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Die Erfindung betrifft ein Scheinwerfersystem für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derzeit sind Scheinwerfersysteme in der Entwicklung und im Einsatz, mit denen eine einstellbare und veränderbare Ausleuchtung der Fahrbahn einschließlich der Projektion von Lichtsymbolen und Lichtmuster auf der Fahrbahn erzielt werden können.
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Die Maskierung der Fahrbahnbeleuchtung, was unter dem Begriff maskiertes Dauer-Fernlicht bekannt ist, verschwendet aktuell viel Licht, wenn es durch eine rotierende oder bewegliche Blende realisiert wird. Auch neue bildgebende Technologien, wie beispielsweise der Einsatz von Mikrospiegel-Arrays, üblicherweise bekannt unter der Abkürzung DMD für „Digital Micromirror Device“, können die in maskierten Bereichen nicht benötigte Lichtenergie nicht einsparen, sondern diese in die maskierten Bereiche abgestrahlte Lichtenergie muss aufwendig vernichtet werden, was über einen Absorber mit entsprechender Kühlung erfolgt.
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Für die Entwicklung effizienter Elektrofahrzeuge ist damit eine maskierte Fahrbahnbeleuchtung nicht mit diesen vergleichsweise preiswerten Technologien umsetzbar. Ferner ist ein System beweglicher Masken in den Möglichkeiten der Darstellung sehr begrenzt und hinsichtlich der Effizienz sehr verbesserungsfähig.
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Der Einsatz von DMDs bei bildgebenden Verfahren ist preiswert, flexibel, klein und kann die von Scheinwerfern geforderten Lichtströme bereitstellen. Das für die primäre Lichtverteilung nicht benötigte Licht kann durch verschiedene Lösungen zumindest teilweise weiterverwendet werden.
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So offenbart die Druckschrift
DE 10 2014 225 246 A1 eine Leuchtvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Lichtumlenkeinheit, welche mindestens zwei unabhängig voneinander elektronisch ansteuerbare, in ihrer Raumausrichtung per Ansteuerung ausrichtbare Lichtumlenkelemente aufweist, wobei die Lichtumlenkelemente in einer ersten Ansteuerposition dazu ausgebildet sind, auf sie treffendes Licht in einer durch ihre Raumausrichtung vorbestimmten Richtung umzulenken, wodurch ein erstes, veränderliches Lichtbild mit einer variablen und einstellbaren Lichtverteilung bereitstellbar ist und eine Lichtquelle, mittels welcher Licht in die Lichtumlenkeinheit einstrahlbar ist, wobei die Leuchtvorrichtung ferner ein lichtformendes Element umfasst und mindestens ein Lichtumlenkelement in einer zweiten Ansteuerposition dazu ausgebildet ist, Licht in das lichtformende Element umzulenken, so dass das in das lichtformende Element eingestrahlte Licht von diesem als ein zweites Lichtbild mit stets gleichbleibender Lichtverteilung bereitgestellt wird.
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Zur Erzeugung komplexer Lichtverteilungen durch einen Kraftfahrzeugscheinwerfer ohne Lichtverluste oder mit sekundären Lichtverteilungen sind LED-Matrixscheinwerfer oder schwingende Mikrospiegel bekannt. LED-Matrixscheinwerfer erreichen jedoch derzeit nicht die notwendigen hohen Auflösungen und liegen bei weniger als 100 Lichtpunkten pro Scheinwerfer. Scheinwerfer mit schwingenden Mikrospiegeln sind noch weit von einem Einsatz im Fahrzeug entfernt.
