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Bereich der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung eines Fahrzeuges, die eine Laserstrahlungsquelle aufweist, wobei im Weg einer Laserstrahlung von einer Laserstrahlungsquelle ein gesteuerter Reflexionsscannspiegel MEMS situiert ist, wobei im Weg der durch den gesteuerten Reflexionsscannspiegel MEMS reflektierten Strahlung ein optisches Abbildungselement und weiter dann eine Ausgangsoptik situiert sind, wobei Laserstrahlungsquelle und MEMS an eine Speise- und Steuereinrichtung angeschlossen sind.
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Stand der Technik
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Eine Beleuchtungseinrichtung, insbesondere ein Projektorsystem eines Scheinwerfers für die Kraftfahrzeuge, weist mindestens ein optisches System auf, das eine leistungsfähige Lichtquelle und optische Elemente aufweist. Die Lichtquelle emittiert die Lichtstrahlen und optische Elemente sind ein System von Brechungs- und Reflexionsflächen, Schnittstellen der optischen Umfelde und Blenden, die die Richtung von Lichtstrahlen bei einer Bildung von einer Ausgangslichtspur beeinflussen. In modernen Scheinwerfern von Kraftfahrzeugen werden oft die Projektorsysteme eingesetzt, die die Lichteinheiten, die zur Lichtverstärkung durch eine stimulierte Strahlungsemission angepasst sind, sog. Laser aufweisen. Der Laser wird in den jeweiligen Scheinwerfern als eine optische Quelle einer elektromagnetischen Strahlung in Form von lichtemittierenden Dioden verwendet. Die Dioden arbeiten auf Prinzip einer Elektrolumineszenz, wann es nach der Einführung der elektrischen Spannung in der Stelle des PN Übergangs zur Umwandlung der elektrischen Energie aufs Licht kommt. Dieses Licht wird von der Laserdiode als kohärent und monochromatisch ausgestrahlt. Das durch die Laserdioden emittierte Licht weist am häufigsten eine blaue Farbe auf, also zum Einsatz in den Scheinwerfern eines Autos gehen die Lichtstrahlen durch einen Konvertor, am häufigsten in Form eines gelben Phosphors, zum Beispiel YAG, der das blaue Licht auf weißes Licht umwandelt.
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Die Laserdioden können also, im Gegenteil zu den üblichen LED, in solchen Applikationen eingesetzt werden, wo ein scharfer Richtungslichtstrahl zu bilden ist. Aus U820110280032A1,
W02015140001A1 , U820150043233AI,
W02014121315A1 sind solche Beleuchtungseinrichtungen bekannt, wo die Laserdioden ermöglichen, die Lichtstrahlen in der festgesetzten Richtung genau zu richten und auch einen sehr entfernten Punkt zu treffen, was bei den vorderen Scheinwerfern der Kraftfahrzeuge zur Ermittlung einer Fernlichtfunktion verwendet wird. Das Licht kann laut den gültigen Vorschriften bis zur Entfernung von 600m vor dem jeweiligen Fahrzeug ausgestrahlt werden. Dank einem wesentlich höheren Wirksamkeitsgrad der optischen für Laserquellen konstruierten Systeme kann man eine höhere Leistung der Scheinwerfer erzielen. Die Leuchtdichte einer Laserquelle kann bis zu 100x höher sein, wobei sich die optischen eine Laserdiode aufweisenden Systeme gegenüber den konventionellen LED durch einen 50% niedrigeren Energieverbrauch kennzeichnen. Ein Nachteil von meisten gegenwärtigen optischen Laserkonzepten besteht in der Tatsache, dass die Vorteile von Laserdioden vor allem für eine Fernlichtfunktion ausgenutzt werden, wo eine Lichtspur mit einer hohen Intensität sicherzustellen ist, wobei die oben genannten Lasersysteme den Änderungen einer Lichtcharakteristik eines Ausgangslichtbündels in der Abhängigkeit von den Bedingungen nicht angepasst sind, in denen sich das jeweilige Fahrzeug befindet, zum Beispiel eine Nichtanblendung eines gegenfahrenden Fahrers, Breite eines Lichtbündels laut der Geschwindigkeit eines Fahrzeuges, Richtung der Strahlung eines Lichtbündels laut der Lage eines Lenkrades usw.
