DE10310263A1

DE10310263A1 - LED floodlight for asymmetrical illumination

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Publication number: DE10310263A1
Application number: DE10310263A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr. Griesinger; Markus Dipl.-Phys. Hartlieb; Wilhelm Dr. rer.nat. Kincses; Hans-Georg Dipl.-Phys. Leis; Siegfried Dipl.-Ing. Rothe
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-10-24
Filing date: 2003-03-10
Publication date: 2004-05-13

Abstract

Ein Fahrzeugscheinwerfer ist dahingehend zu gestalten, dass er das von ihm ausgesandte Licht so formt, dass als Ergebnis der Überlagerung des austretenden Lichts eine für Fahrzeugscheinwerfer vorgeschriebene Lichtverteilung entsteht; insbesondere ist die Ausbildung einer deutlichen Hell-Dunkelgrenze und eine asymmetrische Charakteristik der Ausleuchtung zur Vermeidung der Blendung des Gegenverkehrs notwendig. DOLLAR A Die Erfindung beschreibt einen neuartigen Scheinwerfer, welcher über eine asymmetrische Beleuchtungscharakteristik verfügt, zugleich eine deutliche Hell-Dunkelgrenze aufweist und dabei möglichst die gesamte von der Halbleiterlichtquelle abgegebene Strahlungsleistung ausnutzt. Hierzu wird der Scheinwerfer aus einem Feld von einzelnen Halbleiterlichtquellen, welche mit neuartig gestalteten Optiken versehen sind. Die Optiken werden hierzu möglichst flach ausgeführt, so dass die Lichteintrittsöffnung der Optik eine längliche, im Wesentlichen rechteckige Form aufweist. Des Weiteren weisen die Optiken senkrecht zur Lichteintrittsfläche einen Zentralbereich auf, dessen Projektion in eine zweidimensionale Ebene einem zylindrischen 2-dimensionalen Kartovals entspricht. Um das von der Halbleiterlichtquelle ausgehende Licht noch besser zu nutzen, wird im Rahmen der Erfindung die in Form eines Kartovals geformte Lichtaustrittsfläche der Optik, mit einem parabolischen Reflektor kombiniert.A vehicle headlamp is to be designed such that it forms the light emitted by it in such a way that as a result of the superposition of the exiting light, a prescribed for vehicle headlamps light distribution arises; In particular, the formation of a clear bright-dark border and an asymmetrical characteristic of the illumination to avoid the glare of oncoming traffic is necessary. DOLLAR A The invention describes a novel headlamp, which has an asymmetrical lighting characteristic, at the same time has a clear bright-dark boundary and thereby exploits as possible, the entire output from the semiconductor light source radiation power. For this purpose, the headlight from a field of individual semiconductor light sources, which are provided with newly designed optics. The optics are this run as flat as possible, so that the light entrance opening of the optics has an elongated, substantially rectangular shape. Furthermore, the optics perpendicular to the light entry surface on a central region, the projection corresponds to a two-dimensional plane a cylindrical 2-dimensional Kartovals. In order to make better use of the light emanating from the semiconductor light source, in the context of the invention the light exit surface of the optic formed in the form of a Kartoval is combined with a parabolic reflector.

Description

Die Erfindung betrifft einen LED-Scheinwerfer, welcher eine asymmetrischer Ausleuchtungscharakteristik aufweist und ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Scheinwerfers gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 10.The invention relates to an LED headlight, which has an asymmetrical illumination characteristic and a method of operating such a headlamp according to the preamble of the claims 1 and 10.

Das Steuern eines Fahrzeugs im Verkehr ist eine anspruchsvolle, hoch dynamischen Aufgabe. Sie stellt erhebliche Anforderungen an visuelle Wahrnehmung, kognitive Verarbeitung und motorische Koordination des Fahrers. In der Literatur findet sich ein allgemeiner Konsens, dass etwa 90 Prozent der im Straßenverkehr relevanten Informationen durch den Sehsinn aufgenommen werden. Dementsprechend wichtig ist eine gute Ausleuchtung des Verkehrsraumes bei Dämmerung und Dunkelheit und bei Witterungssituationen, in denen das natürliche Licht nicht ausreicht. Die gegenwärtig noch gültigen ECE-Vorschriften für das asymmetrische Abblendlicht auf europäischen Straßen stellen einen Kompromiss zwischen guter Sicht und möglichst geringer Behinderung anderer Verkehrsteilnehmer dar. Ein Fahrzeugscheinwerfer ist dahingehend zu gestalten, dass er das von ihm ausgesandte Licht so formt, dass als Ergebnis der Überlagerung des austretenden Lichts eine für Fahrzeugscheinwerfer vorgeschriebene Lichtverteilung entsteht; insbesondere ist die Ausbildung einer deutlichen Hell-Dunkelgrenze und eine asymmetrische Charakteristik der Ausleuchtung zur Vermeidung der Blendung des Gegenverkehrs notwendig.Driving a vehicle in traffic is a challenging, highly dynamic task. It represents considerable Requirements for visual perception, cognitive processing and motor coordination of the driver. In the literature can be found a general consensus that about 90 percent of road traffic relevant information can be absorbed by the sense of sight. Accordingly important is a good illumination of the traffic area at dusk and darkness and in weather situations where the natural light not enough. The present still valid ECE regulations for the asymmetrical dipped beam on European roads is a compromise between good visibility and as possible minor obstruction of other road users. A vehicle headlight is to be designed so that it is the light emitted by him so shapes that as a result of the overlay of the escaping light one for Vehicle headlights prescribed light distribution arises; in particular is the formation of a clear bright-dark border and an asymmetric Characteristic of the illumination to avoid the glare of the Oncoming traffic necessary.

