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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Scheinwerfer eines Kraftfahrzeugs. Der Scheinwerfer umfasst ein Gehäuse mit einer durch eine transparente Abdeckscheibe verschlossenen Lichtaustrittsöffnung und mindestens ein in dem Gehäuse angeordnetes Lichtmodul zur Erzeugung einer Lichtverteilung des Scheinwerfers vor dem Fahrzeug. Das Lichtmodul weist mindestens eine Lichtquelle zum Aussenden von Licht in einem für das menschliche Auge sichtbaren Wellenlängenbereich zur Erzeugung der Lichtverteilung auf. Der Scheinwerfer umfasst ferner ein in dem Gehäuse angeordnetes LiDAR-Modul mit einem durch einen ersten Flächenbereich der Abdeckscheibe verlaufenden Sendepfad, über den das LiDAR-Modul gepulste Infrarotstrahlung aussendet, und mit einem durch einen zweiten Flächenbereich der Abdeckscheibe verlaufenden Empfangspfad, über den das LiDAR-Modul zumindest einen Teil der von dem LiDAR-Modul ausgesandten und an einem Objekt im Umfeld des Fahrzeugs reflektierten Infrarotstrahlung empfängt.
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Das in den Kraftfahrzeugscheinwerfer integrierte LiDAR (Light Detection And Ranging)-Modul bildet einen optischen Abstandssensor, der Licht (insbesondere gepulstes Laserlicht, besonders bevorzugt im Infrarotwellenlängenbereich) aussendet und von einem Objekt im Umfeld des Fahrzeugs zurückgestreutes Licht detektiert. Anhand der Laufzeit des Lichts wird der Abstand des Objekts zum Fahrzeug bestimmt. In einem Kraftfahrzeug wird LiDAR benutzt, um Personen und Gegenstände im Umfeld des Fahrzeugs zu erkennen und ihren Abstand zu bestimmen.
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Da LiDAR-Module Strahlung aussenden und empfangen müssen, benötigen sie optische Fenster im Fahrzeug. Die rückgestreute Strahlungsleistung ist im Allgemeinen sehr klein. Um die Signalstärke zu erhöhen, ist es vorteilhaft, ein Detektorsystem mit großem Öffnungswinkel einzusetzen. Dies erfordert große Fenster (Öffnungen) im Fahrzeug. Da diese Öffnungen im Scheinwerfer schon vorhanden sind und die Scheinwerferoptiken einen vergleichsweise großen Öffnungswinkel besitzen, ist es von großem praktischen Nutzen, diese sowieso schon vorhandenen Einrichtungen und Komponenten des Scheinwerfers gleichzeitig für ein im Fahrzeug integriertes LiDAR-Modul einzusetzen. Ein entsprechender Scheinwerfer mit integriertem LiDAR-Modul ist bspw. aus der
DE 197 31 754 C2 sowie der
DE 10 2015 007 172 A1 bekannt.
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In modernen Scheinwerfern für Kraftfahrzeuge stellt die Enttauung (d.h. das Entfernen eines Beschlags) der Abdeckscheibe eine Herausforderung dar, da die in dem Lichtmodul zur Erzeugung der Lichtverteilung des Scheinwerfers verwendeten modernen Lichtquellen häufig nur einen geringen Infrarotanteil aufweisen und somit die Abdeckscheibe beim Durchtritt kaum bzw. nur unzureichend aufheizen und enttauen. Ein Beschlag der Abdeckscheibe kann gefrorenes Wasser (z.B. Raureif, Schnee, Eis) auf der Außenseite und/oder Wasserdampf auf der Innenseite der Abdeckscheibe umfassen. Um die Abdeckscheibe eines Scheinwerfers zu enttauen, wird üblicherweise das von der Lichtquelle des Lichtmoduls des Scheinwerfers emittierte Licht genutzt. Bei Lichtmodulen mit LED-Lichtquellen besitzt das abgestrahlte Licht allerdings einen geringeren Anteil an Wärmestrahlung (IR-Strahlung) als bei Gasentladungs- oder Halogenlichtquellen. Dadurch wird die Enttauung bei LED-Scheinwerfern erschwert.
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Vor diesem Hintergrund ist bspw. aus der
DE 197 33 000 B4 ein Kraftfahrzeugscheinwerfer mit integrierten Betauungsschutzvorrichtungen bekannt, durch die ein Beschlagen des Abdeckscheibe von innen vermieden werden kann. Ferner ist aus der
DE 10 2011 080 488 A1 ein Kraftfahrzeugscheinwerfer bekannt, der neben einem Lichtmodul in dem Gehäuse auch einen zusätzlichen Infrarotstrahler aufweist, der die Abdeckscheibe von innen mit Infrarotstrahlung anstrahlt, so dass die Abdeckscheibe aufgeheizt wird. Schließlich wird in der
DE 10 2014 102 921 A1 vorgeschlagen, mit einem beheizten Luftstrom die Abdeckscheibe entlang zu streichen, um die Abdeckscheibe zusätzlich aufzuwärmen. Auf diese Weise kann ein Beschlag an der Innen- und/oder Außenseite der Abdeckscheibe sowie die Bildung von Raureif, Schnee und Eis an der Außenseite der Abdeckscheibe verhindert bzw. entfernt werden.