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Ein weiterer Nachteil der optischen Laser-, sowie LED-Konzepte besteht in der Tatsache, dass eine zu hohe Lichtintensität die Sehkraft beschädigen kann und die Scheinwerfer der Kraftfahrzeuge mit den Sicherheitselementen ausgestattet werden müssen, damit es nicht zur Überschreitung von Sicherheitsgrenzwerten kommt, vor allem im Falle einer Beschädigung von Konvertorsubstanzen oder eigenen Laserdioden. Die Sicherheitselemente bei einer Emittierung eines Laserstrahls sind zum Beispiel in
W02014072227A1 ,
EP2821692A1 ,
W02015049048A1 , W02012076296A3, U88502695B2 beschrieben.
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Aus
EP2954256B1 ist solche Lösung bekannt, wann die Lichtcharakteristik eines Ausgangslichtbündels mittels mindestens zweier Laserdioden sichergestellt wird, wann einzelne modulierte Laserstrahlen auf einen Lichtkonvertor durch eine Drehung eines Mikrospiegels gerichtet werden. Ein Nachteil dieser Lösung besteht in der Tatsache, dass das projizierte Lichtbild aus einigen Segmenten besteht, wann jedem Segment eine Laserdiode zusteht und das optische Konzept so relativ kostspielig und optisch unwirksam ist.
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Aus dem Stand der Technik sind Beugungsteiler eines Laserstrahls bekannt, die aus einem binaren Gitter bestehen, das so vorgeschlagen ist, dass es das kohärente von der Laserdiode ausgehende Licht auf eine festgesetzte Zahl von Lichtströmen teilt. Aus der Schrift U820140307457, C220150890 sind solche Leuchten bekannt, wann das durch eine Laserdiode ausgestrahlte Licht durch einen Teiler auf eine größere Zahl von Teilstrahlen geteilt wird. Der jeweilige Teiler funktioniert als eine Richtungseinrichtung von Photonen zum Richten von Photonen in einen im Voraus bestimmten Raum. Ein Nachteil des Standes der Technik besteht in der Tatsache, dass die optischen einen Teiler eines Laserstrahls aufweisenden Systeme für Signalfunktionen bestimmt sind und zur Bildung einer erforderlichen Ausgangscharakteristik zur Beleuchtung der Fahrbahn vor dem Fahrer nicht angepasst sind. Ein weiterer Nachteil besteht in der Tatsache, dass sich der Mikrospiegel nur um eine Achse herum dreht, wodurch es möglich ist, das resultierende Bild nur in einer Richtung zu beeinflussen und von jeder Laserdiode man nur ein Streiflicht bilden kann.
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Aus der Schrift
US4868721 ist solche Lösung bekannt, die ein System von drehbaren/oszillierenden Mikrospiegeln aufweist, die das resultierende Bild in zwei Richtungen zu beeinflussen ermöglicht. Zwischen der Laserdiode und dem Spiegel ist ein Lichtmodulator vorgesehen, der ermöglicht, die Lichtcharakteristiken eines Laserstrahlbündels zu beeinflussen oder sogar das Laserstrahlbündel vollkommen zu unterbrechen. Ein Nachteil dieser Lösung besteht in der Tatsache, dass der jeweilige Modulator den Lichtstrahl vor dem Einfall auf den Mikrospiegel beeinflusst, wodurch es nicht ermöglicht ist, die Lichtcharakteristik eines Lichtbündels nach der Reflexion von dem Mikrospiegel zu beeinflussen.
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In der Schrift U320130058114 ist solche Lösung beschrieben, wann die durch ein System der Mikrospiegel reflektierten Lichtstrahlen durch das optische System gerichtet werden, das die diffraktiven Elemente in Form von Linsen und Prismen einschließt, wodurch es ermöglicht ist, ein Lichtbild zu bilden, das aus einigen Segmenten von unterschiedlichen Formen besteht, wobei man in jedem Segment andere Lichtcharakteristiken erzielen kann. Ein Nachteil dieser Lösung besteht in der Tatsache, dass man nicht ein asymmetrisch zusammengelegtes Lichtbild bilden und die Lichtcharakteristik der Ausgangslichtspur dynamisch beeinflussen kann, man kann zum Beispiel nicht einen nicht beleuchteten Teil innerhalb von einem Segment des resultierenden Lichtbildes bilden.
