Element einen Umverteilungsspiegel umfasst.
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Mit dem Umverteilungsspiegel ist die Modulation der Lichtintensität in besonders einfacher Weise möglich.
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In weiterhin bevorzugter Ausgestaltung der Beleuchtungsanordnung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Umverteilungsspiegel eine Krümmung aufweist, die sich stets von einem inneren Scannerbereich in Richtung eines äußeren Scannerbereichs verändert.
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Die Begriffe innen und außen beziehen sich hier jeweils auf ein Zentrum des Scannerbereichs. Mit einer derartigen stets veränderlichen Krümmung ist es in besonders einfacher Weise möglich, Lichtintensitäten beispielsweise aus dem äußeren Scannerbereich auf einen größeren Winkelbereich in der Projektion, beispielsweise auf einer Straße, zu verteilen und damit die Intensität am Rand der Projektion zu reduzieren und gleichzeitig zum mittleren Bereich der Projektion hin zu erhöhen. Die Krümmung kann beispielsweise vom inneren Scannerbereich hin zum äußeren Scannerbereich progressiv ausgestaltet sein und auch ihre Richtung ändern. Möglich ist es auch, einen segmentierten Umverteilungsspiegel vorzusehen.
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In weiterhin bevorzugter Ausgestaltung der Beleuchtungsanordnung der Erfindung ist vorgesehen, dass äußere Scannerbereiche des Umverteilungsspiegels eine stärkere Krümmung aufweisen, als innere Scannerbereiche. Mit anderen Worten ergibt sich eine deutlich größere Intensitätsfaltung im mittleren Bereich und eine deutlich größere Intensitätsauffächerung hin zum Randbereich der Projektion beziehungsweise Lichtverteilung.
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Auf diese Weise lässt sich die beschriebene Umverteilung der Intensitäten aus den äußeren Scannerbereichen hin in den inneren Bereich der Projektion über den gesamten äußeren Scannerbereich erreichen.
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In weiterhin bevorzugter Ausgestaltung der Beleuchtungsanordnung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lichtquelle eine Rot-Grün-Blau-Laserlichtquelle umfasst.
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Die Lichtverteilung lässt sich so besonders hochaufgelöst darstellen und durch den RGB-Laser in beliebigen Farben erzeugen.
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Im Falle der Laserlichtquelle wird der Fachmann vorzugsweise einen Kollimator zwischen Laserlichtquelle und Scanner vorsehen. Der Scanner, beispielsweise der scannende Spiegel, kann beispielsweise einen Durchmesser von 5 mm bis 7 mm aufweisen.
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Durch Abstimmung der Laserlichtquelle und des Umverteilungsspiegels aufeinander lassen sich auch besonders gut die Pixelgrößen der Projektion definieren. Je stärker die Krümmung des Umverteilungsspiegels lokal ausgeprägt ist, desto kleiner oder größer lässt sich, in Abhängigkeit der Krümmungsrichtung, ein Pixel in der Projektion darstellen.
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In weiterhin bevorzugter Ausgestaltung der Beleuchtungsanordnung der Erfindung ist vorgesehen, dass das lichtstreuende Element in dem optischen Pfad zwischen dem reflektierenden Element und der abbildenden Optik angeordnet ist.
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Mit anderen Worten wird also ein Diffusor zwischen die abbildende Optik und das reflektierende Element geschaltet. Es kann sowohl ein volumenstreuendes Material verwendet werden, als auch ein lichtstreuendes Element, das das Licht in einem kleinen und definierten Winkel aufweitet. Dies ist zur genauen Darstellung der Projektion bevorzugt. Hier kommt beispielsweise eine Streuscheibe in Betracht.
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Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Beleuchtungssystem für ein Kraftfahrzeug. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Beleuchtungssystem einen Scheinwerfer und eine erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung gemäß der vorhergehenden Beschreibung umfasst, die zumindest abschnittsweise in den Scheinwerfer integriert ist.
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So lassen sich im Kraftfahrzeugbereich in besonders einfacher und effizienter sowie sicherer Weise die eingangs genannten Anforderungen erfüllen und eine Vielzahl von Lichtverteilungen bzw. Lichtfunktionen realisieren.