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Die Druckschrift
DE 10 2015 212 758 B3 betrifft eine Projektionsoptik und eine Projektionseinheit für ein Kraftfahrzeug zum Projizieren eines Laserstrahls in das Umfeld des Kraftfahrzeugs, insbesondere auf die Fahrbahn vor dem Kraftfahrzeug, zur Darstellung von Lichtsymbolen, umfassend
- - eine Lasereinheit zur Erzeugung eines Laserstrahls,
- - einen MEMS-Spiegel mit mindestens einer resonanten Achse, wobei der Laserstrahl von dem um die resonante Achse schwingenden MEMS-Spiegel in einer Ebene senkrecht zur resonanten Achse in einen Ablenkbereich gebildet durch die beiden maximalen Auslenkungen des MEMS-Spiegels abgelenkt wird, und
- - eine optische Komponente, welche das eingangsseitig durch den resonant schwingenden MEMS-Spiegel bedingte Winkelgeschwindigkeitsprofil des abgelenkten Laserstrahls ausgangsseitig auf ein vorgegebenes Winkelgeschwindigkeitsprofil begrenzt, wobei das ausgangsseitige Geschwindigkeitsprofil des abgelenkten Laserstrahls einen Teilbereich des eingangsseitigen Geschwindigkeitsprofils umfasst.
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Die Druckschrift
DE 10 2014 214 522 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Projektion eines Lichtsymbols in einen definierten Bereich der Fahrbahnebene im Umfeld eines Kraftfahrzeugs mittels mindestens einer über der Fahrbahnebene im Kraftfahrzeug angeordneten Laserlichtquelle umfassend die Schritte:
- - Erzeugen eines Laserlichtspots vorgegebener Farbe und Form in einer vorbestimmten Scanfläche in dem definierten Bereich der Fahrbahnebene,
- - Scannen des Laserlichtspots in zwei Raumrichtungen entlang einer vorbestimmten Trajektorie zur Ausleuchtung der Scanfläche in der Fahrbahnebene, und
- - Ein- und Ausschalten des Laserlichtspots zur Erzeugung des Lichtsymbols, wobei die Bildwiederholfrequenz des Lichtsymbols über der Flimmerverschmelzungsgrenze des menschlichen Auges liegt.
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Die Druckschrift
DE 10 2013 222 467 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Querführungsunterstützung des Fahrers eines Kraftfahrzeugs. Dabei wird in Fahrtrichtung vor dem Kraftfahrzeug ein Lichtmuster in der Form zweier parallel zur Fahrzeuglängsachse verlaufender Lichtbalken vorgegebener Länge und Breite mit vorgegebenem Abstand auf die aktuell befahrene Fahrspuroberfläche projiziert, wobei die Lichtintensität und/oder die Farbe jedes Lichtbalkens eine Funktion der Position des Kraftfahrzeugs auf der aktuellen Fahrspur ist.
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Die Druckschrift
DE 195 26 023 A1 beschreibt Scheinwerfer für Kraftfahrzeuge, die zum Erzeugen definierter Hell-/Dunkel-Grenzen für asymmetrisches Abblendlicht über konturerzeugende Abbildungsmittel verfügen. Im Falle von Scheinwerfern mit Polyellipsoid-Reflektoren handelt es sich dabei um eine in der Brennebene des optischen Systems des Scheinwerfers angeordnete Blende, die exakt definierte Hell-/Dunkel-Grenzen projiziert, indem sie einen Teil des vom Reflektor reflektierten Lichts absorbiert. Dabei ist vorgesehen, dass den Abbildungsmitteln im Strahlengang von durch den Reflektor auf die Abbildungsmittel reflektierten Lichtstrahlenbündeln eine Einrichtung zum zumindest teilweisen Umlenken und Auskoppeln der Lichtstrahlenbündel zugeordnet ist.
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Die Druckschrift
DE 10 2011 013 211 A1 betrifft einen Kraftfahrzeugscheinwerfer mit einem Mehrfunktions-Projektionsmodul, das dazu dient, Licht einer ersten Lichtquelle über eine erste Primäroptik in einem von einer Blendenkante begrenzten ersten Strahlengang in eine erste Lichtverteilung zu überführen, Licht einer zweiten Lichtquelle über eine zweite Primäroptik in einem zweiten Strahlengang in eine Strahltaille zu fokussieren und in zweite Lichtverteilung zu überführen, die einen vorbestimmten zentralen Punkt aufweist. Das Projektionsmodul zeichnet sich durch einen Spiegel aus, der im zweiten Strahlengang zwischen der Strahltaille und der Projektionslinse so angeordnet ist, dass er ein virtuelles Spiegelbild der Strahltaille im Brennpunkt einer Projektionslinse erzeugt.