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Aus den Schriften
DE19907943 ,
EP2063170 ,
DE102008022795 ,
DE102011080559A1 ,
EP2990264 sind weitere optische Lasersysteme bekannt, die mit Mikrospiegeln oder mikro-optisch-elektro-mechanischen Systemen, sog. MOEMS ausgestattet sind. MOEMS-Elemente werden am häufigsten durch ein System von kleinen Spiegeln gebildet, die auf einem Mikrometer-Niveau ermöglichen, das Licht heute direkt zu steuern, zu richten und zu formen, bevor das Licht auf den Kovertor eines Laserstrahlbündels einfällt. Ein Nachteil der bisher bekannten Laserkonzepte besteht in der Tatsache, dass die Drehung/Oszillation der Mikrospiegel durch eine Resonanzweise erfolgt, wann der Mikrospiegel mit derselben Frequenz und Amplitude schwingt, und wenn es notwendig ist, die Form des Ausgangslichtbildes zu beeinflussen, ist die Laserlichtquelle auszuschalten. Es ist ebenso auch nicht möglich, den jeweiligen Mikrospiegel in bestimmter Position einzustellen oder die Dreh-/Oszillationsachse zurückzuschieben/zu verschieben. Es kommt zu einer veränderlichen Geschwindigkeit des Mikrospiegels, weil es bei einer Änderung der Drehrichtung zur Verlangsamung der Geschwindigkeit des Mikrospiegels kommt. Infolge dessen wird eine ungleichmäßige Verteilung einer Lichtintensität erreicht. Damit eine gleichmäßige Verteilung einer Lichtintensität erreicht wird, muss es in bestimmter Zeit zur Ausschaltung, Einschaltung oder zur Modulation eines Laserstrahls oder eines Laserstrahlbündels kommen.
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Aus den Schriften
US4227984 ,
US7428353 sind technische Lösungen von MOEMS bekannt, die mittels der elektrischen oder elektromagnetischen Steuersignale Dreh-/Neigungswinkel eines Mikrospiegels, Umfang/Winkel der Schwingung eines Mikrospiegels, Geschwindigkeit und Frequenz der Schwingung steuern, wobei es möglich ist, die Schwingung eines Mikrospiegels in zwei voneinander unabhängigen Richtungen sicherzustellen.
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Aus
CZ 2017-0036 ist eine Beleuchtungseinrichtung bekannt, insbesondere ein Projektorsystem eines Scheinwerfers für die Kraftfahrzeuge, die Laserlichtquelle, primäres optisches System mit mindestens einem diffraktiven optischen Element und/oder mit mindestens einem reflektiven optischen Element zur Übertragung eines monochromatischen kohärenten durch eine Laserlichtquelle produzierten Lichtes auf ein kollimiertes Bündel eines kohärenten Lichtes, MOEMS, das einen oder mehrere Mikrospiegel zum Richten eines kohärenten Lichtes zum Konveror zu seiner Umwandlung auf weißes Licht aufweist, und sekundäres optisches System aufweist, das mindestens ein diffraktives optisches Element und/oder mindestens ein reflektives optisches Element zum Richten des weißen Lichtes weiter nach außen aus der Beleuchtungseinrichtung und zur Bildung eines Lichtbildes auf einer Abbildungsfläche und/oder in den spezifischen Zonen vor dem Fahrer auf der Fahrbahn aufweist. Das System weist ein elektromagnetisches Steuersystem, das an MOEMS und an eine Laserlichtquelle zur Steuerung mittels der Sendung von elektrischen oder elektromagnetischen Signalen angeschlossen ist, bei mindestens einem der Mikrospiegel der Änderung des Winkels von seiner Drehung, Änderung des Winkels von seiner Schwingung und Änderung der Geschwindigkeit und Frequenz der Schwingung von seinem freien Ende, und zur Steuerung der Tätigkeit der Laserlichtquelle, zur gesteuerten Änderung der Form und/oder der Lage eines Lichtbildes laut den aktuellen Bedingungen auf, in denen sich das jeweilige Fahrzeug während seines Betriebes befindet.