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Das Licht des Lichtmoduls kann zum Enttauen des Sende- und Empfangspfads des LiDAR-Moduls in der Regel nicht genutzt werden, da die entsprechenden Flächenbereiche des Sende- und Empfangspfads auf der Abdeckscheibe durch das sichtbare Licht des Lichtmoduls nicht erreicht werden. Zudem ist insbesondere die rückgestreute Strahlungsleistung im passiven Empfangspfad des LiDAR-Moduls im Allgemeinen sehr klein, so dass die IR-Strahlung des LiDAR-Moduls allenfalls zum Enttauen des ersten Flächenbereichs des aktiven Sendepfads genutzt werden kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache, kostengünstige und wirksame Maßnahme für einen Kraftfahrzeugscheinwerfer mit LiDAR-Modul vorzuschlagen, um ein gezieltes Enttauen insbesondere des dem Empfangspfad des LiDAR-Moduls entsprechenden zweiten Flächenbereichs der Abdeckscheibe zu ermöglichen, ohne dadurch jedoch die Funktion des LiDAR-Moduls zu beeinträchtigen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Kraftfahrzeugscheinwerfer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Insbesondere wird ausgehend von dem Scheinwerfer der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass das LiDAR-Modul ein in dem Empfangspfad angeordnetes Filterelement aufweist, das ein Transmissionsspektrum mit besonders hohen Werten in einem Wellenlängenbereich der gepulsten Infrarotstrahlung des Sendepfads des LiDAR-Moduls aufweist, und dass der Scheinwerfer zusätzlich zu der mindestens einen Lichtquelle des Lichtmoduls mindestens eine Strahlungsquelle aufweist, die Strahlung überwiegend in einem Wellenlängenbereich in Richtung der Abdeckscheibe aussendet, in dem das Transmissionsspektrum des Filterelements in dem Empfangspfad des LiDAR-Moduls besonders niedrige Werte aufweist. Auf diese Weise wird verhindert, dass die von der zusätzlichen Strahlungsquelle ausgesandte Strahlung, bspw. nach einer Reflexion an der Abdeckscheibe, in den LiDAR-Sensor gelangen und diesen blenden kann.
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Besonders hohe Werte im Sinne der Erfindung bedeuten bspw. eine Transmission von mindestens 75%, insbesondere von mindestens 90%. Dementsprechend bedeuten im Sinne der Erfindung besonders niedrige Werte bspw. eine Transmission von höchstens 10%, insbesondere von höchstens 5%.
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Vorzugsweise umfasst die Strahlungsquelle einen Infrarotstrahler, besonders bevorzugt eine Infrarot (IR)-Halbleiterlichtquelle, insbesondere eine IR-Diode. Eine solche IR-Halbleiterlichtquelle ist kleinbauend und effizient. Die IR-Strahlungsquelle kann an einer beliebigen Stelle innerhalb eines Gehäuses des Scheinwerfers derart angeordnet und ausgerichtet sein, dass die ausgesandte IR-Strahlung (oder Wärmestrahlung) auf die Abdeckscheibe, insbesondere auf den zweiten Flächenbereich des Empfangspfads, trifft.
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Es ist denkbar, dass der Sendepfad und der Empfangspfad des LiDAR-Moduls durch den gleichen Flächenbereich der Abdeckscheibe verlaufen. Besonders bevorzugt ist es aber, wenn der erste Flächenbereich in dem Sendepfad und der zweite Flächenbereich in dem Empfangspfad unterschiedliche Flächenbereiche der Abdeckscheibe sind. Dadurch können sich Vorteile bei der Robustheit des LiDAR-Systems ergeben, da durch den Sendepfad verursachte auf den Empfangspfad des LiDAR-Moduls wirkende interne Störeinflüsse reduziert werden.
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Durch die von der IR-Strahlungsquelle ausgesandte IR-Strahlung kann insbesondere der zweite Flächenbereich der Abdeckscheibe in dem Empfangspfad des LiDAR-Moduls enttaut werden. Der zweite Flächenbereich würde ansonsten weder durch das sichtbare Licht des Lichtmoduls noch durch die zuvor von dem LiDAR-Modul auf dem Sendepfad ausgesandte und an einem Objekt im Umfeld des Fahrzeugs reflektierte IR-Strahlung ausreichend enttaut. Die vorgeschlagene IR-Strahlungsquelle sorgt somit dafür, dass ein Beschlag der Abdeckscheibe, insbesondere in dem zweiten Flächenbereich des Empfangspfads, die Systemleistung des LiDAR-Moduls in Bezug auf Reichweite, Auflösung und toten Winkel nicht beeinträchtigen kann bzw. dass die Beeinträchtigungen auf ein Minimum reduziert werden.
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Selbstverständlich ist es denkbar, dass die IR-Strahlung der IR-Strahlungsquelle auch zum Enttauen des ersten Flächenbereichs in dem Sendepfad des LiDAR-Moduls sowie anderer Flächenbereiche der Abdeckscheibe genutzt wird. Dies kann bspw. dadurch erzielt werden, dass der Öffnungswinkel der von der IR-Strahlungsquelle ausgesandten IR-Strahlung so groß ist, dass die angestrahlte Fläche auf der Abdeckscheibe größer ist als der zweite Flächenbereich in dem Empfangspfad. Die Größe des Öffnungswinkels kann bspw. durch Anordnung und besondere Ausgestaltung geeigneter Optiken (z.B. Linsen, Reflektoren, Vorsatzoptiken) im Strahlengang der von der IR-Strahlungsquelle ausgesandten IR-Strahlung variiert werden.
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Die von der IR-Strahlungsquelle ausgesandte IR-Strahlung kann kontinuierlich oder aber zu bestimmten Zeitpunkten, z.B. gepulst ausgesandt werden. Denkbar ist bspw., dass die Impulse der von der IR-Strahlungsquelle ausgesandten IR-Strahlung zum Enttauen der Abdeckscheibe derart auf die Impulse der von dem LiDAR-Modul ausgesandten Infrarotstrahlung zur optischen Abstandsmessung abgestimmt sind, dass sich die IR-Impulse nicht gegenseitig stören. Insbesondere wird verhindert, dass die an einem Objekt im Umfeld des Kraftfahrzeugs reflektierte IR-Strahlung im Empfangspfad des LiDAR-Moduls durch die IR-Strahlung der IR-Strahlungsquelle beeinträchtigt bzw. gestört wird.
