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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen hochauflösenden Scheinwerfer, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine Beleuchtungsvorrichtung der vorgenannten Art ist aus der
DE 10 2018 108 927 A1 bekannt. Die darin beschriebenen Beleuchtungsvorrichtungen dienen als Kommunikationsvorrichtungen, mit denen in einen großen Winkelbereich des Außenraums Lichtsignale an andere Verkehrsteilnehmer ausgesendet werden können. Eine der in der
DE 10 2018 108 927 A1 beschriebenen Ausführungsformen umfasst ein bildgebendes Bauteil mit einer aktiven Fläche, auf der matrixartig Leuchtdioden zur gezielten Erzeugung von Pixeln einer Lichtverteilung angeordnet sind. Die Ausführungsform umfasst weiterhin eine Projektionsoptik, von der im Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung das von der aktiven Fläche ausgehende Licht in den Außenraum des Kraftfahrzeugs projiziert wird.
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Sogenannte Solid-State-LED-Arrays werden in Schweinwerfern von Kraftfahrzeugen verwendet, um ein blendfreies Fernlicht mit hoher Auflösung zu generieren. Weiterhin werden Solid-State-LED-Arrays verwendet um beispielsweise hochaufgelöste Symbole auf die Fahrbahn zu projizieren.
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Wenn als bildgebendes Bauteil beispielsweise ein Solid-State-LED-Array mit einer kleinen optisch effektiv wirksamen Fläche verwendet wird, ergibt sich bei typischen aus dem Stand der Technik bekannten Aufbauten ein kleines Field of View beziehungsweise ein kleiner Winkelbereich der im Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung im Außenraum des Kraftfahrzeugs erzeugten Lichtverteilung in horizontaler Richtung. Weiterhin ergibt sich in der Regel lediglich ein geringer Lichtstrom.
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Es zeigt sich, dass insbesondere typische Fotoobjektive ungeeignet für die Projektion des von der aktiven Fläche des Solid-State-LED-Arrays ausgehenden Lichts sind, weil sie einerseits nur einen kleinen Öffnungswinkel und damit eine kleine Effizienz aufweisen und andererseits aufgrund der typischerweise hohen Anzahl von Linsen aufwändig gestaltet und damit relativ teuer sind.
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Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Schaffung einer Beleuchtungsvorrichtung der eingangs genannten Art, bei der das von der aktiven Fläche des bildgebendes Bauteils ausgehende Licht mit einer großen Schärfentiefe in den Außenraum projiziert werden kann und/oder die im Außenraum des Kraftfahrzeugs eine Lichtverteilung mit hoher Lichtstärke erzeugen kann und/oder die kostengünstig herstellbar ist.
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Dies wird erfindungsgemäß durch eine Beleuchtungsvorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass, dass die Brennweite der Projektionsoptik zwischen 10 mm und 50 mm groß ist. Beispielsweise kann die Brennweite der Projektionsoptik zwischen 18 mm und 36 mm groß sein. Durch die vergleichsweise kleine Brennweite kann eine große Schärfentiefe des in den Außenraum projizierten Lichts wie beispielsweise der auf die Fahrbahn projizierten Symbole erreicht werden. Dabei kann die Schärfentiefe beispielsweise so groß sein, dass in einem Abstand zwischen 10 m und 25 m vor dem Fahrzeug gut erkennbare Symbole oder Bilder auf die Fahrbahn projiziert werden können. Insbesondere kann wegen der vergleichsweise kleinen Brennweite zusätzlich zu der großen Schärfentiefe ein hoher Lichtstrom auf der Straße erreicht werden. Beispielsweise kann die Beleuchtungsvorrichtung eine Fernprojektion eines HD-blendfreien Fernlichts mit hoher Auflösung generieren und im Nahfeld vor dem Fahrzeug Symbole mit hoher Schärfentiefe fein aufgelöst auf die Fahrbahn projizieren.
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Es kann vorgesehen sein, dass das bildgebende Bauteil ein Solid-State-LED-Array ist. Durch die vergleichsweise kleine Brennweite der Projektionsoptik kann das von dem Solid-State-LED-Array ausgehende Licht mit einer großen Schärfentiefe bei hohem Lichtstrom in den Außenraum projiziert werden.
