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Die Erfindung betrifft gemäß Patentanspruch 1 einen Scheinwerfer. Die Erfindung betrifft ferner gemäß Patentanspruch 15 ein Verfahren zum Betrieb eines Scheinwerfers.
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Aus
EP 3 258 161 A1 ist ein Scheinwerfer bekannt, dessen Lichtquelle eine Leuchtdiode ist.
DE 10 2010 046 626 A1 offenbart, dass es bei Scheinwerfern bekannt ist, zur Farbkorrektur eine farbkorrigierende Projektionslinsenoptik als Sekundäroptik einzusetzen, die mehrere, in Lichtdurchtrittsrichtung hintereinander angeordnete Teillinsen umfasst. Dies kann bspw. ein Achromat mit zwei Teillinsen, ein Apochromat mit drei Teillinsen oder eine beliebig andere Vorrichtung zum Anpassen unterschiedlicher Wellenlängen auf Nullfehler sein. Außerdem kann ein Achromat oder ein Apochromat Spektralfarben des Lichts, die beim Passieren des Lichts durch optisch wirksame Grenzflächen, z. B. an einer Lichteintrittsfläche und einer Lichtaustrittfläche einer Linse, auftreten können, korrigieren. Beim Hindurchtreten des Lichts durch die Grenzflächen wird dieses auf Grund von Dispersion unterschiedlich gebrochen, sodass eine Farbseparation auftritt. Dies wird auch als Farblängsfehler der Abbildung bezeichnet. Schließlich kann ein Achromat oder ein Apochromat auch sogenannte Farbquerfehler korrigieren, wobei Farbquerfehler an einem Hell-Dunkelübergang in der Bildebene (z. B. an einer Hell-Dunkelgrenze bei abgeblendeter Lichtverteilung) auftreten. Die Aufspreizung erfolgt deswegen, da an den Grenzflächen eine wellenlängenabhängige Brechung (Dispersion) auftritt, wobei die Spektralfarben des Lichts je nach ihrer Wellenlänge mehr oder weniger stark gebrochen werden. Dies führt zu deutlich sichtbaren Farbsäumen, die durch einen Achromaten verringert bzw. sogar vermieden werden können.
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Achromate sind optische Anordnungen, die in der Regel zwei direkt hintereinander angeordnete Teillinsen aus zwei verschiedenen Materialien umfassen, wobei die erste Teillinse (üblicherweise eine Konkavlinse) eine negative Brechkraft und eine höhere Farbdispersion (niedrigere Abbe-Zahl) aufweist und die zweite Teillinse (üblicherweise eine Konvexlinse) eine positive Brechkraft und eine niedrigere Farbdispersion (hohe Abbe-Zahl) aufweist. Beim Apochromat sind drei Teillinsen mit unterschiedlichem Material hintereinander angeordnet. Das gesamte System des Achromaten bzw. des Apochromaten hat eine resultierende positive Brechkraft.
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Bei Projektionslinsenverbünden werden häufig Gläser verwendet, die im blauen Spektralbereich eine höhere Absorption haben als im gelben Spektralbereich. Dies führt zu einer generellen Gelbverschiebung der Lichtquelle, die nicht durch den Achromaten kompensiert werden kann. Aufgabe der Erfindung ist es, einen farbneutralen Scheinwerfer mit einer Matrix-Leuchtdiode bzw. ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Scheinwerfers zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 bzw. Anspruch 15 gelöst.
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Erfindungsgemäß weist ein Scheinwerfer eine Matrix-Leuchtdiode auf, mit der eine Lichtverteilung erzeugbar ist, die in einen Projektionslinsenverbund einkoppelbar und aus einer Scheibe des Scheinwerfers auskoppelbar ist. Von einer ersten Linse des Projektionslinsenverbundes oder von der Scheibe wird ein erster Spektralbereich der Lichtverteilung stärker absorbiert als weitere Spektralbereiche der Lichtverteilung. Eine erfindungsgemäße Schicht, die insbesondere auch Antireflexionseigenschaften aufweisen kann, ist auf einer zweiten Linse des Projektionslinsenverbundes vorgesehen und weist für den ersten Spektralbereich eine höhere Transmission auf als für die weiteren Spektralbereiche.
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Mithin kann eine erhöhte Absorbtion durch das Glasmaterial im ersten Spektralbereichs dadurch kompensiert werden, dass die Schicht, die insbesondere Antireflexeigenschaften aufweisen kann, den ersten Spektralbereich besser transmittiert.