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Die Erfindung schlägt vor, zum gezielten Enttauen der Abdeckscheibe eines Scheinwerfers, insbesondere in den durch den LiDAR-Sensor durchstrahlten Flächenbereichen, eine zusätzliche Strahlungsquelle einzusetzen, die Strahlung in einem Wellenlängenbereich in Richtung der Abdeckscheibe aussendet, der von dem Filterelement, das im Empfangspfad des LiDAR-Moduls angeordnet ist, sehr stark gedämpft wird. Auf diese Weise kann der Einfluss der IR-Strahlung der Strahlungsquelle, z.B. aufgrund von Rückreflexion an der Abdeckscheibe, auf den LiDAR-Sensor minimiert werden. Gleichzeitig ist es vorteilhaft, wenn die von der zusätzlichen Strahlungsquelle ausgesandte Strahlung in einem Wellenlängenbereich liegt, in dem die für sichtbares Licht des Lichtmoduls und IR-Strahlung des LiDAR-Sensors transparente Abdeckscheibe eine sehr geringe Transmission aufweist, sodass ein hoher Anteil der von der Strahlungsquelle ausgesandten Strahlung in der Abdeckscheibe absorbiert und in Wärme umgewandelt wird. Das im Empfangspfad des LiDAR-Moduls angeordnete Filterelement ist bspw. als ein IR-Bandpassfilter ausgebildet. Das Filterelement im Empfangspfad kann bspw. in eine Optik oder ein Objektiv des LiDAR-Empfängers integriert und hat ein bestimmtes Transmissionsspektrum, so dass es für die Strahlung des LiDAR-Senders durchlässig ist und alle anderen Wellenlängen möglichst stark abschwächt.
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Ein LiDAR-Modul eines Scheinwerfers arbeitet bspw. bei einer Wellenlänge von ca. 905 nm, kann aber bspw. auch bei anderen Wellenlängen arbeiten, insbesondere bei 880 nm, 940 nm oder 1540 nm. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Transmissionsspektrum des Filterelements in dem Empfangspfad des LiDAR-Moduls besonders hohe Werte im Bereich der Arbeitswellenlänge des LiDAR-Moduls aufweist. Somit weist das Transmissionsspektrum des Filterelements besonders hohe Werte bspw. bei etwa 880 nm, 905 nm, 940 nm oder 1.540 nm auf. Das Filterelement ist somit nur für die Strahlung des LiDAR-Moduls durchlässig.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Transmissionsspektrum des Filterelements in dem Empfangspfad des LiDAR-Moduls besonders niedrige Werte außerhalb von einem oder mehreren der folgenden Wellenlängenbereiche aufweist: 770 nm bis 990 nm, 795 nm bis 1.015 nm, 830 nm bis 1.050 nm und 1.430 nm bis 1.650 nm. Außerhalb der genannten Wellenlängenbereiche ist die Transmission des Filterelements also besonders niedrig, insbesondere unterhalb eines Werts von 10%, d.h. mindestens 90% der Strahlung mit Wellenlängen, die außerhalb der genannten Wellenlängenbereichen liegen, werden nicht transmittiert, sondern bspw. reflektiert oder absorbiert.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die von der mindestens einen Strahlungsquelle ausgesandte Strahlung überwiegend in einem Wellenlängenbereich liegt, in dem ein Transmissionsspektrum der Abdeckscheibe besonders niedrige Werte aufweist. Dies sorgt dafür, dass ein besonders großer Anteil der von der Strahlungsquelle ausgesandten Strahlung von der Abdeckscheibe absorbiert und zum Enttauen genutzt werden kann. Das Transmissionsspektrum der Abdeckscheibe hat Wellenlängenbereiche, in denen die Transmission reduziert bzw. nahe Null ist. Ein erster Bereich kann dabei in einem Bereich zwischen 200 nm und ca. 380 nm liegen, ein weiterer Bereich kann zwischen 1.650 nm und 1.750 nm und ein dritter Bereich zwischen 2.100 nm und 2.500 nm liegen. Diese Bereiche sind als Spektralbereich, in dem die Strahlungsquelle Strahlung emittiert, besonders gut geeignet, da diese Strahlung in der Abdeckscheibe stark absorbiert wird und somit besonders gut zur Aufheizung geeignet ist.