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Die Druckschrift
DE 11 2013 003 050 T5 beschreibt eine Fahrzeugleuchte, die ein diesbezüglich erforderliches Lichtverteilungsmuster selbst mit einer herkömmlichen DMD effektiv ausbilden kann. Ein Fahrzeugscheinwerfer weist eine Projektionslinse, eine zweidimensionale Bildausbildungseinrichtung, die eine Projektionsfläche aufweist, die in der Nähe eines hinteren Brennpunkts F der Projektionslinse positioniert ist, und eine Lichtquelle auf, die aufgebaut ist, um die zweidimensionale Bildausbildungseinrichtung mit Licht zu bestrahlen, wobei die Projektionsfläche mittels mehrerer optischer Elemente ausgebildet ist, die in der Projektionsfläche unabhängig voneinander angesprochen werden können, wobei Beleuchtungsmuster gleichzeitig und individuell auf mehreren Projektionsbereichen ausgebildet werden können und die mehreren Beleuchtungsmuster durch die Projektionslinse bezüglich der Leuchte nach vorn projiziert werden, um ein einziges oder mehrere Lichtverteilungsmuster auszubilden.
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Die Druckschrift
DE 20 2013 012 664 U1 betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung zum Erzeugen eines kontrollierbaren Lichtstrahls für die Beleuchtung einer Szene, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: ein adressierbarer räumlich auflösender Lichtmodulator, der zum Bereitstellen einer auswählbaren Phasenverschiebungsverteilung für einen Strahl aus einfallendem Licht angeordnet ist; Fourier-Optiken, die zum Empfangen des phasenmodulierten Lichts vom räumlich auflösenden Lichtmodulator und Erzeugen einer Lichtverteilung angeordnet sind; und Projektionsoptiken, die angeordnet sind, um die Lichtverteilung zu projizieren, um ein Beleuchtungsmuster gemäß dem kontrollierbaren Lichtstrahl zu bilden.
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Allgemein gilt, dass Energie, die zunächst in Licht gewandelt und dann ausmaskiert wird, verloren und verschwendet ist. Dies macht jedes Fahrzeug ineffizient, und zwar unabhängig von der Art des Antriebs. Insgesamt ist die Energiemenge für die Frontscheinwerfer nicht unerheblich in der Gesamt-Energiebilanz eines Fahrzeugs bei Nachtfahrten, da von modernen Scheinwerfern die Ausleuchtung von sehr großen Sichtfeldern mit sehr hoher Intensität erwartet wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die von Scheinwerfern benötigte Energie für die Ausleuchtung von sehr großen Sichtfeldern mit sehr hoher Intensität zu optimieren.
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Diese Aufgabe wird durch einen Scheinwerfer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das erfindungsgemäße Scheinwerfersystem für ein Kraftfahrzeug umfasst eine Lichtquelle zur Erzeugung eines primären Lichtstrahls mit vorgegebener Lichtverteilung und eine den primären Lichtstrahl aufnehmenden Projektionsoptik zur Erzeugung eines aus der Projektionsoptik in das Umfeld des Kraftfahrzeugs austretenden sekundären Lichtstrahls. Dabei ist ein lichtformender Modulator im Strahlengang zwischen der Lichtquelle und der Projektionsoptik an der Position eines Zwischenbildes der Projektionsoptik angeordnet, wobei der lichtformende Modulator zur Beeinflussung der Lichtverteilung im aus der Projektionsoptik austretenden sekundären Lichtstrahl dient. Dabei wird der lichtformende Modulator durch ein DMD gebildet, dessen einzelne Mikrospiegel als Funktion der Ansteuerung zwei Ablenkstellungen aufweisen, wobei als Funktion der Ablenkstellungen aus dem einfallenden primären Lichtstrahl zwei Teilstrahlen erzeugt werden, und die beiden Teilstrahlen in einer Rekombinationsoptik wieder zusammengeführt werden, so dass diese gemeinsam in die Projektionsoptik eintreten und phasenweise interferieren, wodurch als Funktion der Stellungen der Mikrospiegel des DMD die gewünschte Lichtverteilung im sekundären Lichtstrahl erzeugt wird.