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Ein Nachteil der Lösung laut
CZ 2017-0036 besteht in dem Einsatz eines monochromatischen Lasers und einer Primäroptik zum Lichttransport zum MOEMS-Element und weiter dann in dem Einsatz eines Wellenlichtkonvertors hinter dem MOEMS-Element zur Umwandlung eines monochromatischen Lichtes auf weißes Licht, das dann durch die sekundäre Optik aus dem Scheinwerfer ausgestrahlt wird. Solche Lösung ist kompliziert und beträgt Licht- und Energieverluste auf dem Weg des Lichtes von der Lichtquelle bis hinter die sekundäre Optik hin.
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Das Ziel der Erfindung besteht darin, die oben genannten Mängel des Standes der Technik zu beseitigen.
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Darlegung des Wesens der Erfindung
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Das Ziel der Erfindung wird durch eine Beleuchtungseinrichtung eines Fahrzeuges mit einer Laserlichtquelle und einem MEMS-Element erreicht, deren Wesen darin besteht, dass die Laserlichtquelle durch eine RGB-Laserlichtquelle mit einem weißen Ausgangslicht gebildet wird und das optische Abbildungselement durch einen Bildschirm gebildet wird, der zur Umwandlung eines schmalen Strahls eines weißen Laserlichtes angepasst ist, das auf die Fläche des Bildschirmes von der RGB-Laserquelle durch einen gesteuerten Reflexionsscannspiegel MEMS in jedem Punkt der Fläche des Bildschirmes auf eine Punktquelle desselben weißen Lichtes auf der Bildschirmfläche gerichtet wird, wobei dieses selbe weiße Licht von dieser Punktquelle auf der Fläche des Bildschirmes eine kugelige Wellenfläche der Ausbreitung des weißen Lichtes und dieselbe Wellenlänge des weißen Lichtes wie das weiße Licht aufweist, das durch einen gesteuerten Reflexionsscannspiegel MEMS auf den Bildschirm gerichtet wird, wobei in der Richtung des Gangs des weißen Lichtes mit einer kugeligen Wellenfläche von der Punktquelle auf der Fläche des Bildschirmes eine Ausgangsoptik angeordnet ist.
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Solche Beleuchtungseinrichtung ist im Grunde genommen aus Sicht der Konstruktion sowie des Betriebes wesentlich einfacher und ist dabei ein universelles Beleuchtungsmittel, das im Stande ist, einen im Grunde genommen beliebigen Ausgangslichtstrom mit einer erforderlichen Größe, Intensität und Form zu bilden.
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Die vorteilhaften Ausführungen der Erfindung sind ein Gegenstand von abhängigen Patentansprüchen.
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Figurenliste
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Die jeweilige Erfindung wird anhand der Zeichnungen schematisch dargestellt, wo es zeigen:
- 1 Ausnutzung der Erfindung in einer Einrichtung mit einem lichtdurchlässigen Bildschirm und mit einer gebildeten Strahlungspunktquelle in der Beleuchtungsachse,
- 1a Ausnutzung der Erfindung in einer Einrichtung mit einem lichtdurchlässigen Bildschirm und mit einer gebildeten Strahlungspunktquelle außerhalb der Beleuchtungsachse,
- 2 Ausnutzung der Erfindung in einer Einrichtung mit einem lichtreflektierenden Bildschirm und mit einer gebildeten Strahlungspunktquelle in der Beleuchtungsachse,
- 2a Ausnutzung der Erfindung in einer Einrichtung mit einem lichtreflektierenden Bildschirm und mit einer gebildeten Strahlungspunktquelle außerhalb der Beleuchtungsachse,
- 3 Detail aus 1 mit einer Andeutung von Wellenflächen, einem Lichtgang und einer Ausgangsverteilung des Lichtes,
- 3a Detail aus 1a mit einer Andeutung von Wellenflächen, einem Lichtgang und einer Ausgangsverteilung des Lichtes und
- 4 Detail aus 2 mit einer Andeutung von Wellenflächen, einem Lichtgang und einer Ausgangsverteilung des Lichtes.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Die jeweilige Erfindung wird anhand der Ausführungsbeispiele einer Beleuchtungseinrichtung eines Fahrzeuges mit einer Laserlichtquelle und einem MEMS-Element beschrieben.