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Es besteht die Möglichkeit, dass die Projektionsoptik mindestens drei Linsen umfasst, durch die im Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung das von der aktiven Fläche ausgehende Licht nacheinander hindurchtritt. Durch einen Aufbau mit drei Linsen kann bei der vergleichsweise kurzen Brennweite eine gute Abbildungsleistung mit einer großen Schärfentiefe und einem großen eintrittsseitigen Öffnungswinkel der Projektionsoptik kombiniert werden, wobei durch den großen eintrittsseitigen Öffnungswinkel eine hohe Lichtstärke gewährleistet wird. Es besteht durchaus die Möglichkeit, mehr als drei Linsen, wie beispielsweise vier Linsen oder fünf Linsen vorzusehen.
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Es kann vorgesehen sein, dass mindestens eine der Linsen eine asphärisch geformte Oberfläche aufweist. Durch die asphärische Ausgestaltung einer oder mehrerer oder sämtlicher Oberflächen der Linsen kann trotz eines kompakten Aufbaus mit drei Linsen eine gute Abbildungsleistung mit einer großen Schärfentiefe und einem großen eintrittsseitigen Öffnungswinkel der Projektionsoptik erreicht werden. Es kann alternativ durchaus vorgesehen werden, anstelle der asphärische Ausgestaltung einer oder mehrerer Oberflächen der Linsen sämtliche Oberflächen der Linsen mit einer sphärischen Form zu versehen.
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Es besteht die Möglichkeit, dass mindestens eine der Linsen eine negative Brechkraft aufweist, insbesondere wobei die mindestens eine Linse mit negativer Brechkraft zwischen zwei anderen, vorzugsweise zwischen den beiden anderen Linsen angeordnet ist. Durch eine derartige, insbesondere mittlere, Linse mit negativer Brechkraft kann eine Farbkorrektur des von der aktiven Fläche des bildgebendes Bauteils ausgehenden Licht bewirkt werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Projektionsoptik so gestaltet ist, dass der eingangsseitige Öffnungswinkel beziehungsweise der maximale Winkel, unter dem das von der aktiven Fläche ausgehende Licht in die Projektionsoptik eintreten kann, zwischen 25° und 50°, insbesondere zwischen 30° und 45° beträgt. Durch einen großen Öffnungswinkel kann eine hohe Lichtstärke gewährleistet werden.
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Es besteht die Möglichkeit, dass die Projektionsoptik so gestaltet ist, dass die im Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung im Außenraum des Kraftfahrzeugs erzeugte Lichtverteilung in horizontaler Richtung eine Breite aufweist, die einem Winkelbereich zwischen -7,5° bis +7,5° und -25° bis +25°, insbesondere einem Winkelbereich zwischen -10° bis +10° und -20° bis +20°entspricht. Für typische Fernlichtanwendungen erweist sich ein Winkelbereich von -20° bis +20° als geeignet, wohingegen für die Projektion von Symbolen auf die Fahrbahn ein Winkelbereich von zwischen -7,5° bis +7,5° und - 15° bis +15°sinnvoll ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Abstand des bildgebenden Bauteils von der Projektionsoptik in der mittleren Ausbreitungsrichtung des von der aktiven Fläche ausgehenden Lichts zwischen 3 mm und 10 mm beträgt. Durch einen geringen Abstand der Projektionsoptik zu dem bildgebenden Bauteil kann eine kleine Baulänge der Beleuchtungsvorrichtung erreicht werden.
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Es besteht die Möglichkeit, dass die Projektionsoptik zu Justagezwecken relativ zu dem bildgebenden Bauteil bewegbar ist, wobei insbesondere der Abstand des bildgebenden Bauteils von der Projektionsoptik in der mittleren Ausbreitungsrichtung des von der aktiven Fläche ausgehenden Lichts veränderbar ist. Durch die Bewegbarkeit der Projektionsoptik relativ zu dem bildgebenden Bauteil kann die Beleuchtungsvorrichtung flexibel an unterschiedliche Anforderungen angepasst werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Beleuchtungsvorrichtung eine reflexionsvermindernde Beschichtung auf mindestens einer der Linsen der Projektionsoptik umfasst. Die reflexionsvermindernde Beschichtung kann verhindern, dass die Leuchtdioden des Solid-State-LED-Arrays durch zurückreflektiertes Licht wieder angeregt werden. Weiterhin kann durch eine reflexionsvermindernde Beschichtung auf einer oder mehreren oder sämtlichen Oberflächen der Linsen ein hoher Kontrast und große Brillanz der Symbol-Projektion im Nahfeld erzielt werden. Weiterhin kann durch eine reflexionsvermindernde Beschichtung auf einer oder mehreren oder sämtlichen Oberflächen der Linsen die Entstehung von Streulicht reduziert werden.