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Durch die Formung der resultierenden Lichtverteilung des sekundären Lichtstrahls durch Eingriffe in die Phasen des primären Lichtstrahls zur additiven Überlagerung kann, je nach Komplexität der gewünschten Strahlform des sekundären Lichtstrahls ca. 95% der Energie des ursprünglichen, üblicherweise gaußverteilten primären Lichtstrahls in die neue Lichtverteilung überführt werden.
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Vorzugsweise liegt die Position des Zwischenbildes, an der der lichtformende Modulator angeordnet ist, bei der halben Brennweite, der einfachen Brennweite, der doppelten Brennweite oder ein ganzzahliges Vielfaches der doppelten Brennweite der Projektionsoptik.
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Weiter bevorzugt erzeugt der lichtformende Modulator eine vorbestimmte Anzahl von Lichtverteilungen im aus der Projektionsoptik austretenden sekundären Lichtstrahl.
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Insbesondere kann die vorbestimmte Anzahl der vom lichtformenden Modulator erzeugten Lichtverteilungen durch Steuerdaten erzeugt werden, die in einem Steuergerät zur Steuerung des lichtformenden Modulators abgelegt sind und bei Bedarf vom lichtformenden Modulator abgerufen werden.
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Vorzugsweise werden die im Steuergerät abgelegten Steuerdaten zur Ansteuerung des lichtformenden Modulators für jede vorbestimmte Lichtverteilung vorab ermittelt.
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Weiter bevorzugt werden die Steuerdaten für die vorbestimmten Lichtverteilungen durch numerische Verfahren und/oder durch Optimierungsalgorithmen, insbesondere Fehlerdiffusion und/oder iterative Fouriertransformation, ermittelt.
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Durch den lichtformenden Modulator werden vorzugsweise zumindest die Grundlichtformen des Scheinwerfers, nämlich Fernlicht und Abblendlicht erzeugt. Weitere Grundlichtformen sind beispielsweise Autobahnlicht sowie Nebellicht. Diese Grundlichtformen, die einen Großteil der benötigten Lichtformen ausmachen, werden daher auf energiesparende Weise dargestellt, da sie durch eine Überlagerung der Phasen und nicht subtraktiv durch Ausblendung erzeugt werden.
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Insbesondere kann an einer weiteren Stelle im Strahlengang eine Maske zur individuellen subtraktiven Ausblendung vorgegebener Bereiche des austretenden Lichtstrahls angeordnet sein, wobei vorzugsweise die Maske über die Maskierungsfläche ansteuerbar ist. Auf diese Weise kann auch eine subtraktive Ausblendung für spezielle Begebenheiten eingesetzt werden.
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Insbesondere kann die Maske zur Maskierung anderer Verkehrsteilnehmer durch kleinformatige Ausblendung eingesetzt werden, so dass beispielsweise auf kurzfristigen, entgegenkommenden Verkehr durch Ausblendung an der jeweiligen Position des Verkehrsteilnehmers reagiert werden kann.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. Dabei zeigt
- 1 den Aufbau eines Projektionsscheinwerfers mit einem transmissiven Modulator zur Strahlformung in schematischer Darstellung und
- 2 den Aufbau eines Projektionsscheinwerfers mittels eines reflektiven DMDs als Modulator.