Das in US 6 144 158 A beschriebene Beleuchtungssystem erzeugt durch den Einsatz eines Feldes von Halbleiterlasern oder alternativ einer Ablenkvorrichtung für den Lichtstrahl eines einzelnen Halbleiterlasers eine Beleuchtungscharakteristik, welche über die im Straßenverkehr geforderte deutliche Hell-Dunkel-Grenze und eine asymmetrische Charakteristik verfügt. Nachteilig in Bezug auf die Möglichkeiten einer wirtschaftlich sinnvollen Realisierung wirkt sich hierbei jedoch die Verwendung einer für die Lichtbündelung notwendigen, gegenüber Erschütterungen aber wenig robusten und teuren Laserlichtquelle aus.This in US 6 144 158 A described illumination system generated by the use of a field of semiconductor lasers or alternatively a deflection device for the light beam of a single semiconductor laser lighting characteristic, which has the required in road traffic clear cut-off and an asymmetric characteristic. However, the use of a laser light source which is necessary for the light bundling and which is less robust and expensive than shaking, has a disadvantageous effect on the possibilities of economically feasible realization.

Ein auf Basis kostengünstiger LED-Lichtquellen realisierter Scheinwerfer ist aus der Schrift DE 100 05 795 A1 bekannt. Dabei wird ein in seiner Leuchtcharakteristik variabler Scheinwerfer, durch ein Feld von Einzelemittern mit wenigstens einer vor jedem Einzelemitter angeordneten Optik realisiert. Jede dieser Optiken kann gegenüber den Einzelelementen in allen drei Raumrichtungen verschoben werden, um den jeweiligen von dem einzelnen Lichtelement ausgesandten Lichtstrahl zu beeinflussen. Auf diese Weise läst sich eine variable Steuerung des von dem Scheinwerfer ausgesandten Strahlenbündels erreichen. Auf Grund der für die verwandten LED-Optik typische, einen großen Öffnungswinkel aufweisende, rotationssymmetrische Lichtverteilung läst sich jedoch keine den Vorschriften des Straßenverkehrs entsprechende und eine deutliche Hell-Dunkelgrenze aufweisende Lichtverteilung schaffen.A realized on the basis of cost-effective LED light sources headlights is from the Scriptures DE 100 05 795 A1 known. In this case, a variable in its luminous characteristic headlight, realized by a field of individual emitters with at least one arranged in front of each individual emitter optics. Each of these optics can be moved in relation to the individual elements in all three spatial directions in order to influence the respective light beam emitted by the individual light element. In this way, variable control of the beam emitted by the headlight can be achieved. Due to the typical for the related LED optics, a large opening angle having rotationally symmetric light distribution but can not create the rules of road traffic and a clear light-dark boundary having light distribution.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine kostengünstig zu fertigende Beleuchtungsvorrichtung zu finden, die über eine asymmetrische Beleuchtungscharakteristik verfügt, welche zugleich eine deutliche Hell-Dunkelgrenze aufweist und dabei möglichst die gesamte von der Halbleiterlichtquelle abgegebene Strahlungsleistung ausnutzt.The object of the invention is therefore to a cost-effective to be produced lighting device, which has a asymmetrical lighting characteristics, which at the same time a clear bright-dark border has and as possible the total radiation output from the semiconductor light source exploits.

Die Aufgabe wird durch eine Beleuchtungsvorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung geeignetes Verfahren mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung werden durch die untergeordneten Ansprüche aufgezeigt. Die Erfindung wird nachfolgen im Detail anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren erläutert.The task is performed by a lighting device and a method of operating such a device Method with the features of claims 1 and 10 solved. advantageous Embodiments and developments of the invention are characterized by the subordinate claims demonstrated. The invention will be described in detail with reference to exemplary embodiments and figures explained.

Die Beleuchtungsoptik wird durch ein Feld (Array) von Einzeloptiken gebildet. Hierbei werden die einzelnen Optiken in erfinderischer Weise möglichst flach ausgeführt, so dass die Lichteintrittsöffnung der Optiken eine längliche, im wesentlichen rechteckige Form aufweist. Dabei weist jede einzelne Optik senkrecht zur Lichteintrittsfläche einen Zentralbereich auf, dessen Projektion in eine zweidimensionale Ebene einem zylindrischen 2-dimensionalen Kartovals entspricht. Ein Kartoval ist eine geometrische Fläche, die als Grenzfläche eines brechenden Mediums das von einem Brennpunkt ausgehende Licht auch für große Öffnungswinkel in einem zweiten Brennpunkt sammelt. Um das von der Halbleiterlichtquelle ausgehende Licht noch besser zu nutzen, wird im Rahmen der Erfindung die in Form eines Kartovals geformte Lichtaustrittsfläche der Optik, mit einem parabolischen Reflektor kombiniert.The illumination optics is through formed a field (array) of single optics. Here are the individual optics in an inventive manner as flat as possible, so that the light entrance opening the optics an oblong, has a substantially rectangular shape. It shows each one Optics perpendicular to the light entry surface on a central area, whose projection into a two-dimensional plane is a cylindrical one Corresponds to 2-dimensional Kartovals. A Kartoval is a geometric one Surface, as the interface of a refracting medium also the light emanating from a focal point for large opening angles collects in a second focal point. To that of the semiconductor light source To use outgoing light even better, is within the scope of the invention the shaped in the form of a Kartovals light exit surface of Optics, combined with a parabolic reflector.