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Die Laserlichtquelle wird durch eine RGB-Laserstrahlungsquelle 1 gebildet, die an eine Speise- und Steuereinrichtung 3 angeschlossen ist, wobei sie mit ihrem Laserlichtausgang 111 einem optischen Eingang 21 eines mikro-elektronisch-mechanischen Systems 2, ferner nur MEMS 2, zugeordnet ist.
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In der dargestellten Ausführung weist die RGB-Laserstrahlungsquelle 1 eine Gruppe von gegenseitig getrennten R und G und B Laserstrahlungssubquellen 10 auf, wo jede dieser Laserstrahlungssubquellen 10 an eine Speise- und Steuereinrichtung 3 angeschlossen ist. Solche RGB-Laserstrahlungsquelle 1 weist weiter einen Kombinator 11 von R und G und B Laserstrahlen auf, der mit seinem Eingang 110 oder seinen Eingängen den Lichtausgängen von gegenseitig getrennten R und G und B Laserstrahlungssubquellen 10 zugeordnet wird. Der Kombinator 11 von R und G und B Laserstrahlen ist zum Vereinen von getrennten R und G und B Lichtstrahlen ins weiße Licht W angepasst, die aus dem Kombinator 11 durch einen Laserlichtausgang 111 in einen weiter eingeordneten optischen Eingang 22 eines mikro-elektronisch-mechanischen Systems 2, weiter nur MEMS 2, austreten.
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MEMS 2 weist steuerbar in zwei zueinander senkrechten Achsen, die in einer gemeinsamen Ebene liegen, einen verstellbaren Reflexionsspiegel 20, kurz gesagt einen Scann-Spiegel 20 auf, der hinter dem optischen Eingang 21 von MEMS 2 schräg gegenüber der Richtung A des Ankommens des weißen Lichtes W von der RGB-Laserstrahlungsquelle 1 in MEMS 2 situiert ist. MEMS 2 ist an eine Speise- und Steuereinrichtung 3 angeschlossen.
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Hinter dem optischen Ausgang 22 von MEMS 2, d.h. in der Richtung der Reflexion eines weißen Lichtes W vom Spiegel 20 von MEMS 2, ist ein Bildschirm 4 situiert, der zur Umwandlung des einfallenden schmalen Strahls des weißen Laserlichtes W in jedem Punkt seiner Fläche auf eine Punktquelle X desselben weißen Lichtes W laut Huygens-Prinzip mit einer kugeligen Wellenfläche K angepasst ist, und das alles ohne eine Änderung der Wellenlänge λ des weißen Lichtes W, das auf den Bildschirm 4 kommt und das von dem Bildschirm 4 weggeht, d.h. unter der Erhaltung von dieser Wellenlänge λ des weißen Lichtes, wie auf 3, 3a und 4 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass der schmale Strahl des weißen Laserlichtes W, das auf den Bildschirm 4 von MEMS 2 kommt, plane Wellenflächen R aufweist, wie auf 3, 3a und 4 näher dargestellt. Der Bildschirm 4 wird vorteilhaft durch ein Diffusionselement mit einer Lambert-Charakteristik oder einer der Lambert-Charakteristik ähnlichen Charakteristik gebildet. In einer anderen vorteilhaften Ausführung wird der Bildschirm 4 durch ein diffraktives optisches Element mit einer anderen, z.B. benutzerdefinierten Charakterisik gebildet.
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In dem Ausführungsbeispiel auf 1, 1a, 3, 3a wird der Bildschirm 4 durch ein lichtdurchlässiges optisches Element für weißes Laserlicht W gebildet, in dem Ausführungsbeispiel auf 2, 2a und 4 wird der Bildschirm 4 durch ein lichtreflektierendes optisches Element für weißes Laserlicht W gebildet.