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Mit einer Matrix-Leuchtdiode und einer anschließenden Projektionslinsenoptik kann der Scheinwerfer die Lichtverteilung adaptieren. Dabei bildet die Projektionslinsenoptik die mittels der Matrix-Leuchtdiode erzeugte Lichtverteilung auf die Fahrbahn ab. Übliche Matrix-Leuchtdioden haben nach derzeitigem Stand der Technik typischerweise zwischen 200 und 20000 einzeln ansteuerbare Pixel. Scheinwerfer bzw. -module dieser Art besitzen keine mechanisch beweglichen Teile und können dynamische Lichtverteilungen erzeugen.
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Um das Licht der Matrix-Leuchtdiode effizient zu nutzen weist die Projektionslinsenoptik einen großen Öffnungswinkel auf. Die numerische Apertur ist vorzugsweise größer als 0.5. Eine derart große Apertur erfordert jedoch Gläser mit einem hohem Brechungsindex. Außerdem soll die Abbildung farbneutral sein. Zur Herstellung einer solchen Farbneutralität können in der Projektionslinsenoptik verschiedene Gläser kombiniert werden. Beispielsweise kann die erste Linse aus Flintglas mit einer anderen Linse aus Kronglas kombiniert werden. Moderne hochbrechende, bleifreie Flintgläser haben oft eine starke Absorption im blauen Spektralbereich. Insbesondere in Kombination mit einer Leuchtdiode als Lichtquelle führt dies zu einer unerwünschten Gelbverschiebung.
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Für eine kostengünstige Ausgestaltung eines farbneutralen Scheinwerfers ist vorgesehen, einfache Schichtsysteme auf eine oder mehrere der Linsenoberflächen aufzubringen. Vorzugsweise besteht die Schicht aus einer einzigen Materiallage und hat eine Dicke von etwa λ/4, wobei die Wellenlänge X innerhalb des ersten Spektralbereichs liegt. Durch die gewählte Schichtdicke von λ/4 wirkt die Schicht wie eine Antireflexionsbeschichtung, die den blauen Spektralbereich besonders gut transmittiert und so kann eine erhöhte Absorption der Projektionslinsenoptik im blauen Spektralbereich zumindest teilweise kompensiert werden. Insofern hat die Schicht zwangsläufig eine geringere Transmission für die Wellenlängen im Bereich der Farbe gelb, da hier die Schichtdicke von der λ/4 Bedingung abweicht und die Reflexionsverluste höher sind als im blauen Spektralbereich. Dabei ist zu beachten, dass sich die Wellenlänge bei der λ/4 Bedingung immer auf die Wellenlängen im Material der Schicht bezieht. Hat das Material der Schicht einen Brechungsindex von 2 so beträgt die Schichtdicke 450/(2-4)= 56 nm und nicht 113 nm. Insbesondere dann, wenn die Projektionslinsenoptik ein achromatisches oder apochromatisches Objektiv aufweist, kann die erste Linse aus bleifreiem Flintglas bestehen, wohingegen eine andere Linse dieses Objektivs aus einem anderen Glas, insbesondere Kronglas, besteht.
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Die Schicht kann auf einer der Matrix-Leuchtdiode zugewandten Oberfläche der zweiten Linse angeordnet sein. Die Anordnung der Schicht zwischen der Matrix-Leuchtdiode und der zweiten Linse ist von besonderem Vorteil, da Reflexionen der zweiten Linse besonders störend wären, da solche Reflexionen die Matrix-Leuchtdiode auch dann zum Leuchten bringen würden, wenn bestimmte Pixel der Matrix-Leuchtdiode abgeschaltet sind, was den Kontrast der Lichtverteilung verschlechtern würde.
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Bei einem hinsichtlich Kosten und Funktion besonders optimierten Scheinwerfer ist vorgesehen, dass die zweite Linse aus einem anderen Flintglas besteht als das Flintglas des achromatischen oder apochromatischen Objektivs.
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Die zweite Linse kann zwischen der Matrix-Leuchtdiode und dem achromatischen oder apochromatischen Objektiv angeordnet sein.
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Zwischen der zweiten Linse und dem achromatischen oder apochromatischen Objektiv kann eine Blende angeordnet sein.
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Als Material für die Schicht kann ein Material verwendet werden, das sich bereits für Antireflexschichten bewährt hat und Magnesiumoxid oder Titandioxid ist. Ebenso kann Magnesiumfluorid als Material für die Schicht verwendet werden.