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In bevorzugter Ausgestaltung des Beleuchtungssystems der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Lichtquelle der Beleuchtungsanordnung zumindest abschnittsweise innerhalb des Scheinwerfers angeordnet ist.
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Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht eine besonders einfache und sichere Montage und Justage der lichtführenden Elemente relativ zueinander.
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Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass eine Lichtquelle der Beleuchtungsanordnung außerhalb des Scheinwerfers angeordnet ist und die Lichtquelle einen Lichtleiter umfasst, der mit einem im Innern des Scheinwerfers angeordneten Scanner wirkverbunden ist.
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Durch entsprechende Justage des Lichtleiters relativ zum Scanner lassen sich sowohl die vorher genannten Vorteile erreichen, als auch eine besonders flexible Anordnung der Lichtquelle außerhalb des Scheinwerfers. Dies wirkt sich besonders vorteilhaft auf den benötigten Bauraum und die Montage aus.
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Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, umfassend wenigstens eine erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung gemäß der vorhergehenden Beschreibung und/oder ein erfindungsgemäßes Beleuchtungssystem gemäß der vorhergehenden Beschreibung.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders aufgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Zusammenfassend lässt sich nochmals mit anderen Worten sagen, dass der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung einen RGB-Laserscannerscheinwerfer betrifft. Das bei konventionellen Scheinwerfern dieser Art herrschende Problem, nämlich die Intensitätskonzentration in Randbereichen einer mit dem Scheinwerfer erzeugten Lichtverteilung, wird durch die Umverteilung dieser Intensitäten mit einem Umverteilungsspiegel gelöst. Der Umverteilungsspiegel streckt zum einen das Licht aus Randbereichen eines Ausleuchtungsbereichs eines Scanners in weiter innenliegende oder weiter außerliegende Bereiche der zu erzeugenden Projektion und staucht zum anderen das Licht in einem mittleren Bereich der Projektion.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit dem RGB-Laserscannerscheinwerfer.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnung erläutert. Es zeigt:
- 1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung;
- 2 ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug.
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1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung 10. Die Elemente der Beleuchtungsanordnung 10 sind im unteren Teil der 1 dargestellt, umfassend einen Scanner 12, der von einer Lichtquelle 14 mit Licht 16 versorgt wird. Im vorliegenden Beispiel umfasst die Lichtquelle 14 eine Laserlichtquelle 18 in Form eines RGB-Lasers und einen nicht im Detail dargestellten Kollimator.
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Der Scanner 12 besteht im vorliegenden Beispiel aus einem scannenden Spiegel, der um zwei Achsen schwingbar gelagert ist. Somit kann das Licht 16 mit dem Scanner 12 in zwei Dimensionen, beispielsweise in einer Ebene, verteilt werden. Zur Vereinfachung der Darstellung ist der Weg des Lichts 16 mit Pfeilen als optischer Pfad 20 dargestellt.
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Der optische Pfad 20 umfasst bei Austritt des Lichts 16 aus der Beleuchtungsanordnung 10 eine abbildende Optik 22, beispielsweise in Form einer Linse. Durch diese verlässt das Licht 16 die Beleuchtungsanordnung 10 zur Erzeugung einer Projektion 24.
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In dem optischen Pfad 20 ist zwischen dem Scanner 12 und der abbildenden Optik 22 ein reflektierendes Element 26 angeordnet. Dieses umfasst vorliegend einen Umverteilungsspiegel 28.
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Damit kein kollimierter Laserstrahl die Beleuchtungsanordnung 10 verlässt und so die Sicherheit zu gewährleisten, ist in dem optischen Pfad 20 zwischen dem reflektierenden Element 26 und der abbildenden Optik 22 ein lichtstreuendes Element 30 angeordnet. Dieses ist vorliegend durch eine Streuscheibe gebildet und weitet das Licht 16 in einem kleinen definierten Winkel auf.
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Das reflektierende Element 26 ist ausgebildet, eine Intensität des Lichts 16 in Randbereichen 32 der Projektion 24 gegenüber damit korrespondierenden Randbereichen des Scannerbereichs 34, mit anderen Worten äußeren Scannerbereichen 40, auf dem reflektierenden Element 26 zu modulieren. Wie dies geschieht, ist im oberen Teil von 1 schematisch näher erläutert.