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Der in 1 schematisch dargestellte Projektionsscheinwerfer 1 umfasst eine Lichtquelle 2, die einen primären Lichtstrahl 3 emittiert und beispielsweise durch ein Lasersystem realisiert sein kann, und eine abbildende Optik 4, wobei die Lichtquelle 2 und die abbildende Projektionsoptik 4 in diesem Beispiel auf einer gemeinsamen optischen Achse 5 angeordnet sind. Die abbildende Projektionsoptik 4 weist eine Brennweite f auf und ein transmissiver optischer Modulator 6, also ein lichtformender Modulator, ist am Ort der einfachen Brennweite f der abbildenden Optik 4 angeordnet. Der optische Modulator 6 beeinflusst die Intensitätsverteilung des aus der abbildenden Optik 4 austretenden sekundären Lichtstrahls 7 durch Eingriffe in die Phasen des primären Lichtstrahls 3 der Lichtquelle 2 am Ort der einfachen Brennweite f. Ferner ist im Strahlengang eine Maske 8 angeordnet, die zur definierten Ausblendung von Anteilen des primären Lichtstrahls 3 dient, um im sekundären Lichtstrahl eine Auslöschung an einem vorgegebenen Ort, beispielsweise einem entgegenkommenden Fahrzeug, zu erreichen. Dabei ist die Maske 8 insbesondere elektronisch steuerbar.
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2 zeigt in schematischer Darstellung ein Beispiel eines Projektionsscheinwerfers 1 mit einer Lichtquelle 2, die einen primären Lichtstrahl 3 emittiert und beispielsweise durch ein Lasersystem realisiert sein kann, und einer abbildenden Optik 4, die einen aus dem Scheinwerfer 1 austretenden sekundären Lichtstrahl 7 erzeugt. Dieser primäre Lichtstrahl 3 fällt auf einen Spiegel 10, der den primären Lichtstrahl 3 auf einen DMD 11 lenkt, das in Reflektion als lichtformender Modulator arbeitet. Dabei passiert der primäre Lichtstrahl 3 unverändert eine erste optische Einheit 14, die beispielsweise durch ein TIR-Prisma 14 realisiert ist (TIR: Total Internal Reflection). Das DMD 11 hat als Funktion der Ansteuerung der einzelnen Mikrospiegel zwei Ablenkstellungen, deren eingeschlossener Winkel in 2 stark übertrieben dargestellt ist. Als Funktion der beiden Ablenkstellungen des DMDs 11 erzeugt das DMD 11 zwei Teilstrahlen 12, 13 aus dem einfallenden primären Strahl 3. Diese beiden Teilstrahlen 2, 13 werden in der ersten optischen Einheit, im Beispiel das TIR-Prisma 14, so abgelenkt, dass die beiden Teilstrahlen 12, 13 parallel zueinander an dem Spiegel 10 vorbei verlaufen und auf eine zweite optische Einheit 15 treffen, die eine Rekombinationsoptik verkörpert, in der die beiden Teilstrahlen 12, 13 wieder zusammengeführt werden, so dass diese gemeinsam in die Projektionsoptik 4 eintreten und phasenweise interferieren, wodurch als Funktion der Stellung der Mikrospiegel des reflektierenden DMDs 11 die gewünschte Lichtverteilung im sekundären Lichtstrahl 7 erzeugt wird. Der Abstand zwischen dem DMD 11 und der Projektionsoptik beträgt dabei das ganzzahlige Vielfache der Brennweite f der Projektionsoptik abzüglich dem optischen Laufweg x eines Teilstrahls in der Rekombinationsoptik 15, also n f - x.
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Der in den 1 und 2 dargestellten Beispiele eines Projektionsscheinwerfers basieren auf der Idee der additiven Strahlformung durch Eingriffe in die Phasen, ein sogenanntes „beam shaping“. Dabei wird das zur Verfügung stehende Licht nicht aus der Lichtverteilung ausgeblendet, wie dies bei einem subtraktiven Verfahren mit der Folge eines Intensitätsverlusts erfolgt, sondern das zur Verfügung stehende Licht wird in die verbleibenden, hellen Bereiche umgelenkt. Dabei können, je nach Komplexität der gewünschten Strahlform, um die 95% des ursprünglichen, üblicherweise gaußverteilten Lichtbündels in die neue Lichtverteilung überführt werden.
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Um diesen Effekt zu erreichen, wird der entsprechende lichtformende Modulator 6, 11 nicht an der Position eines realen Bildes eingebracht, sondern beeinflussen den Strahlengang an der Position von Zwischenbildern, also beispielsweise bei ½ f oder f, wobei f der Abstand zum sogenannten Brennpunkt der abbildenden Projektionsoptik ist.