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Es besteht die Möglichkeit, dass die Beleuchtungsvorrichtung ein erstes Modul mit einem ersten bildgebenden Bauteil und einer ersten, dem ersten bildgebenden Bauteil zugeordneten Projektionsoptik sowie ein zweites Modul mit einem zweiten bildgebendes Bauteil und einer zweiten, dem zweiten bildgebenden Bauteil zugeordneten Projektionsoptik umfasst, insbesondere wobei die von dem ersten Modul im Außenraum des Kraftfahrzeugs erzeugte Lichtverteilung eine höhere Auflösung aufweist als die von dem zweiten Modul im Außenraum des Kraftfahrzeugs erzeugte Lichtverteilung. Es kann vorgesehen sein, dass jedes der beiden Module sowohl der Erzeugung eines Fernlichts als auch der Erzeugung einer Symbolprojektion auf der Fahrbahn dient. Es kann eine Steuerung vorgesehen sein, die die entsprechenden Aufgaben geeignet auf die beiden Module verteilt. Beispielsweise kann dabei eine sehr hochaufgelöste Symbolprojektion ausschließlich von dem ersten Modul generiert werden, wohingegen weniger hoch aufgelöste Symbolprojektionen von beiden Modulen zusammen erzeugt werden können.
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Die beiden Module, die jeweils ein bildgebendes Bauteil und eine zugeordnete Projektionsoptik aufweisen, können in der Beleuchtungsvorrichtung nebeneinander oder übereinander angeordnet sein.
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Es besteht die Möglichkeit, dass die im Außenraum des Kraftfahrzeugs von der zweiten Projektionsoptik erzeugte Lichtverteilung in horizontaler Richtung eine größere Breite als die von der ersten Projektionsoptik erzeugte Lichtverteilung aufweist. Dadurch können die von dem zweiten Modul erzeugten Symbolen in horizontaler Richtung in einen größeren Winkelbereich projiziert werden als ausschließlich von dem ersten Modul erzeugte Symbole.
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Es besteht weiterhin die Möglichkeit, dass die zweite Projektionsoptik eine kleinere Brennweite aufweist als die erste Projektionsoptik. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass der eingangsseitige Öffnungswinkel, unter dem das von der aktiven Fläche ausgehende Licht in die Projektionsoptik eintreten kann, bei der zweiten Projektionsoptik größer ist als bei der ersten Projektionsoptik. Dies hat seinen Grund in der kleineren Brennweite der zweiten Projektionsoptik.
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Es kann vorgesehen sein, dass die ausgangsseitigen Linsen der beiden Projektionsoptiken ein im Wesentlichen gleiches Erscheinungsbild aufweisen. Beispielsweise können die Austrittsflächen beider ausgangsseitiger Linsen konvex geformt sein und/oder einen rechteckigen Umriss aufweisen.
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Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt:
- 1 eine schematische Seitenansicht eines ersten Moduls einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung;
- 2 ein Detail des Moduls gemäß 1;
- 3 eine schematische Seitenansicht eines zweiten Moduls der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung gemäß 1.
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In den Figuren sind gleiche und funktional gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. In beiden Figuren ist ein Maßstab 1 eingezeichnet, der insbesondere eine Länge L von 100 mm aufweist.
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Die in den Figuren abgebildete Beleuchtungsvorrichtung ist als hochauflösender Scheinwerfer ausgebildet und umfasst ein erstes Modul 2 sowie ein zweites Modul 3.
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Das erste Modul 2 kann Licht mit einer höheren Auflösung in den Außenraum des Kraftfahrzeugs projizieren als das zweite Modul 3. Das erste Modul 2 kann somit als ein Hi-Res-Modul bezeichnet werden, wohingegen das zweite Modul 3 als ein Lo-Res-Modul bezeichnet werden kann.
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Das in 1 abgebildete erste Modul 2 umfasst ein erstes bildgebendes Bauteil 4 mit einer aktiven Fläche, auf der matrixartig Leuchtdioden oder Laserdioden zur gezielten Erzeugung von Pixeln einer Lichtverteilung angeordnet sind. Das bildgebende Bauteil 4 ist als Solid-State-LED-Array ausgebildet.
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Das in 1 abgebildete erste Modul 2 umfasst weiterhin eine erste Projektionsoptik 5, von der im Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung das von der aktiven Fläche ausgehende Licht 6 in den Außenraum des Kraftfahrzeugs projiziert wird. Die Projektionsoptik 5 des ersten Moduls 2 umfasst drei Linsen 7, 8, 9, durch die im Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung das von der aktiven Fläche ausgehende Licht 6 nacheinander hindurchtritt.