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Zusätzlich wird vorgeschlagen, dass die von der mindestens einen Strahlungsquelle ausgesandte Strahlung überwiegend in einem Wellenlängenbereich liegt, in dem ein Absorptionsgrad von Wasser ein Maximum aufweist. Auf diese Weise werden Wasserdampf, Eis, Schnee und Raureif besonders wirkungsvoll erhitzt und dadurch von der Abdeckscheibe entfernt. Besonderes bevorzugt ist es, wenn die von der mindestens einen Strahlungsquelle ausgesandte Strahlung überwiegend in einem Wellenlängenbereich von 1.300 nm bis 1.600 nm, insbesondere bei 1.450 nm, liegt. Diese Wellenlänge liegt im Übergang zwischen dem kurzwelligen Teil des NIR (nahen Infrarot)-Bereichs (780 nm - 1.400 nm) und dem langwelligen Teil des NIR-Bereichs (1.400 nm - 3.000 nm). Um einen besonders guten Kompromiss mit dem zuvor genannten Absorptionsverhalten der Abdeckscheibe zu erzielen, liegt die von der mindestens einen zusätzlichen Strahlungsquelle ausgesandte IR-Strahlung vorzugsweise in einem Bereich zwischen 1.500 nm und 1.750 nm. Unter Berücksichtigung des Transmissionsspektrums des Filterelements liegt die von der mindestens einen zusätzlichen Strahlungsquelle ausgesandte IR-Strahlung ganz besonders bevorzugt zwischen 1.600 nm und 1.650 nm.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die mindestens eine Strahlungsquelle derart ausgebildet und angeordnet ist, dass die von ihr ausgesandte Strahlung zumindest den zweiten Flächenbereich der Abdeckscheibe in dem Empfangspfad des LiDAR-Moduls abdeckt. Dieser Flächenbereich war bei bisher bekannten Scheinwerfern mit LiDAR-Modul besonders schwierig zu enttauen. Alternativ oder zusätzlich ist es selbstverständlich auch möglich, dass die von der mindestens einen Strahlungsquelle ausgesandte Strahlung einen anderen Flächenbereich der Abdeckscheibe, bspw. den ersten Flächenbereich des Sendepfads oder beliebig andere Flächenbereiche der Abdeckscheibe abdeckt, um dort für ein besonders wirksames Enttauen zu sorgen. Vorzugsweise sind der erste Flächenbereich in dem Sendepfad und der zweite Flächenbereich in dem Empfangspfad unterschiedliche Flächenbereiche der Abdeckscheibe. Es ist auch denkbar, dass der von der mindestens einen Strahlungsquelle ausgesandte Strahlkegel über verschiedene Flächenbereiche der Abdeckscheibe wandert und so für ein gleichmäßiges Enttauen eines möglichst großen Bereichs der Abdeckscheibe sorgt. Die Bewegung der Strahlung über die Abdeckscheibe kann bspw. dadurch erzielt werden, dass die mindestens eine Strahlungsquelle oder mindestens eine dieser zugeordnete Optik beweglich ausgebildet ist.
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Alternativ (d.h. unabhängig vom Transmissionsspektrum des Filterelements und/oder der Abdeckscheibe) oder zusätzlich wird vorgeschlagen, dass die von der mindestens einen Strahlungsquelle ausgesandte Strahlung überwiegend in einem Wellenlängenbereich liegt, in dem ein Transmissionsspektrum einer auf eine Außenseite oder Innenseite der Abdeckscheibe aufgebrachten Beschichtung besonders niedrige Werte aufweist. Die niedrigen Transmissionswerte bedeuten, dass die Strahlung besonders gut von der Beschichtung absorbiert wird. Die Beschichtung kann eine Anti-Kratz-Beschichtung oder eine Anti-Beschlag-Beschichtung oder eine Anti-Reflex-Beschichtung sein, die ausgebildet ist, einen Großteil der von der mindestens einen Strahlungsquelle ausgesandten Strahlung zu absorbieren. Zu diesem Zweck können entsprechende Infrarot-absorbierende Partikel in der Beschichtung enthalten sein. Bei einer auf der Außenseite der Abdeckscheibe aufgebrachten Beschichtung hat dies den Vorteil, dass sich dort abgesetztes Eis, Wasser, oder Schnee besonders schnell und effizient geschmolzen werden. Bei einer auf der Innenseite der Abdeckscheibe aufgebrachten Beschichtung hat dies den Vorteil, dass sich dort abgelagerter Wasserdampf besonders schnell und effizient entfernt wird. Die Verwendung einer IRabsorbierenden Beschichtung auf der Außen- oder Innenseite der Abdeckscheibe hat den Vorteil, dass für die zusätzliche Strahlungsquelle auch Wellenlängenbereiche genutzt werden können, in denen die Abdeckscheibe transparent ist, d.h. hohe Transmissionswerte aufweist und von der Strahlung somit nur schlecht aufgeheizt werden kann.
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Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass auf eine Außenseite der Abdeckscheibe eine Reflexionsbeschichtung aufgebracht ist, die für das von der Lichtquelle des Lichtmoduls ausgesandte sichtbare Licht und die von dem LiDAR-Modul ausgesandte Infrarotstrahlung möglichst transparent ist und für die von der mindestens einen Strahlungsquelle ausgesandte Strahlung möglichst reflektierend wirkt. Dadurch wird Wärmestrahlung, die bei einem ersten Durchgang nicht vollständig in der Abdeckscheibe absorbiert wurde, in die Abdeckscheibe zurück reflektiert und durchläuft diese dann ein zweites Mal und heizt diese durch die erneute Absorption zusätzlich auf. Die durch die Abdeckscheibe hindurchgetretene Strahlung wird an der Reflexionsbeschichtung reflektiert und tritt erneut durch die Abdeckscheibe hindurch. Dadurch kann ein größerer Anteil an Strahlung von der Abdeckscheibe absorbiert und in Wärme umgewandelt werden.
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Um den Spektralbereich, in dem die mindestens eine zusätzliche Strahlungsquelle Strahlung aussendet, möglichst konstant und eng begrenzt zu halten, wird vorgeschlagen, dass die Strahlungsquelle, welche die Strahlung zum Enttauen der Abdeckscheibe aussendet, als eine Laserlichtquelle ausgebildet ist. Da der mögliche Wellenlängenbereich für die zusätzliche Strahlungsquelle aufgrund verschiedener Randbedingungen sehr schmal werden kann, kann es vorteilhaft sein, als Strahlungsquelle eine Laserlichtquelle zu nutzen. Dies hat weiterhin den Vorteil, dass auch sehr scharf abgegrenzte Absorptionswellenlängen genutzt werden können. In diesem Fall ist es ferner denkbar, dass ein spezieller Absorptionsfarbstoff in das Abdeckscheibenmaterial oder eine darauf aufgebrachte Beschichtung eingebracht wird, welcher auf der Wellenlänge der Wärmestrahlung besonders gut absorbiert. Bei der Nutzung einer Laserlichtquelle als Strahlungsquelle zum Enttauen der Abdeckscheibe ist es zudem wichtig darauf zu achten, dass die ausgesandte Strahlung quasi vollständig in der Scheibe absorbiert wird, um keine Gefährdung von Personen im Umfeld durch austretende Rest-Laserstrahlung zu verursachen.