Im nachfolgenden wird mittels Figuren und anhand der mathematischen Herleitung der Geometrie der erfindungsgemäßen Optik die vorteilhaften Ausbildungen der Erfindung im Detail diskutiert. Hierbei wird ausgehend von einer vorteilhaften Verwendung der Optiken innerhalb von Scheinwerfern nur der Fall betrachtet, dass der zweite Brennpunkt, in welchem die von der Lichtquelle ausgehenden Lichtstrahlen zusammentreffen, im Unendlichen liegt, d.h. das Strahlenbündel wird in ein paralleles Strahlenbündel umgewandelt. Auf diese Weise wird die ma thematische Behandlung des Systems stark vereinfacht. Weitere Figuren dienen der eingehenden Erläuterung der vorteilhaften Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.In the following is by means of figures and based on the mathematical derivation of the geometry of the optics of the invention discussed the advantageous embodiments of the invention in detail. This is based on an advantageous use of the optics within headlights only the case considered that the second Focal point in which the light rays emanating from the light source coincide, is at infinity, i. the beam becomes in a parallel beam converted. In this way, the ma - thematic treatment of System greatly simplified. Other figures serve the incoming explanation the advantageous embodiments and developments of the invention.

1 zeigt die der Brechung an der Lichtaustrittsfläche der Optik zugrunde liegende Strahlengeometrie. 1 shows the refraction at the light exit surface of the optics underlying beam geometry trie.

2 stellt die aus der Berechnung resultierende Konturlinie eines Kartovals dar. 2 represents the contour line of a Kartoval resulting from the calculation.

3 repräsentiert den von einer Punktquelle ausgehende Strahlengang und zeigt den aus der Geometrie der Optik resultierenden Grenzwinkel der Reflektion auf. 3 represents the beam path emanating from a point source and shows the limit angle of the reflection resulting from the geometry of the optics.

4 zeigt eine 3-dimensionale Ansicht einer erfindungsgemäßen Optik. 4 shows a 3-dimensional view of an optical system according to the invention.

4a bildet die in 4 gezeigte Optik als 3-dimensionales Kantenbild in vier unterschiedlichen Ansichten ab. 4a forms the in 4 shown optics as a 3-dimensional edge image in four different views.

5 zeigt eine Querschnitt durch die erfindungsgemäße Optik mit der notwendigen Anpassung des parabolischen Kontur des Reflektors. 5 shows a cross section through the optical system according to the invention with the necessary adjustment of the parabolic contour of the reflector.

6 zeigt die Energieverteilung des aus der erfindungsgemäßen Optik austretenden Lichtes. 6 shows the energy distribution of the light emerging from the optical system according to the invention.

7 zeigt schematisch den Teil einer alternativen Ausführungsform der Optik auf Basis eines ,compund parabolic reflector'. 7 schematically shows the part of an alternative embodiment of the optics based on a 'compund parabolic reflector'.

8 zeigt schematisch eine weiter alternative Ausführungsform der Optik (mit Blick auf die Lichtein trittsfläche), mittels welcher der von der Optik ausgehende Lichtkegel gezielt gekrümmt werden kann. 8th schematically shows a further alternative embodiment of the optics (with a view of the Lichtein tread surface), by means of which the light cone emanating from the optics can be selectively curved.

9 zeigt die Energieverteilung einer alternativen Optik entsprechend 8. 9 shows the energy distribution of an alternative optics accordingly 8th ,

10 beschreibt die Positionierung von Halbleiterlichtquellen an der erfindungsgemäßen Optik 10 describes the positioning of semiconductor light sources on the optics according to the invention

Nachfolgend wird zur Verdeutlichung der Form eines Kartovals die mathematische Herleitung dessen Konturkurve aufgezeigt. 1 zeigt hierzu die der Berechung zu Grunde liegende Strahlengeometrie. Dabei sind ausgehend von einer Lichtquelle 60 schematisch zwei Lichtstrahlen 20 und 21 aufgezeigt. Lichtstrahl 20 soll hierbei dasjenige Licht repräsentieren, welches senkrecht ausgehend von der Lichtquelle 60 ohne Brechung an der Bewandung 10 der Optik aus deren Lichtaustrittsfläche austritt. Lichtstrahl 21 hingegen tritt unter einem Winkel φ aus der Halbleiterlichtquelle aus und trifft an der Innenseite der Bewandung 10 unter einem Winkel dφ gegen die Normale auf. Aus diesem Grunde wird der Lichtstrahl 21 gebrochen und tritt unter einem Winkel α aus der Optik an deren Lichtaustrittsfläche aus. Da die Bewandung 10 in erfinderischer Weise die Kontur eines Kartovals aufweist, wird der Lichtstrahl 21 derart umgelenkt, dass er nach Austritt aus der Optik parallel zu dem ungebrochen Lichtstrahl 20 verläuft. Aus dieser Geometrie des in 1 aufgezeigten Strahlengangs folgt die Beziehung β – β = φ (1.1)φ ist dabei der Polarkoordinatenwinkel, α der Austrittswinkel aus dem brechenden Medium und β der Einfallswinkel im Medium. Nach dem Brechungsgesetz gilt:

In the following, the mathematical derivation of the contour curve is shown to illustrate the shape of a Kartoval. 1 shows the basis of the calculation underlying beam geometry. These are starting from a light source 60 schematically two light beams 20 and 21 demonstrated. beam of light 20 should here represent that light, which is perpendicular from the light source 60 without breaking at the edge 10 the optics emerges from the light exit surface. beam of light 21 whereas, at an angle φ, it emerges from the semiconductor light source and hits the inside of the wall 10 at an angle dφ against the normal. For this reason, the light beam 21 broken and exits at an angle α from the optics at the light exit surface. As the walling 10 in an inventive way has the contour of a Kartovals, the light beam 21 deflected in such a way that, after exiting the optics, it is parallel to the unbroken light beam 20 runs. From this geometry of in 1 shown beam path follows the relationship β - β = φ (1.1) φ is the polar coordinate angle, α is the exit angle from the refractive medium, and β is the angle of incidence in the medium. After the refraction law applies:

Zunächst wird in Abhängigkeit von φ der erforderliche Einfallswinkel β berechnet, um das Licht parallel gerichtet aus dem Element austreten zu lassen. Aus (1.1) und (1.2) folgt:

und daraus berechnet sich die gesuchte Funktion:

First, the required angle of incidence β is calculated as a function of φ in order to let the light emerge in parallel from the element. From (1.1) and (1.2) follows:

and from this the required function is calculated:

Diese Funktion gibt den Einfallswinkel β als Funktion des Polarkoordinatenwinkels φ an. Im nächsten Schritt erfolgt sodann die Berechnung der Kontur. Aus der 1 folgt

This function indicates the angle of incidence β as a function of the polar coordinate angle φ. In the next step, the contour is calculated. From the 1 follows

Mit Gl. (1.4) folgt hieraus die Differentialgleichung

With Eq. (1.4) the differential equation follows from this

Diese Gleichung lässt sich in einer analytischen Form durch Substitution lösen:

This equation can be solved in an analytic form by substitution:

Dies ist die gesuchte Gleichung in Polarkoordinaten der in 2 dargestellten Konturlinie 11 des Kartovals. r₀ ist hierbei der dem Winkel φ₀ zugeordnete Radius, der zur Festlegung der absoluten Dimension der Kontur dient.This is the sought equation in polar coordinates of the in 2 illustrated contour line 11 of the Kartovals. Here, r ₀ is the radius associated with the angle φ ₀ , which serves to determine the absolute dimension of the contour.

Selbstverständlich lässt sich die in Polarkoordinaten beschriebene Gleichung 1.7. auch in das kartesische Koordinatensystem transferieren, woraus sich nachfolgende Gleichung (1.8) ergibt:

Of course, the equation 1.7 described in polar coordinates can be used. into the Cartesian coordinate system, resulting in equation (1.8) below:

Eine Optik die eine Austrittsfläche in Form eines gemäß Gleichung 1.8. beschriebenen Kartovals ausweist, kann das Licht einer Punktquelle jedoch nur in einem eingeschränkten Winkelbereich parallelisieren. Dieser Winkelbereich wird durch den Grenzbereich der Totalreflexion vorgegeben. In 3 sind der Strahlengang der Lichtstrahlen 21a–d für eine Punktquelle 60 und der resultierende Grenzwinkel φ_g aufgezeigt. Durch die Kontur der Lichtaustrittsfläche der Optik in Form eines Kartovals wird erreicht, dass alle innerhalb des zweifachen des Grenzwinkels φ_g von der Lichtquelle 60 austretenden Lichtstrahlen 21a–d und 22 parallel aus der Optik austreten.An optic which has an exit surface in the form of a according to equation 1.8. However, the light of a point source can only parallelize in a limited angular range. This angular range is given by the limit of total reflection. In 3 are the ray path of the light rays 21a - d for a point source 60 and the resulting critical angle φ _{g shown} . By the contour of the light exit surface of the optics in the form of a Kartovals is achieved that all within twice the critical angle φ _g of the light source 60 emerging light rays 21a - d and 22 emerge parallel from the optics.