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Die erste Linse 7 ist als konkav-konvexe Linse mit positiver Brechkraft ausgebildet. Die mittlere Linse 8 ist als bikonkave Linse mit negativer Brechkraft ausgebildet. Die dritte Linse 9 ist als bikonvexe Linse mit positiver Brechkraft ausgebildet. Dabei ist die Austrittsfläche 10 der dritten Linse 9 konvex und weist einen rechteckigen Umriss auf.
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Es kann vorgesehen sein, dass mindestens eine der Linsen 7, 8, 9 eine asphärisch geformte Oberfläche aufweist. Es kann alternativ durchaus vorgesehen werden, anstelle der asphärische Ausgestaltung einer oder mehrerer Oberflächen der Linsen sämtliche Oberflächen der Linsen mit einer sphärischen Form zu versehen.
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Die Brennweite der Projektionsoptik 5 des ersten Moduls 2 kann beispielsweise 36 mm betragen. Der eingangsseitige Öffnungswinkel α beziehungsweise der maximale Winkel, unter dem das von der aktiven Fläche des bildgebenden Bauteils 4 ausgehende Licht 6 in die Projektionsoptik 5 beziehungsweise in die erste Linse 7 der Projektionsoptik 5 eintreten kann, beträgt bei dem ersten Modul 2 zwischen 30° und 40° (siehe 2).
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Die Projektionsoptik 5 des ersten Moduls 2 ist so gestaltet, dass die im Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung im Außenraum des Kraftfahrzeugs erzeugte Lichtverteilung in horizontaler Richtung eine Breite aufweist, die einem Winkelbereich zwischen -10° und +10° entspricht.
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Das in 3 abgebildete zweite Modul 3 umfasst ein zweites bildgebendes Bauteil 11 mit einer aktiven Fläche, auf der matrixartig Leuchtdioden oder Laserdioden zur gezielten Erzeugung von Pixeln einer Lichtverteilung angeordnet sind. Das bildgebende Bauteil 11 ist als Solid-State-LED-Array ausgebildet. Das bildgebende Bauteil 11 des zweiten Moduls 3 kann ähnlich oder gleich dem bildgebenden Bauteil 4 des ersten Moduls 2 ausgebildet sein.
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Das in 3 abgebildete zweite Modul 3 umfasst weiterhin eine zweite Projektionsoptik 12, von der im Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung das von der aktiven Fläche ausgehende Licht 6 in den Außenraum des Kraftfahrzeugs projiziert wird. Die Projektionsoptik 12 des zweiten Moduls 3 umfasst drei Linsen 13, 14, 15, durch die im Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung das von der aktiven Fläche ausgehende Licht 6 nacheinander hindurchtritt.
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Die erste Linse 13 ist als konkav-konvexe Linse mit positiver Brechkraft ausgebildet. Die mittlere Linse 14 ist als konvex-konkave Linse mit negativer Brechkraft ausgebildet. Die dritte Linse 15 ist als bikonvexe Linse mit positiver Brechkraft ausgebildet. Dabei ist die Austrittsfläche 16 der dritten Linse 15 konvex und weist einen rechteckigen Umriss auf.
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Es kann vorgesehen sein, dass mindestens eine der Linsen 13, 14, 15 eine asphärisch geformte Oberfläche aufweist. Es kann alternativ durchaus vorgesehen werden, anstelle der asphärische Ausgestaltung einer oder mehrerer Oberflächen der Linsen sämtliche Oberflächen der Linsen mit einer sphärischen Form zu versehen.
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Die Brennweite der Projektionsoptik 12 des zweiten Moduls 3 kann beispielsweise 18 mm betragen. Der eingangsseitige Öffnungswinkel α beziehungsweise der maximale Winkel, unter dem das von der aktiven Fläche des bildgebenden Bauteils 11 ausgehende Licht 6 in die Projektionsoptik 12 beziehungsweise in die erste Linse 13 der Projektionsoptik 12 eintreten kann, beträgt bei dem zweiten Modul 3 zwischen 40° und 45°.
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Die Projektionsoptik 12 des zweiten Moduls 3 ist so gestaltet, dass die im Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung im Außenraum des Kraftfahrzeugs erzeugte Lichtverteilung in horizontaler Richtung eine Breite aufweist, die einem Winkelbereich zwischen -20° und +20° entspricht.