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Schließlich wird vorgeschlagen, dass die mindestens eine Strahlungsquelle derart angeordnet und ausgerichtet ist, dass die von ihr ausgesandte Strahlung in einem möglichst großen Auftreffwinkel bezüglich einer Flächennormalen auf die Innenseite der Abdeckscheibe trifft. Das führt dazu, dass die ausgesandte Strahlung schräger durch die Abdeckscheibe hindurchtritt und dadurch einen längeren Weg zurücklegen muss. Auf diesem Weg kann von der Abdeckscheibe mehr Energie absorbiert werden, als auf einem kürzeren Weg durch die Abdeckscheibe. Der Auftreffwinkel ist dabei vorzugsweise derart gewählt, dass sich eine möglichst geringe Grenzflächenreflexion (beim Eintritt der Strahlung aus der Luft in das dichtere Material der Abdeckscheibe) bei maximal möglichem Lichtweg in der Abdeckscheibe ergibt.
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Zusammenfassend betrifft die Erfindung also einen Kraftfahrzeugscheinwerfer mit einem Lichtmodul zur Erzeugung einer vorgegebenen Lichtverteilung und mit einem LiDAR-Modul zur optischen Abstandsmessung. In dem Scheinwerfer ist eine zusätzliche IR-Strahlungsquelle angeordnet, deren Strahlung zum Enttauen der Abdeckscheibe genutzt werden. Dabei liegt die ausgesandte Strahlung in einem Wellenlängenbereich, der auf das Transmissionsspektrum eines im Empfangspfad des LiDAR-Moduls angeordneten Filterelements, das Transmissionsspektrums der Abdeckscheibe und/oder auf einen Absorptionsgrad von Wasser abgestimmt und entsprechend optimiert ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 einen erfindungsgemäßen Scheinwerfer in schematischer Ansicht in einem Vertikalschnitt;
- 2 die Wellenlängen eines LiDAR-Moduls eines erfindungsgemäßen Scheinwerfers und die Transmissionsspektren einer Abdeckscheibe des Scheinwerfers und eines Filterelements in einem Empfangspfad des LiDAR-Moduls;
- 3 eine Vergrößerung eines Wellenlängenbereichs von 200 nm bis 400 nm aus 2; und
- 4 eine Schnittansicht durch eine Abdeckscheibe eines erfindungsgemäßen Scheinwerfers mit schematisch eingezeichneten Strahlen der von einer zusätzlichen Strahlungsquelle des Scheinwerfers ausgesandten Strahlung.
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Scheinwerfer 2 eines Kraftfahrzeugs, wie er in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel in 1 gezeigt ist. Der Scheinwerfer 2 umfasst ein Gehäuse 4 mit einer durch eine transparente Abdeckscheibe 6 verschlossenen Lichtaustrittsöffnung und mindestens ein in dem Gehäuse 4 angeordnetes Lichtmodul 8 zur Erzeugung einer Lichtverteilung 10 des Scheinwerfers 2 vor dem Fahrzeug. Das Lichtmodul 8 ist in 1 nur schematisch gezeigt und kann als ein Reflexionsmodul oder als ein Projektionsmodul ausgebildet sein. Das Lichtmodul 8 umfasst mindestens eine Lichtquelle zum Aussenden von Licht in einem für das menschliche Auge sichtbaren Wellenlängenbereich. Die Lichtquelle kann insbesondere als eine Glühlampe, eine Gasentladungslampe, eine Leuchtdiode zum Aussenden von weißem Licht oder eine Laserdiode ausgebildet sein. Das von dem Lichtmodul 8 ausgesandte Licht kann durch optische Elemente (z.B. einen Reflektor, eine oder mehrere Linsen, eine Vorsatzoptik, eine Blockoptik, o.ä.) des Lichtmoduls 8 geformt und gelenkt werden, so dass das Licht in einem Flächenbereich 6a durch die Abdeckscheibe 6 hindurchtritt und zur Erzeugung der Lichtverteilung 10 vor dem Fahrzeug geeignet ist. Die Lichtverteilung 10 kann bspw. ein Abblendlicht, ein Fernlicht, ein statisches oder dynamisches Kurvenlicht, ein Nebellicht, eine adaptive Lichtverteilung (z.B. Teilfernlicht oder Markierungslicht), Stadtlicht, Landstraßenlicht, Autobahnlicht o.ä. sein.