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In der Richtung des Gangs des weißen Lichtes W von MEMS 2 auf den Bildschirm 4 ist hinter dem Bildschirm 4 eine Ausgangsoptik 5 einer Beleuchtungseinrichtung eines Fahrzeuges situiert, die zum erforderlichen Richten des weißen Ausgangslichtes W gegenüber der Beleuchtungsachse O nach außen aus der Beleuchtungseinrichtung des Fahrzeuges in Form von Ausgangsstrahlen Wo des weißen Lichtes W, wie es aus 1 und 1a, 2 und 2a, 3 und 3a und 4 ersichtlich ist, und ins Profil P der Intensität des weißen Ausgangslichtes Wo angepasst ist. Die Ausgangsoptik 5 der Beleuchtungseinrichtung eines Fahrzeuges weist einen erforderlichen Gesichtswinkel (FOV - field of view), erforderliche Abbildungsqualität (MTF - modulation transfer function), erforderliche Wirksamkeit (Lichtstärke), Auflösung und eventuell auch weitere Aberrationen, z.B. farbige, deformierende usw.) auf, ideal immer angepasst für konkrete Beleuchtungseinrichtungen eines Fahrzeuges mit einer Laserstrahlungsquelle und mit einem MEMS-Element.
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Lage, Ausdehnung (Größe) und Form des Bildes, das auf der Fläche des Bildschirmes 4 durch Scannen durch weißes Laserlicht W durch eine Reflexion dieses Lichtes W vom Spiegel 20 von MEMS 2 gebildet wird, bestimmen Lage, Größe und Form des Stromes des Ausgangslichtes Wo hinter der Ausgangsoptik 5 der Beleuchtungseinrichtung des Fahrzeuges, es ist also nicht notwendig, dass die jeweilige Beleuchtungseinrichtung z.B. verschiedene Blenden zur Bildung von unterschiedlichen Lichtregimes aufweist (Fernlicht, Abblendlicht usw.), weil alle dieser Regimes durch absichtliches Scannen des erforderlichen Teiles der Fläche des Bildschirmes 4 durch weißes Laserlicht W durch eine Reflexion dieses Lichtes W von dem gesteuerten Spiegel 20 von MEMS 2 gebildet werden. Zum Zwecke der Steuerung des Spiegels 20 weist laut der erforderlichen Charakteristik des Ausgangslichtes Wo die Speise- und Steuereinrichtung 3 eine Software mit entsprechenden Steuermodellen des Spiegels 20 auf. Die Speise- und Steuereinrichtung 3 weist weiter Verbindungselemente zum Verkoppeln mit dem Bedien- und/oder Steuersystem des Fahrzeuges auf.
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Die Beleuchtungseinrichtung eines Fahrzeuges arbeitet so, dass die Speise- und Steuereinrichtung 3 einzelne Laserstrahlungssubquellen 10 speist und steuert, die ihre Ausgangsstrahlung in einen Kombinator 11 der Lichtstrahlen senden. Der Kombinator 11 der Lichtstrahlen bildet einen Ausgangslaserstrahl des weißen Lichtes W, den der Kombinator 11 auf einen Scannspiegel 20 von MEMS 2 sendet. Der Scannspiegel 20 bewegt sich laut den Instruktionen der Speise- und Steuereinrichtung 3 und scannt mit dem Laserstrahl des weißen Lichtes W aus dem Kombinator 11 kontinuierlich die Fläche des Bildschirmes 4 oder einen Teil der Fläche des Bildschirmes 4. Er scannt dabei die Fläche des Bildschirmes 4 entweder ganze oder lediglich ihren Teil, wobei Größe (Ausdehnung), Form und Lage des gescannten Teils der Fläche des Bildschirmes 4 der erforderlichen Form, Größe und Lage des weißen Ausgangslichtes Wo der Beleuchtungseinrichtung des Fahrzeuges entsprechen. In jedem Punkt des Bildschirmes 4, in dem auf den Bildschirm 4 ein Laserstrahl des weißen Lichtes W von MEMS 2 einfällt, kommt es dank den Eigenschaften des Bildschirmes 4 zur Bildung einer Punktquelle X mit derselben Wellenlänge, die das einfallende weiße Licht W von MEMS 2 aufweist, und aus dieser Punktquelle X des weißen Lichtes W auf dem Bildschirm 4 breitet sich das weiße Licht W weiter in Form von kugeligen Wellenflächen K zur Ausgangsoptik 5 der Beleuchtungseinrichtung eines Fahrzeuges hin, die das kommende weiße Licht W verarbeitet und in Form von Ausgangsstrahlen Wo des weißen Lichtes W in der erforderlichen Form in erforderliche Richtung in der Richtung der Beleuchtungsachse O hinauslässt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2018149327 A1 [0013]
- US 2019092224 A1 [0013]
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