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Dort ist erkennbar, dass sich eine Krümmung 36 des exemplarischen Umverteilungsspiegels 28, ausgehend von einem inneren Scannerbereich 38 in Richtung des äußeren Scannerbereichs 40, stets verändert. Die Krümmung 36 ist im äußeren Scannerbereich 40 stärker ausgeprägt, als im inneren Scannerbereich 38 und wechselt im vorliegenden Beispiel die Krümmungsrichtung. Trifft nun von dem Scanner 12 in den äußeren Scannerbereich 40 verteiltes Licht 16 auf den Umverteilungsspiegel 28, so wird dieses nicht vollständig in den damit korrespondierenden Randbereich der Projektion 32 gelenkt, sondern hin zu einem inneren Bereich der Projektion 42 aufgeweitet und so großflächiger verteilt. Eine Pixelgröße 50 im Randbereich der Projektion 32 wird so gegenüber einer Pixelgröße 52 im äußeren Scannerbereich 40 erhöht. Durch die im äußeren Scannerbereich 40 lokale Gestaltung der Krümmung 36 kann bestimmt werden, wie großflächig das Licht 16 in der Projektion 24 verteilt werden soll. Die lokale Intensität im Randbereich der Projektion 32 kann so verringert werden, so dass nicht die infolge der geringen Scannergeschwindigkeit im äußeren Scannerbereich 40 hervorgerufenen hohen Intensitäten im Randbereich der Projektion 32 wieder auftreten.
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Das von dem Scanner 12 in den inneren Scannerbereich 38 gelenkte Licht 16, welches infolge der höheren Scannergeschwindigkeit mit geringerer Intensität auftritt, kann hingegen mit einer Pixelgröße 54 auf den inneren Bereich der Projektion 32 gelenkt werden, die gegenüber einer Pixelgröße 56 im inneren Scannerbereich 38 verkleinert ist.
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Exemplarisch ist eine Verteilung der Pixelgrößen 58 gezeigt, die vom Randbereich der Projektion 32 hin zum inneren Bereich der Projektion 42 abnehmen.
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Die konkrete geometrische Ausgestaltung des reflektierenden Elements 26 nimmt der Fachmann unter Anwendung der hierin offenbarten technischen Lehre selbstständig vor, je nach gewünschter Intensitätsverteilung in der Projektion 42.
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2 zeigt ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug 44, das mit einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung 10 ausgestattet ist. Die Beleuchtungsanordnung 10 ist mit einem Scheinwerfer 46 zu einem erfindungsgemäßen Beleuchtungssystem 48 für das Kraftfahrzeug 44 kombiniert.
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Die Beleuchtungsanordnung 10 kann vollständig in den Scheinwerfer 46 integriert sein. Alle in 1 gezeigten Elemente der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung 10 können in diesem Fall in den Scheinwerfer 46 integriert sein.
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Es ist aber auch möglich, wie in 2 gezeigt, die Lichtquelle 14 mit einem Lichtleiter 60 zu kombinieren. Die Lichtquelle 14 kann in diesem Fall auch außerhalb des Scheinwerfers 46 angeordnet sein. Der Lichtleiter 60 ist dann ins Innere des Scheinwerfers 46 geführt und mit dem dort angeordneten Scanner 12 der Beleuchtungsanordnung 10 wirkverbunden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Beleuchtungsanordnung
- 12
- Scanner
- 14
- Lichtquelle
- 16
- Licht
- 18
- Laserlichtquelle
- 20
- optischer Pfad
- 22
- abbildende Optik
- 24
- Projektion
- 26
- reflektierendes Elemente
- 28
- Umverteilungsspiegel
- 30
- lichtstreuendes Elemente
- 32
- Randbereich der Projektion
- 34
- Scannerbereich
- 36
- Krümmung
- 38
- innerer Scannerbereich
- 40
- äußerer Scannerbereich
- 42
- innerer Bereich der Projektion
- 44
- Kraftfahrzeug
- 46
- Scheinwerfer
- 48
- Beleuchtungssystem
- 50
- Pixelgröße
- 52
- Pixelgröße
- 54
- Pixelgröße
- 56
- Pixelgröße
- 58
- Verteilung der Pixelgrößen
- 60
- Lichtleiter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2016/042052 A1 [0003]
- DE 102008022795 A1 [0004]