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Ferner umfasst der Scheinwerfer 2 ein in dem Gehäuse 4 angeordnetes LiDAR-Modul 12 zur optischen Abstandsmessung anhand einer Laufzeitmessung von Strahlung zwischen einem Aussenden der Strahlung durch das LiDAR-Modul 12, der Reflexion an einem Objekt 14 im Umfeld des Fahrzeugs und einem Empfang der reflektierten Strahlung durch das LiDAR-Modul 12. Das LiDAR-Modul 12 umfasst mindestens eine Sendeeinheit 12a mit einem IR-Strahler zum Aussenden der Strahlung und mindestens eine Empfangseinheit 12b mit einem IR-Sensor oder IR-Detektor zum Empfangen der an dem Objekt 14 reflektierten Strahlung. Die Strahlung ist vorzugsweise Infrarotstrahlung. Bevorzugt wird sie als gepulste Strahlung ausgesandt. Der IR-Strahler ist vorzugsweise ein IR-Laser, der gepulste Laser-IR-Strahlung aussendet. Die ausgesandte Strahlung verläuft auf einem durch einen ersten Flächenbereich 6b der Abdeckscheibe 6 verlaufenden Sendepfad 12c. Die reflektierte Strahlung verläuft auf einem durch einen zweiten Flächenbereich 6c der Abdeckscheibe 6 verlaufenden Empfangspfad 12d. Über den Empfangspfad 12d kann das LiDAR-Modul 12 zumindest einen Teil der von dem LiDAR-Modul 12 ausgesandten und an dem Objekt 14 reflektierten Strahlung empfangen. Der optische Pfad der Infrarotstrahlung des LiDAR-Moduls 12 kann auch teilweise zwischen Sende- und Empfangspfad 12c, 12d kombiniert sein, z.B. indem ein Strahlteiler genutzt wird. Der erste Flächenbereich 6b des Sendepfads 12c und der zweite Flächenbereich 6c des Empfangspfads 12d sind vorzugsweise unterschiedliche Flächenbereiche der Abdeckscheibe 6. Sowohl in dem Sendepfad 12c als auch in dem Empfangspfad 12d können optische Elemente (z.B. eine oder mehrere Linsen) 16a, 16b zur Strahlformung und Strahllenkung und/oder mindestens ein Filterelement angeordnet sein. In dem dargestellten Beispiel ist im Empfangspfad 12d ein Filterelement 15 angeordnet. Das Filterelement 15 ist vorzugsweise in eine Optik! ein Objektiv der Empfangseinheit 12b integriert.
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Um eine Enttauung der Abdeckscheibe 6, insbesondere des zweiten Flächenbereichs 6c des Empfangspfads 12d, effizienter zu gestalten, schlägt die vorliegende Erfindung vor, dass der Scheinwerfer 2 innerhalb des Gehäuses 4 mindestens eine Strahlungsquelle 18 aufweist, die insbesondere als Infrarot- oder Wärmestrahler ausgebildet ist. Der Infrarotstrahler 18 ist derart ausgebildet und angeordnet, dass er Infrarotstrahlung 20 auf eine Innenseite der Abdeckscheibe 6 aussendet. Die von dem Infrarotstrahler 18 ausgesandte Infrarotstrahlung 20 deckt zumindest den zweiten Flächenbereich 6c der Abdeckscheibe 6 in dem Empfangspfad 12d des LiDAR-Moduls 12 ab. Die Infrarotstrahlung 20 kann zusätzlich auch den ersten Flächenbereich 6b der Abdeckscheibe 6 in dem Sendepfad 12c oder einen anderen Flächenbereich der Abdeckscheibe 6 abdecken.
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Durch die ausgesandte Infrarotstrahlung 20 kann ein Beschlag 22 auf Wasserbasis (z.B. in Form von Wasserdampf, Raureif, Schnee, Eis, Wassertropfen) auf der Innen- oder Außenseite der Abdeckscheibe 6, insbesondere in dem zweiten Flächenbereich 6c, durch zumindest mittelbares Erhitzen der Abdeckscheibe 6 bzw. des Beschlags 22 wirksam entfernt werden. Die Abdeckscheibe 6 kann entweder direkt (im Material der Abdeckscheibe 6) oder mittelbar bspw. durch Erhitzen einer auf der Außen- oder Innenseite der Abdeckscheibe 6 aufgebrachten Beschichtung 24 erhitzt werden. Die Beschichtung 24 kann bspw. eine Anti-Kratz-Beschichtung oder eine Anti-Reflexions-Beschichtung auf der Außenseite der Abdeckscheibe 6 oder als eine Anti-Beschlag-Beschichtung auf der Innenseite der Abdeckscheibe 6 sein. Der Infrarotstrahler 18 sendet die Infrarotstrahlung 20 in einem Strahlkegel in Richtung der Abdeckscheibe 6 aus. Dabei ist bevorzugt eine Optik 19 (z.B. eine Linse) vor der Strahlungsquelle 18 angeordnet, welche den Strahlkegel formt und gleichzeitig die Strahlungsquelle 18 vor äußeren Einflüssen schützt.
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Die Abdeckscheibe 6 kann in den Flächenbereichen 6b, 6c des LiDAR-Moduls 12 nicht als klare Scheibe ausgeführt sein, sondern als eine 2K-Abdeckscheibe mit einer Komponente, bspw. einer Schwarzkomponente, die für sichtbares Licht intransparent ist, für die LiDAR-Strahlung im IR-Bereich jedoch transparent. So können das LiDAR-Modul 12, Blenden und ähnliches durch die Schwarzkomponente verdeckt werden, ohne das Design des Scheinwerfers 2 und die Funktionsfähigkeit des LiDAR-Moduls 12 negativ zu beeinflussen. Statt einer Schwarzkomponente in der Abdeckscheibe 6 kann auch ein zusätzliches Teil, z.B. ein Blendenelement oder eine Beschichtung der Abdeckscheibe 6 in den Flächenbereichen 6b, 6c, mit entsprechenden optischen Eigenschaften in dem Gehäuse 4 des Scheinwerfers 2 vor dem LiDAR-Modul 12 angeordnet werden.