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Die Schwierigkeit liegt darin, dass es keine analytische Formel gibt, mittels welcher das Muster der Bildmanipulation durch den lichtformenden Modulator 6 , 11 bestimmt werden kann, damit ein bestimmtes Ziel-Lichtbild, also die Lichtverteilung im sekundären Lichtstrahl 7, erreicht wird. Daher werden numerische Verfahren oder iterative OptimierungsAlgorithmen verwendet, um sich dem gewünschten Lichtbild oder sekundären Lichtverteilung in mehreren Schritten anzunähern. Bekannte Verfahren sind die Fehlerdiffusion oder die iterative Fourier-Transformation.
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Ist daher eine geeignete Lösung zur Ansteuerung des lichtformenden Modulators 6, 11 gefunden, ist diese und damit die notwendigen Einstellungen vorab zu errechnen und diese Daten sind im Steuergerät des lichtformenden Modulators 6, 11 abzuspeichern und bei Bedarf abzurufen. Auch die Berechnung individueller Lichtverteilungen im Fahrzeug ist theoretisch realisierbar, wenn es eine Rückspeisung des aktuellen Lichtbildes des sekundären Sichtstrahls 7 gibt, beispielsweise über eine Frontkamera, so dass ein iterativer Prozess möglich ist.
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Die Komplexität der erreichbaren Strahlformung ist nicht direkt an die Anzahl der strahlformenden Elemente gekoppelt, wobei in den Beispielen der 1 und 2 nur ein lichtformender Modulator 6, 11 dargestellt ist, profitiert aber positiv von einer höheren Anzahl lichtformender Modulatoren 6, 11 oder feineren Einstellmöglichkeiten derselben. Möglich sind sowohl reflektierende als auch brechende Elemente, so dass DMDs oder elektronisch verstellbare Mikrolinsen zur Verwendung als lichtformende Modulatoren 6, 11 geeignet sind.
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Ferner können eine verlustarme Strahlformung und eine individuelle Maskierung miteinander kombiniert werden, um die Anzahl der gespeicherten Masken bei voller Flexibilität gering zu halten. Da Strahlformung und Maskierung an unterschiedlichen Stellen im Strahlengang erfolgen, können sie problemlos parallel verbaut werden und parallel arbeiten. Eine zweckmäßige Aufteilung zwischen beiden Systemen wäre beispielsweise die großformatige Umschaltung zwischen den Grundlichtformen, wie beispielsweise Fernlicht, Autobahnlicht, Abblendlicht und Nebellicht, verlustfrei über die Strahlformung zu realisieren und die kleinformatige Ausblendung anderer Verkehrsteilnehmer weiterhin über verlustbehaftetes Ausblenden mittels einer Maske 8.
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Varianten ergeben sich aus der Wahl der Lichtquelle, der Optik, aus der Wahl des lichtformenden Modulators 7, 11, wie beispielsweise reflektives DMD 11 oder transmissives, einstellbares Mikrolinsen-Array 6, welches durch Öl/Wasser Flüssiglinsen realisierbar ist, der Position des lichtformenden Modulators, wie 1/2f, 2f, 4f ..., sowie der Kombination mit weiteren abbildenden oder maskierenden Elementen.
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Die in den 1 dargestellte Anordnung stellt ein Minimum an optischen Elementen bei gleichzeitig vollem Funktionsumfang dar. Bei der Verwendung reflektiver DMDs wie dies in 2 dargestellt ist, ist die Konstruktion des Strahlengangs deutlich verkompliziert, da die Lichtverteilungen des DMD 11 von der abbildenden Projektionsoptik erfasst werden müssen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Scheinwerfersystem
- 2
- Lichtquelle
- 3
- primärer Lichtstrahl
- 4
- abbildende Optik
- 5
- optische Achse
- 6
- lichtformender Modulator
- 7
- sekundärer Lichtstrahl
- 8
- Maske der abbildenden Optik (optional)
- f
- Brennweite
- 10
- Spiegel
- 11
- DMD
- 12
- Teilstrahl
- 13
- Teilstrahl
- 14
- TIR-Prisma
- 15
- Rekombinationsoptik