Der Grenzwinkel φ_g ist gegeben durch das Brechungsgesetz (1.2), wobei der Austrittswinkel α = 90° ist. Damit wird sin β = 1/n und der Grenzwinkel φ_g = 90° – β . Für n = 1,5 ergibt sich somit ein Grenzwinkel von 48,2°. Strahlung, die außerhalb dieses Öffnungswinkels liegt, kann mit diesem Element nicht sinnvoll ausgenutzt werden. Da Halbleiterlichtquellen in der Regel in einen weitaus größeren Winkelbereich emittieren, geht mit solchen Elementen ein großer Teil des Lichts verloren. Deshalb wird zur Umgehung dieser Problematik im Rahmen der Erfindung die im wesentlichen die Form eines zweidimensionalen Kartovals aufweisende Beleuchtungsoptik mit einem parabelförmigen Reflektor kombiniert. Dieser Reflektor sollte ebenfalls die Eigenschaft aufweisen, dass von dem Brennpunkt ausgehende Licht in ein paralleles Bündel zu wandeln. Dies führt zu dem in 4 dargestellten Element, mit den Seitenflächen A, B und E und der Lichteintrittsfläche F. Wie aus 4 ersichtlich, ist die erfinderische Optik recht flach ausgeführt, wobei die Lichteintrittsöffnung F einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist, wobei eine Dimension des Querschnitts wesentlich kleiner ist, als die andere; wie nachfolgend anhand von 10 noch erläutert, ist wird der rechteckige Querschnitt in vorteilhafter Weise so schmal ausgeführt, dass gerade noch eine Halbleiterlichtquelle 60 an der Optik vollflächig angebracht werden kann. Zum besseren Klarstellung der 3-dimensionalen Ausgestaltung der in 4 dargestellten erfinderischen Optik ist ein 3-dimensionales Kantenbild dieser Optik in vier unterschiedlichen Ansichten in 4a abgebildet. Dabei heben die dortigen Abbildungen vor allem die Kanten der Optik, so wie in schraffierter Form die Seitenflächen A, B und 10 (Lichtaustrittsöffnung) hervor.The critical angle φ _g is given by the refraction law (1.2), wherein the exit angle α = 90 °. Thus, sin β = 1 / n and the critical angle φ _g = 90 ° - β. For n = 1.5, this results in a critical angle of 48.2 °. Radiation that is outside of this opening angle can not be meaningfully exploited with this element. Since semiconductor light sources usually emit in a much larger angular range, with such elements a large part of the light is lost. Therefore, in order to circumvent this problem in the context of the invention, the illumination optics, which essentially have the shape of a two-dimensional Kartoval, are combined with a parabolic reflector. This reflector should also have the property of converting the light emanating from the focal point into a parallel bundle. This leads to the in 4 represented element, with the side surfaces A, B and E and the light entry surface F. As out 4 can be seen, the inventive optical design is made quite flat, wherein the light inlet opening F has a substantially rectangular cross section, wherein one dimension of the cross section is substantially smaller than the other; as follows from 10 is explained, the rectangular cross-section is advantageously carried out so narrow that just yet a semiconductor light source 60 can be attached to the entire surface of the optics. For better clarification of the 3-dimensional design of in 4 illustrated inventive optics is a 3-dimensional edge image of this optics in four different views in 4a displayed. Here, the illustrations above all emphasize the edges of the optics, as shown in hatched form the side surfaces A, B and 10 (light exit opening).

In besonders vorteilhafter Weise ist es denkbar die Außenflächen A und B des parabolischen Reflektors entweder zu verspiegeln oder aber total reflektierend auszugestalten. Hierdurch wird eine möglichst optimale Lichtausbeute der Halbleiterlichtquelle erreicht, da annähernd das gesamte von der Lichtquelle ausgehende Licht in ein gemeinsames paralleles Strahlenbündel gewandelt wird.In a particularly advantageous manner it is conceivable the outer surfaces A and B of the parabolic reflector either to mirror or totally reflective design. This will one as possible achieved optimal light output of the semiconductor light source, since approximately the entire light emanating from the light source into a common parallel beam is converted.

5 zeigt die Projektion der Seitenfläche E der erfindungsgemäßen Optik, hierbei tritt deutlich die Kontur des kartoval geformten Zentralbereichs und des daran außen anschließenden parabolischen Reflektors zum Vorschein. In idealer Weise wird nun der Reflektor so gestaltet, dass an den zu den Flächen C und D korrespondierenden Bereichen 40a und 40b der Kontur beim Lichtaustritt des Strahls 23a eine Brechung dergestalt stattfindet, dass die aus der Optik austretenden Strahlen 23a und 21 parallel laufen. Der Verlauf des Lichtstrahls 23a sollte dabei durch Drehen der zu den Außenflächen A und B der Optik korrespondierenden Parabelkontur 41a in Richtung hin zu 41b beeinflusst werden. Hierzu ist die Parabelkontur 41 um den notwendigen Winkel nach innen zu drehen, um zu vermeiden, dass ein Lichtstrahl 23x aus der Optik aus tritt, welcher nicht parallel zu dem anderen parallelen Strahlenbündel läuft. 5 shows the projection of the side surface E of the optical system according to the invention, this clearly shows the contour of the kartoval shaped central region and the adjoining outside parabolic reflector to light. Ideally, the reflector is now designed so that at the areas corresponding to the areas C and D areas 40a and 40b the contour at the light emission of the beam 23a a refraction takes place such that the rays emerging from the optics 23a and 21 run parallel. The course of the light beam 23a should by turning the corresponding to the outer surfaces A and B of the optics parabolic contour 41a towards 41b to be influenced. This is the parabolic contour 41 to turn the necessary angle inward to avoid a beam of light 23x emerges from the optics, which does not run parallel to the other parallel beam.