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Das Filterelement 15 im Empfangspfad 12d ist vorzugsweise als ein Bandpassfilter ausgebildet, der nur für die Strahlung des LiDAR-Moduls 12 durchlässig ist. Das Filterelement 15 dient dazu, andere als die Strahlung des LiDAR-Moduls 12, bspw. von außen in den Scheinwerfer 2 einfallendes Licht, an der Abdeckscheibe 6 reflektiertes Licht oder an der Abdeckscheibe 6 reflektierte IR-Strahlung von anderen Quellen als dem LiDAR-Modul 12, von dem IR-Sensor der Empfangseinheit 12b abzuschirmen und so die optische Abstandmessung mittels des LiDAR-Moduls 12 genauer und zuverlässiger zu gestalten. Allerdings liegt auch die von der Strahlungsquelle 18 ausgesandte Strahlung 20 im Infrarotbereich und könnte nach einer Reflexion an der Abdeckscheibe 6 von dem IR-Filter 15 durchgelassen werden. Somit könnte es zu einer Blendung des IR-Sensors der Empfangseinheit 12b des LiDAR-Moduls 12 durch reflektierte Strahlung 20 der Strahlungsquelle 18 kommen. Hier kann die vorliegende Erfindung Abhilfe schaffen.
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2 zeigt die Wellenlängen 30 der von dem LiDAR-Modul 12 ausgesandten Strahlung, das Transmissionsspektrum 32 der Abdeckscheibe 6 und das Transmissionsspektrum 34 des IR-Filters 15 im Empfangspfad 12d des LiDAR-Moduls 12. Um eine Blendung des IR-Sensors der Empfangseinheit 12b des LiDAR-Moduls 12 zu verhindern, sendet die Strahlungsquelle 18 Strahlung 20 in einem bestimmten Wellenlängenbereich aus, der in erster Linie abhängig ist von dem Transmissionsspektrum 34 des IR-Filters 15. Insbesondere wird vorgeschlagen, dass die Strahlung 20 in einem Wellenlängenbereich liegt, in dem das Transmissionsspektrum 34 des IR-Filters 15 besonders niedrige Werte aufweist. Die Wellenlänge der Strahlung 20 der Strahlungsquelle 18 liegt somit abseits des Transmissionsspektrums 34 des IR-Filters 15. Damit wird der Empfangspfad 12d des LiDAR-Moduls 12 nicht durch die Heizstrahlung 20 der Strahlungsquelle 18 negativ beeinflusst.
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Das LiDAR-Modul 12 arbeitet bspw. bei einer Wellenlänge 30 von ca. 905 nm. Selbstverständlich kann das LiDAR-Modul 12 auch bei anderen Wellenlängen arbeiten, bspw. bei 880 nm, 940 nm oder 1.540 nm. Das Transmissionsspektrum des IR-Filters 15 ist auf die Arbeits-Wellenlänge des LiDAR-Moduls 12 abgestimmt. In dem vorliegenden Beispiel hat der IR-Filter 15 ein Transmissionsspektrum 34, welches ein Maximum bei der Arbeits-Wellenlänge des LiDAR-Moduls 12 aufweist und das in einem gewissen Bereich um die Arbeits-Wellenlänge herum (in dem Beispiel von ca. 795 nm bis 1.015 nm) eine Transmission von Strahlung erlaubt. Das IR-Filter 15 ist also für die Strahlung der Sendeeinheit 12a des LiDAR-Moduls 12 durchlässig und schwächt alle Strahlung anderer Wellenlängen möglichst stark ab.
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Das Transmissionsspektrum 32 der Abdeckscheibe 6 hängt vom Material der Abdeckscheibe 6 ab. Es hat bspw. den in 2 gezeigten Verlauf. Das gezeigte Transmissionsspektrum 32 weist Wellenlängenbereiche auf, in denen die Transmission reduziert bzw. nahe Null ist. Ein erster Bereich 36a umfasst die Wellenlängen von 200 nm bis ca. 380 nm, ein zweiter Bereich 36b umfasst die Wellenlängen von ca. 1.650 nm bis ca. 1.750 nm und ein dritter Bereich 36c umfasst die Wellenlängen von ca. 2.100 nm bis ca. 2.500 nm. Diese Bereiche 36 sind als Spektralbereich, in dem die Strahlungsquelle 18 Strahlung 20 aussendet, besonders gut geeignet, da die Strahlung 20 in der Abdeckscheibe 6 stark absorbiert wird und somit besonders gut zur Aufheizung geeignet ist. Darüber hinaus liegt die Wellenlänge der Strahlung 20 der Strahlungsquelle 18 abseits des Transmissionsspektrums 34 des IR-Filters 15. Somit wird die Empfangseinheit 12b im Empfangspfad 12d des LiDAR-Moduls 12 nicht durch die Heizstrahlung 20 negativ beeinflusst.
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In 3 ist eine beispielhafte Filterkurve 34 des IR-Filters 15 für den Wellenlängenbereich 36a im Ausschnitt dargestellt. Der IR-Filter 15 hat in diesem Bereich zwar eine sehr geringe Transmission von kleiner 10%, im Detail ergibt sich allerdings die beste Dämpfung in einem Wellenlängenbereich 36d von ca. 320 nm bis ca. 360 nm. Der mögliche optimale Wellenlängenbereich für die Strahlungsquelle 18 des Scheinwerfers 2 kann also durch eine spezielle Filtertransmissionskurve 34 eingeschränkt sein. Eine möglichst starke Dämpfung der von der Strahlungsquelle 18 ausgesandten Heizstrahlung 20 durch den IR-Filter 15 ist vorteilhaft, um eine Blendung des IR-Detektors der Empfangseinheit 12b des LiDAR-Moduls 12 durch den Heizstrahler 18 zu verhindern. Zudem ist der Wellenlängenbereich 320 nm bis 360 nm besonders gut zum Abstrahlen von Strahlung 20 durch die Strahlungsquelle 18 geeignet, da auch die Abdeckscheibe 6 in diesem Wellenlängenbereich die Heizstrahlung 20 besonders gut absorbiert (vgl. den Bereich 36a der Kurve 32 in 2).