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Die Transmission des gesamten Projektionslinsenverbundes kann verbessert werden und die Farbänderung gegenüber der ursprünglich von der Matrix-Leuchtdiode emittierten Farbe kann verringert werden, indem mehrere Linsen des Projektionslinsenverbundes jeweils eine Schicht aufweisen, die für den ersten Spektralbereich eine höhere Transmission aufweist als für die weiteren Spektralbereiche.
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Um das Licht der Matrix-Leuchtdiode effizient zu nutzen, kann vorgesehen sein, dass der Projektionslinsenverbund eine numerische Apertur größer als 0,5 aufweist.
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die anhand der Zeichnung erläutert werden.
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Es zeigen:
- 1 schematisch einen Scheinwerfer, in dem verschiedene Gläser zur Anwendung kommen,
- 2 ein Diagramm, das für drei verschiedene Gläser die Transmission über der Wellenlänge darstellt,
- 3 eine Tabelle, die verschiedene Konfigurationen von Schichten darstellt, mit denen die Gläser nach 1 beschichtet sein können, und
- 4 ein Diagramm, das eine wellenlängenabhängige Transmission einer X/4 dicken Schicht aus Magnesiumoxid zeigt, die auf einer in 1 dargestellten zweiten Linse aufgetragen ist.
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1 zeigt schematisch einen Scheinwerfer 2 der an oder in der Front eines nicht näher dargestellten Kraftfahrzeuges angeordnet ist und zum Ausleuchten der Fahrbahn dient.
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Der Scheinwerfer 2 weist ein Gehäuse 4 auf, dessen in einer Fahrtrichtung 6 vorne liegende Gehäusewand durch eine Scheibe 8 gebildet wird, die für sichtbares Licht durchlässig bzw. transparent ist. Das Gehäuse 4 ist zur Vereinfachung viereckig dargestellt. Tatsächlich weist das Gehäuse 4 und damit auch die Scheibe 8 jedoch eine komplex geformte geometrische Struktur auf, die dem Design des Kraftfahrzeugs untergeordnet ist. In der Fahrtrichtung 6 von hinten nach vorne aufeinander folgend weist der Scheinwerfer 2 eine Rückwand 10 des Gehäuses 4, die Matrix-Leuchtdiode 12, einen Projektionslinsenverbund 14 und die Scheibe 8 auf.
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Der Projektionslinsenverbund 14 umfasst in der Fahrtrichtung 6 aufeinander folgend eine zweite Linse 16, eine Blende 18 und ein achromatisches Objektiv 20. Die erste Linse 16 besteht aus einem hochbrechendem Glas mit kleiner Dispersion.
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Das achromatische Objektiv 20 umfasst in der Fahrtrichtung aufeinander folgend eine erste Linse 22 und eine andere Linse 26.
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Die erste Linse 22
- - besteht aus einem hochbrechendem Flintglas, das einen ersten Spektralbereich einer Lichtverteilung 25 stärker absorbiert als weitere Spektralbereiche der Lichtverteilung 25, wobei im ersten Spektralbereich die Farbe blau liegt,
- - ist eine Zerstreuungslinse, und
- - ist konvex-konkav, wobei auf der der zweiten Linse 16 zugewandten konvexen Oberfläche 17 die Blende 18 an einem radialen Außenbereich anliegt, der insbesondere plan ausgestaltet sein kann.
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Die andere Linse 26
- - besteht aus einem hochbrechendem Kronglas,
- - ist eine bikonvexe Sammellinse,
- - ist auf deren der ersten Linse 22 zugewandten Seite mit derselben verkittet, sodass eine konvexe Oberfläche der anderen Linse 26 mit einer komplementär konkaven Oberfläche der ersten Linse 22 fest verbunden ist.
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Das von den beiden Linsen 22, 26 gebildete achromatische Objektiv 20 weist neben der der zweiten Linse 16 zugewandten äußeren Oberfläche 17 noch eine weitere äußere Oberfläche 29 auf, die der Scheibe 8 zugewandt ist.