Bei der erfinderischen Ausgestaltung der Optiken des Beleuchtungssystems findet die Ablenkung und Ausrichtung des Lichts vorwiegend in vertikaler Ebene statt, das heißt das Licht wird zu einem horizontal verlaufenden Streifen gebündelt. 6 zeigt als Ergebnis einer Berechnung die Energieverteilung des aus der erfindungsgemäßen Optik austretenden Lichtes. Im oberen Teil der Figur ist in Falschfarbdarstellung der Intensitätsverlauf des von einer horizontal angeordneten Optik ausgehenden Lichtes aufgezeigt. Daneben und darunter ist in Kurvenform die Intensitätsverteilung in x-Richtung und y-Richtung aufgezeigt. Es wird hierdurch deutlich, dass der aus der Optik austretende Lichtstrahl in y-Richtung stark gebündelt ist. Auch in x-Richtung ist die von der Optik ausgehende Lichtintensität deutlich örtlich begrenzt. Bei der 6 zu Grunde liegenden Simulation wurden davon ausgegangen, dass die Lichtquelle mittig bzgl. der Lichteintrittsfläche F der Optik angebracht ist, wie später noch detailliert erläutert, ist es jedoch auch denkbar die Lichtquelle an anderer Position an der Lichteintrittsfläche F zu installieren um hierdurch gezielt Beleuchtungscharakteristik der Optik zu beeinflussen.In the inventive embodiment of the optics of the illumination system, the deflection and alignment of the light takes place predominantly in a vertical plane, that is, the light is focused into a horizontally extending strip. 6 shows as a result of a calculation, the energy distribution of the light emerging from the optical system according to the invention. In the upper part of the figure is shown in false color representation of the intensity profile of the outgoing light from a horizontally arranged optics. Alongside and below, the intensity distribution in the x-direction and the y-direction is shown in the form of a curve. It is thus clear that the light beam emerging from the optics is strongly bundled in the y-direction. Also in the x-direction, the light intensity emitted by the optics is clearly localized. In the 6 Underlying simulation, it was assumed that the light source is centered with respect to the light entrance surface F of the optics, as explained in more detail later, but it is also conceivable to install the light source at a different position on the light entrance surface F to thereby targeted lighting characteristic of the optics to be influenced influence.

In besonders vorteilhafter Weise kann die horizontale Breite des Lichtflecks dadurch beeinflusst werden, dass die Seitenflächen E der Optik dergestalt geneigt werden, dass sich die Optik von der Lichtauntrittsfläche G hin zur Lichteintrittsfläche F verjüngt. Eine entsprechende Geometrie ist in 7 dargestellt, welche eine Seitenansicht aus Richtung der Seitenfläche A bzw. B zeigt. Dabei wird deutlich, dass in dieser gewinnbringenden Ausgestaltung der Erfindung die Höhenausdehnung F₁ der Lichteintrittsfläche F der Optik kleiner als die Höhenausdehnung G₁ deren Lichtaustrittsfläche 10 ist. Solche Elemente, insbesondere auch mit parabelförmigen Seitenflächen sind aus der Solartechnik bekannt (CPC, Compound parabolic Concentrator). Es gilt die Beziehung:

wobei a1 und a2 den jeweiligen Winkelbereich beschreiben, innerhalb dessen die Lichtstrahlen (25, 26) durch die Optik aufgenommen, beziehungsweise unter welchen diese dann aus die Optik austreten. Aus der Gleichung (1.8) ergibt sich, dass durch eine Vergrößerung der Austrittsfläche der Winkelbereich, in den das Licht emittiert wird, verkleinert wird. In besonders gewinnbringender Weise bietet es sich an auch in Strahlrichtung einen möglichst großen Akzeptanzwinkel zu schaffen, um optische Verluste zu vermeiden. Dies kann entweder durch Verspiegelung erreicht werden oder durch die entsprechende Gestaltung der Krümmung der Seitenflächen E, so dass dort Totalreflexion entsteht. In 7 ist beispielhaft mit gestrichelter Linie der Krümmungsverlauf der Seitenfläche E für eine parabolische Krümmung angedeutet. Entsprechend der oben beschriebenen und auch in 5 dargestellten Vorgehensweise kann an einem solchermaßen geformten kartovalen Zentralbereich erfindungsgemäß ein geeigneter parabolisch geformter Reflektor, zur optimalen Ausnutzung der von des von der Lichtquelle emittierten Lichts, angepasst werden.In a particularly advantageous manner, the horizontal width of the light spot can be influenced by tilting the side surfaces E of the optics in such a way that the optic tapers from the light-striking surface G towards the light-entry surface F. A corresponding geometry is in 7 which shows a side view from the direction of the side surface A and B, respectively. It is clear that in this profitable embodiment of the invention, the height extent F _{1 of} the light entrance surface F of the optics smaller than the height extent G ₁ whose light exit surface 10 is. Such elements, especially with parabolic side surfaces are known from solar technology (CPC, Compound Parabolic Concentrator). The relationship applies:

where a1 and a2 describe the respective angular range within which the light beams ( 25 . 26 ) received by the optics, or under which these then emerge from the optics. From the equation (1.8), it follows that enlarging the exit surface reduces the angular range in which the light is emitted. In a particularly profitable manner, it is also possible to create the greatest possible acceptance angle in the beam direction in order to avoid optical losses. This can be achieved either by mirroring or by the corresponding design of the curvature of the side surfaces E, so that there total reflection occurs. In 7 is an example indicated by dashed line the curvature of the side surface E for a parabolic curvature. According to the above and also in 5 According to the invention, a suitably parabolically shaped reflector for optimal utilization of the light emitted by the light source can be adapted according to the invention to a cartouched central region formed in this way.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfinderischen Optik weist der Querschnitt deren Lichteintrittsfläche F abweichend von der allgemein rechteckigen Form eine Trapez-Form auf, wie in 8 dargestellt. Dabei sind die Seitenflächen dieser Trapezform um die Winkel α und β gegenüber der Horizontalen geneigt. Dabei ist es denkbar die beiden Neigungswinkel α und β in ihrem Betrag gleich oder aber unterschiedlich voneinander zu wählen. Entsprechend den Abbildungen in 6 zeigt 9 das Ergebnis einer Berechnung der Energieverteilung des aus der vorteilhaften Optik mit geneigten Seitenflächen austretenden Lichtes. Der Berechnung wurden die Neigungswinkel α und β zu 5° bzw. zu 7° gewählt. Im oberen Teil der Figur ist wieder in Falschfarbdarstellung der Intensitätsverlauf des von einer im wesentlichen vertikal angeordneten Optik ausgehenden Lichtes aufgezeigt. Daneben und darunter ist in Kurvenform die Intensitätsverteilung an bestimmten Positionen in x-Richtung und y-Richtung aufgezeigt. Wie aus der Figur deutlich erkennbar ist, weist die Strahlungscharakteristik der Optik im Fernfeld, entgegen dem in 6 dargestellten Fall, eine deutliche Krümmung senkrecht zur Strahlungsrichtung auf. Andererseits zeigt auch diese Strahlungscharakteristik einen deutlichen Hell/Dunkel-Übergang. Auch bei dieser Simulation wurde davon ausgegangen, dass die Lichtquelle mittig bzgl. der Lichteintrittsfläche F der Optik angebracht ist.In a further advantageous embodiment of the inventive optical system, the cross section whose light entry surface F differs from the generally rectangular shape has a trapezoidal shape, as in 8th shown. The side surfaces of this trapezoidal shape are inclined by the angle α and β relative to the horizontal. It is conceivable to choose the two inclination angles α and β in their amount equal to or different from each other. According to the pictures in 6 shows 9 the result of a calculation of the energy distribution of the emerging from the advantageous optics with inclined side surfaces light. In the calculation, the inclination angles α and β were set to 5 ° and 7 °, respectively. In the upper part of the figure, the intensity profile of the light emerging from a substantially vertically arranged optical system is again shown in false color representation. Alongside and underneath, the intensity distribution at specific positions in the x-direction and y-direction is shown in the form of a curve. As can be clearly seen from the figure, the radiation characteristic of the optics in the far field, contrary to in 6 illustrated case, a significant curvature perpendicular to the radiation direction. On the other hand, this radiation characteristic also shows a clear light / dark transition. In this simulation as well, it was assumed that the light source is centered with respect to the light entrance surface F of the optics.

In 10 zeigt die Projektion der Lichteintrittsfläche F der erfinderischen Optik, in diesem Fall mit einem rechteckigen Querschnitt, mit einer mittig daran anschließender Halbleiterlichtquelle 60. Im allgemeinen Fall wird die Halbleiterlichtquelle 60 wie in 110 gezeigt mittig auf der Lichteintrittsfläche aufgebracht. Dabei wird in gewinnbringender Weise die Dickenabmessung der Optik so gewählt, dass sie die Abmessungen der Halbleiterlichtquelle 60 möglichst wenig übersteigt. Auf diese Weise entstehen Optiken mit optimal geringem Platzbedarf, wodurch es möglich wird eine Vielzahl von Optiken innerhalb einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsquelle auf kleinstem Raum unterzubringen und so eine maximale Lichtleistung zu erzielen.In 10 shows the projection of the light entrance surface F of the inventive optics, in this case with a rectangular cross-section, with a centrally adjoining semiconductor light source 60 , In the general case, the semiconductor light source becomes 60 as in 110 shown centered on the light entry surface. In this case, the thickness dimension of the optics is chosen in a profitable manner so that they are the dimensions of the semiconductor light source 60 exceeds as little as possible. In this way, optics with optimally small footprint, whereby it is possible to accommodate a variety of optics within a lighting source according to the invention in a small space and thus to achieve maximum light output.