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Die Abmessungen der zweiten Projektionsoptik 12 sind kleiner als die Abmessungen der ersten Projektionsoptik 5. Dementsprechend sind auch die Abmessungen der Linsen 13, 14, 15 der zweiten Projektionsoptik 12 kleiner als die Abmessungen der Linsen 7, 8, 9 der ersten Projektionsoptik. Es zeigt sich, dass durch die kleinen Unterschiede zwischen den Größen und Radien beziehungsweise Geometrien der Linsen 7, 8, 9; 13, 14, 15 der Projektionsoptiken 5, 12 sowie durch eine Variation der Brennweite der Projektionsoptik 5, 12 eine Skalierbarkeit der Projektionsoptiken 5, 12 erzielt werden kann, so dass sie beispielsweise bei dem in 1 abgebildeten Modul 2 Licht mit einer höheren Auflösung in den Außenraum des Kraftfahrzeugs projizieren als bei dem in 3 abgebildeten zweiten Modul 3.
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Bei beiden Projektionsoptiken 5, 12 dient als Feldblende die aktive Fläche des bildgebenden Bauteils 4, 11 und als Aperturblende die Linsenfassungen von Linsen 7, 8, 9; 13, 14, 15 der Projektionsoptik 5, 12. Trotz dieser vergleichsweise großen Blenden, die einen hohen Lichtstrom auf der Straße bewirken, können die von den Modulen 2, 3 erzeugten Lichtverteilungen eine hohe Schärfentiefe aufweisen. Das wird durch die vergleichsweise geringen Brennweiten der Projektionsoptiken 5, 12 erreicht.
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Es kann vorgesehen sein, dass bei einem oder beiden Modulen 2, 3 jeweils eine reflexionsvermindernde Beschichtung auf einer oder mehreren oder sämtlichen Oberflächen der Linsen 7, 8, 9; 13, 14, 15 der Projektionsoptik 5, 12 vorgesehen ist. Die reflexionsvermindernde Beschichtung kann verhindern, dass die Leuchtdioden des Solid-State-LED-Arrays durch zurückreflektiertes Licht wieder angeregt werden. Weiterhin kann durch eine reflexionsvermindernde Beschichtung auf einer oder mehreren oder sämtlichen Oberflächen der Linsen 7, 8, 9; 13, 14, 15 der Projektionsoptik 5, 12 ein hoher Kontrast und große Brillanz der Symbol-Projektion im Nahfeld erzielt werden. Weiterhin kann durch eine reflexionsvermindernde Beschichtung auf einer oder mehreren oder sämtlichen Oberflächen der Linsen 7, 8, 9; 13, 14, 15 der Projektionsoptik 5, 12 die Entstehung von Streulicht reduziert werden.
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Bei beiden Modulen 2, 3 besteht die Möglichkeit, dass die Projektionsoptik 5, 12 zu Justagezwecken relativ zu dem bildgebenden Bauteil 4, 11 bewegbar ist, wobei insbesondere der Abstand des bildgebenden Bauteils 4, 11 von der Projektionsoptik 5, 12 in der mittleren Ausbreitungsrichtung des von der aktiven Fläche ausgehenden Lichts 6 veränderbar ist. Es besteht weiterhin die Möglichkeit, dass die Projektionsoptik 5, 12 auch in zu der mittleren Ausbreitungsrichtung des Lichts senkrechten Querrichtungen bewegbar und gegebenenfalls auch verkippbar ist, um Toleranzen der Linsen 7, 8, 9; 13, 14, 15 ausgleichen zu können.
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Bei den abgebildeten Ausführungsformen umfasst die Beleuchtungsvorrichtung zwei Module 2, 3. Es besteht durchaus die Möglichkeit, dass die Beleuchtungsvorrichtung lediglich ein Modul umfasst. Die Projektionsoptik eines derartigen Moduls könnte beispielsweise eine Brennweite von 24 mm bis 30 mm aufweisen und eine Lichtverteilung erzeugen, deren Breite in horizontaler Richtung einem Winkelbereich zwischen - 12° und +12° entspricht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Maßstab
- 2
- erstes Modul
- 3
- zweites Modul
- 4
- erstes bildgebendes Bauteil
- 5
- erste Projektionsoptik
- 6
- von dem bildgebenden Bauteil ausgehendes Licht
- 7
- erste Linse der ersten Projektionsoptik
- 8
- zweite Linse der ersten Projektionsoptik
- 9
- dritte Linse der ersten Projektionsoptik
- 10
- Austrittsfläche der dritten Linse
- 11
- zweites bildgebendes Bauteil
- 12
- zweite Projektionsoptik
- 13
- erste Linse der zweiten Projektionsoptik
- 14
- zweite Linse der zweiten Projektionsoptik
- 15
- dritte Linse der zweiten Projektionsoptik
- 16
- Austrittsfläche der dritten Linse
- L
- Länge des Maßstabs
- α
- Öffnungswinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018108927 A1 [0002]