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Die zweite Linse 16 ist eine Sammellinse, die plankonvex ist. Die konvexe Oberfläche 30 ist dem achromatischen Objektiv 20 zugewandt. Die plane Oberfläche 27 ist der Matrix-Leuchtdiode 12 zugewandt. Auf dieser Oberfläche 27 ist eine Schicht 28 aufgetragen. Diese Schicht 28 auf der zweiten Linse 16 des Projektionslinsenverbundes 14 weist für den ersten Spektralbereich eine höhere Transmission auf als für die weiteren Spektralbereiche. Um dies zu erreichen hat die Schicht 28 hat eine optische Dicke von λ/4, wobei λ = 450nm ist, da der blaue Spektralbereich von 440nm bis 470nm reicht. Die Schicht 28 besteht beispielsweise aus Magnesiumoxid (MgO), Magnesiumfluorid (MgF2) oder Titandioxid (TiO2). Die Schicht wirkt wie eine Antireflexionsbeschichtung mit hoher Transmission im blauen Spektralbereich. Gelbes Licht erfährt hingegen höhere Reflexionsverluste.
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Aus 2 ist ersichtlich, dass einige der verwendeten Glassorten eine geringe Transmission im blauen Spektralbereich haben, was zur besagten Gelbverschiebung führt.. Die durch die Kurven im Diagramm nach 2 repräsentierten Glasscheiben bestehen aus den Gläsern der Linsen 16, 22 und 26 und haben eine gleiche Dicke von jeweils 10mm. Deutlich ist aus dem Diagramm ersichtlich, dass das hochbrechende Flintglas der ersten Linse 22 im blauen Spektralbereich, d.h. zwischen 440nm und 470nm eine sehr geringe Transmission und damit eine relativ hohe Absorption aufweist.
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Anhand von 3 ist ersichtlich, welche Art und Anzahl von Schichten welchen Einfluss auf die Verschiebung gegenüber weißem Licht der Matrix-Leuchtdiode hat. So zeigt 3 eine Tabelle, in deren erster Spalte die Art der Beschichtung bzw. nicht-Beschichtung dargestellt ist. In der zweiten und dritten Spalte sind die Farbkoordinaten nach dem CIE-Normvalenzsystem von 1931 dargestellt. In der zweiten Spalte ist mit „Cx“ die Koordinate auf der Abszisse der CIE-Normfarbtafel bezeichnet. In der dritten Spalte ist mit „Cy“ die Koordinate auf der Ordinate der CIE-Normfarbtafel bezeichnet. Der Weißpunkt liegt auf der CIE-Normfarbtafel bekanntermaßen bei 1/3 = Cx = Cy. In der vierten Spalte der Tabelle ist die Transmission T des Projektionslinsensystems 14 nach 1 angegeben.
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In der zweiten Zeile sind die Koordinaten Cx, Cy der Farbe des Lichts der Lichtverteilung gezeigt, die die Matrix-Leuchtdiode an sich erzeugt. Diese Farbe ist ungefähr, jedoch nicht exakt, weiß. Stattdessen sind die Koordinaten der Farbe des Lichts der Matrix-Leuchtdiode Cx=0,318 und Cy=0,329. Diese geringfügige Verschiebung der Farbe in Richtung blau ist für einen Scheinwerfer erwünscht und soll nicht durch die Projektionsoptik verschoben werden.
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In der dritten Zeile sind die Koordinaten aufgeführt, die sich bei einer Projektionslinsenoptik ergeben, wenn keine der Linsen 16, 22, 26 beschichtet ist. Die Koordinate Cx=0,322 ist in Richtung weiß verschoben und die Koordinate Cy=0,335 ist sogar darüber hinaus verschoben. Die Transmission ist wegen hoher Reflexionsverluste an den unbeschichteten Linsen gering.
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In der vierten Zeile sind die Koordinaten aufgeführt, die sich bei einer Projektionslinsenoptik ergeben, wenn vier Antireflexbeschichtungen aufgetragen sind. Bei jeder dieser vier Antireflexbeschichtungen handelt es sich um eine Breitbandbeschichtung mit einer Transmission von 99%. Die Transmission T der Projektionslinsenoptik ist offensichtlich erheblich besser als die Transmission der Projektionslinsenoptik ohne Antireflexbeschichtungen, da weniger Licht der Lichtverteilung in Richtung der Matrix-Leuchtdiode zurückgeworfen wird. Jedoch haben sich die Koordinaten Cx=0,321 und Cy=0,334 der Farbe des Lichtes kaum in Richtung der ursprünglichen Farbe verschoben, die von der Matrix-Leuchtdiode emittiert wurde. Mithin ist ersichtlich, dass eine übliche breitbandige Antireflexbeschichtung zwar die Transmission durch den Projektionslinsenverbund erhöht, jedoch nur einen geringen Einfluss auf die Farbe des Lichts hat.