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Anstatt die Strahlung 20 der Strahlungsquelle 18 in der Abdeckscheibe 6 zu absorbieren, kann es vorteilhaft sein, außen auf die Abdeckscheibe 6 eine Beschichtung 24 (sog. Coating) aufzubringen, z.B. eine Anti-Kratz-Beschichtung, und die Strahlung 20 der Strahlungsquelle 18 in der Beschichtung 24 zu absorbieren. Dies hat den Vorteil, dass auf andere Wellenlängenbereiche für die von der Strahlungsquelle 18 ausgesandte Strahlung 20 zurückgegriffen und auch ein Wellenlängenbereich genutzt werden kann, in dem die Abdeckscheibe 6 transparent ist, d.h. eine hohe Transmission aufweist. Dies sind insbesondere die Bereiche der Transmissionskurve 32 außerhalb der Wellenlängenbereiche 36. Weiterhin vorteilhaft ist, dass die Heizstrahlung 20 genau an der Außenseite der Abdeckscheibe 6 absorbiert wird und so eine schnellere Enttauung begünstigt. Da die Beschichtung 24 im Vergleich zur Abdeckscheibe 6 dünner ist, sollte sie eine entsprechend höhere Absorption pro Dicke aufweisen, um trotz der geringeren Dicke die gleiche Energiemenge pro Flächenabschnitt zu absorbieren wie die Abdeckscheibe 6. Die höhere Absorption der Beschichtung 24 kann durch das Einbringen entsprechender IR-absorbierender Partikel zumindest in die aufzuheizenden Flächenabschnitte der Beschichtung 24 realisiert werden.
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In analoger Weise kann alternativ oder zusätzlich eine Absorptions-Beschichtung 24 auf der Innenseite der Abdeckscheibe 6 aufgebracht werden. Besonders vorteilhaft wäre in diesem Zusammenhang eine Beschichtung 24 auf der Innenseite, die für die LiDAR-Wellenlänge 30 wie ein Anti-Reflexions-Beschichtung (diese also nahezu ungehindert passieren lässt) und für die Wellenlänge der Heizstrahlung 20 der Strahlungsquelle 18 absorbierend wirkt.
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Alternativ oder zusätzlich kann ferner eine Verbesserung der Absorption der Heizstrahlung 20 der Strahlungsquelle 18 in der Abdeckscheibe 6 durch eine Reflexionsbeschichtung 24 auf der Außenseite der Abdeckscheibe 6 erreicht werden. Die Reflexionsbeschichtung 24 ist dabei möglichst gut durchlässig (transparent) für das sichtbare Licht des Lichtmoduls 8 und für die Strahlung des LiDAR-Moduls 12 (in dem Wellenlängenbereich 30), jedoch reflektierend für die von der Strahlungsquelle 18 ausgesandte Heizstrahlung 20. Dadurch wird Heizstrahlung 20, die nicht vollständig in der Abdeckscheibe 6 absorbiert wurde, in die Abdeckscheibe 6 zurück reflektiert und durchläuft diese dann ein zweites Mal und heizt diese durch die erneute Absorption in der Abdeckscheibe 6 zusätzlich auf.
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Da der optimierte Wellenlängenbereich für den Heizstrahler 18 bzw. die von ihm ausgesandte Strahlung 20 aufgrund der oben erwähnten Randbedingungen (Transmissionsspektrum 34 des IR-Filters 15, Transmissionsspektrum 32 der Abdeckscheibe 6) sehr schmal werden kann, kann es notwendig sein, als Heizstrahler 18 eine Laserlichtquelle zu nutzen. Die Nutzung einer Laserlichtquelle hat weiterhin den Vorteil, dass auch sehr scharf abgegrenzte Absorptionswellenlängen genutzt werden können. In diesem Fall ist es auch denkbar, dass dem Material der Abdeckscheibe 6 ein spezieller Absorptionsfarbstoff beigemischt wird, welcher auf der Wellenlänge der Heizstrahlung 20 besonders gut absorbiert. Bei der Nutzung einer Laserlichtquelle als Strahlungsquelle 18 sollte die Strahlung 20 quasi vollständig in der Scheibe 6 absorbiert werden, um keine Gefährdung durch austretende Restlaserstrahlung 20 zu verursachen.
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Um die Absorption der Heizstrahlung 20 in der Abdeckscheibe 6 zu verbessern, kann es vorteilhaft sein, diese schräg anzustrahlen bzw. so anzustrahlen, dass der mittlere Auftreffwinkel α zwischen auftreffender Strahlung 20 und der Flächennormalen 38 einer üblicherweise gekrümmten Abdeckscheibe 6 größer wird. In dem oberen Teil der 4 ist trifft die Strahlung 20.1 in einem kleineren Auftreffwinkel α1 auf die Abdeckscheibe 6, sodass ein Lichtweg 40.1 durch die Abdeckscheibe 6 relativ kurz ist. In dem unteren Teil der 4 trifft die Strahlung 20.2 in einem größeren Auftreffwinkel α2 auf die Abdeckscheibe 6, so dass der Lichtweg 40.2, den die Heizstrahlung 20 in der Abdeckscheibe 6 durchläuft, länger und somit die Absorption verbessert wird. Der Auftreffwinkel α2 ist dabei vorzugsweise derart gewählt, dass sich eine möglichst geringe Grenzflächenreflexion 20.3 bei maximal möglichem Lichtweg 40.2 in der Abdeckscheibe 6 ergibt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19731754 C2 [0003]
- DE 102015007172 A1 [0003]
- DE 19733000 B4 [0005]
- DE 102011080488 A1 [0005]
- DE 102014102921 A1 [0005]