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Gemäß Zeile fünf wird eine erhebliche Verschiebung der Farbe des Lichts in Richtung der ursprünglich von der Matrix-Leuchtdiode emittierten Farbe erreicht, wenn vier Schichten mit einer Dicke von λ/4 aufgetragen werden. Dabei wird eine Schicht auf jede der insgesamt vier Oberflächen der zweiten Linse 16 und des achromatisches Objektivs 20 aufgetragen. Aus der λ/4-Bedingung ergibt sich eine Dicke von etwa 25 bis 100nm für jede der vier Schichten. Mit diesen kostengünstigen, einschichtigen Antireflexbeschichtung werden Transmissionswerte erreicht, die zwar nicht ganz so gut sind wie mehrschichtige Antireflexbeschichtungen, die im Falle von typischen Breitband-Antireflexbeschichtungen etwa 200-300 nm dick sind. Jedoch wird mittels der einschichtigen Antireflexbeschichtung die Farbverschiebung zumindest teilweise kompensiert.
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Durch die Variation der Anzahl von λ/4 Schichten kann die Farbverschiebung variiert und an das entsprechende Linsensystem angepasst werden.
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Zeile sieben stellt den in 1 dargestellten Zustand dar. Es ist nur eine einzige Schicht vorgesehen, die eine Dicke von λ/4 hat und auf der Oberfläche aufgetragen ist, die der Matrix-Leuchtdiode zugewandt ist und an der zweiten Linse 16 angeordnet ist. Die Transmission T=74,1% ist besser als ohne Schicht (Zeile 3), jedoch erheblich schlechter als wenn mehrere - insbesondere sämtliche - Oberflächen der Linsen beschichtet sind. Auch die Farbverschiebung gegenüber der ursprünglichen Farbe des Lichts ist nur geringfügig besser als in dem Fall, dass keine Schicht vorgesehen ist.
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4 zeigt die wellenlängenabhängige Transmission einer λ/4 Schicht. Analog zum Diagramm nach 2 ist auf der Abszisse die Wellenlänge in um aufgetragen und auf der Ordinate ist die Transmission in % aufgetragen. Deutlich ist ersichtlich, dass die Transmission T für Wellenlängen von 440nm bis 460nm bei nahezu 100% liegt und mit zunehmender Wellenlänge abfällt. Die simulierte Schicht hat eine Dicke von λ/4 bei λ=450nm.
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Die reale Dicke d
real einer Schicht, die der λ/4-Bedingung unterliegt, berechnet sich aus
wobei n
Schicht der Brechungsindex der Schicht ist.
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Aus der Tabelle von 3 ergibt sich, dass die besten Ergebnisse erreicht werden, wenn beim Scheinwerfer nach 1 sämtliche äußeren Oberflächen 27, 30, 17, 29 eine Schicht aufweisen. Dabei ist es sowohl von Vorteil, wenn mindestens eine der Schichten eine Dicke von λ/4 aufweist. Soll aus Kostengründen nur eine λ/4 Schicht aufgebracht werden so ist es vorteilhaft diese auf die Oberfläche 27 aufzubringen um Rückreflexionen auf die Matrix-Leuchtdiode 12 zu minimieren. Für die Kompensation der Farbverschiebung ist die Lage der Oberfläche hingegen nur von geringer Bedeutung.
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Anstelle des in 1 dargestellten achromatischen Objektivs kann auch ein apochromatisches Objektiv vorgesehen sein, das arteigen drei Linsen bzw. Teillinsen aufweist. Sofern ein solches apochromatisches Objektiv verwendet wird, ist dies derart ausgeführt, dass eine der drei (Teil)Linsen des ersten Spektralbereichs die Lichtverteilung stärker absorbiert als die weiteren Spektralbereiche der Lichtverteilung.
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Der Gegenstand der Anmeldung ist nicht darauf beschränkt, eine erhöhte Absorption im blauen Spektralbereich zu kompensieren. Insbesondere ist die Erfindung nicht auf die Verwendung von Flintglas beschränkt. Es können auch andere Materialien als optische Leiter bzw. Linsen verwendet werden, die einen Vorteil haben, der mit einer erhöhten Absorption in dem ersten Farbbereich einhergehen, in dem insbesondere die Farbe blau oder aber eine andere Farbe liegt.
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Eine oder mehrere der Linsen müssen nicht aus Glas bestehen, sondern können auch aus einem transparenten Kunststoff bestehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3258161 A1 [0002]
- DE 102010046626 A1 [0002]