Durch Verschieben der Halbleiterlichtquelle 60 entlang der Verbindungslinie zwischen den Punkten P1 und P2 wird erreicht, dass das Licht aus der Optik asymmetrisch austritt. Dabei ist es denkbar entweder die Halbleiterlichtquelle 60 fix an einer beliebigen Stelle entlang dieser Verbindungslinie zu positionieren, um die gewünschte asymmetrische Strahlungscharakteristik zu erzielen, oder aber die Optik verschieblich über der Halbleiterlichtquelle 60 anzuordnen, so dass die gewünschte Asymmetrie der Lichtausstrahlung durch geeignete Verschiebung der Optik gegenüber der Halbleiterlichtquelle 60 erzielt werden kann. Alternativ ist es auch denkbar, anstelle einer verschieblichen Optik an der Lichteintrittsfläche F der einzelnen Optik entlang der Verbindungslinie zwischen P1 und P2 gleich mehrere Halbleiterlichtquellen anzuordnen. So kann in vorteilhafter Weise ohne mechanische Verstellung, einfach durch gezielte elektrische Ansteuerung und Auswahl das aus der Optik austretende Licht in seiner Leuchtcharakteristik verändert werden.By shifting the semiconductor light source 60 Along the connecting line between the points P1 and P2, it is achieved that the light from the optics emerges asymmetrically. It is conceivable either the semiconductor light source 60 fix fixed at any point along this connecting line to achieve the desired asymmetric radiation characteristic, or the optics displaceable over the semiconductor light source 60 to arrange so that the desired asymmetry of the light emission by suitable displacement of the optical system with respect to the semiconductor light source 60 can be achieved. Alternatively, it is also conceivable to arrange a plurality of semiconductor light sources at the light entry surface F of the individual optics along the connecting line between P1 and P2 instead of a displaceable optic. Thus, the light emerging from the optics can be changed in its luminous characteristic advantageously without mechanical adjustment, simply by selective electrical control and selection.

Bei der Anordnung der Optiken zu der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung ist es in vorteilhafter Weise denkbar, die einzelnen Halbleiterlichtquellen 60 zu den jeweiligen, in einem Feld angeordneten Optiken individuell so anzuordnen, dass die Beleuchtungsvorrichtung eine asymmetrische Abstrahlungscharakteristik aufweist. Ergänzend oder Alternativ ist es aber auch denkbar die asymmetrische Strahlungscharakteristik durch eine Anordnung von an die gewünschte Lichtausstrahlung angepasste, individuell geformte Optiken zu erzielen, dabei ist es denkbar ein Teil der Optiken mit rechteckiger Lichteintrittsfläche F (entsprechend 10) und einen anderen Teil der Optiken mit trapezförmigen Lichteintrittsflächen F (entsprechend 8) auszuführen. Auch können in gewinnbringender Weise die Optiken zumindest in Teilen entspre chend der in 7 aufgezeigten Ausgestaltung ausgeführt sein.In the arrangement of the optics to the lighting device according to the invention, it is conceivable in an advantageous manner, the individual semiconductor light sources 60 individually arranged to the respective, arranged in a field optics, that the illumination device has an asymmetric radiation characteristic. Additionally or alternatively, however, it is also conceivable to achieve the asymmetrical radiation characteristic by an arrangement of individually shaped optics adapted to the desired light emission; in this case, it is conceivable that a part of the optics having a rectangular light entrance surface F (corresponding to FIG 10 ) and another part of the optics with trapezoidal light entry surfaces F (corresponding to 8th ). Also, in a profitable manner, the optics at least in part accordingly in 7 be executed embodiment shown.

Sind wenigstens einigen der Einzeloptiken innerhalb der Beleuchtungsvorrichtung gleich mehrere Halbleiterlichtquellen zugeordnet, so kann auf einfache Weise, mittels elektronischer Steuerung ein Verschwenken des von der Vorrichtung ausgesandten Leuchtkegels oder generell eine Änderung der asymmetrischen Beleuchtungseigenschaften der Beleuchtungsvorrichtung erwirkt werden, indem jeweils eine der mehreren einer Optik zugeordneten Halbleiterlichtquellen angesteuert wird. Eine solche wechselweise Ansteuerung der an einer einzelnen Optik angebrachten Lichtquellen führt zu der selben Strahlschwenkung wie dies aus dem Stand der Technik für verschieblich angeordnete Linsenoptiken der Fall ist, ohne jedoch auf eine anfällige, wenig robuste Mechanik zurückgreifen zu müssen. Des weiteren bietet diese vorteilhafte Ausgestaltung auch die Möglichkeit, die einzelnen Optiken innerhalb einer Gruppe von Optiken ohne Aufwand individuell zu steuern, dies ist bei einer mechanisch variablen Ablenkvorrichtung wirtschaftlich sinnvoll nicht realisierbar.Are at least some of the individual optics within the lighting device, a plurality of semiconductor light sources assigned, so can easily, by means of electronic control a pivoting of the light cone emitted by the device or a change in general the asymmetrical lighting properties of the lighting device be obtained by each one of the several associated with an optics Semiconductor light sources is driven. Such an alternation Control of the light sources mounted on a single optic leads to the same beam pivoting as that of the prior art for displaceable arranged lens optics is the case, but without being susceptible to a little bit resort to robust mechanics to have to. Furthermore, this advantageous embodiment also offers the possibility the individual optics within a group of optics without effort to control individually, this is at a mechanically variable Distracting economically not feasible.

Besonders gewinnbringend wird die Beleuchtungsvorrichtung so ausgestaltet, dass die Halbleiterlichtquellen unabhängig von den anderen einzeln oder in Gruppen gemeinsam angesteuert gedimmt oder aktiviert bzw. deaktiviert werden können, um gezielt und situationsangepasst die Umgebung ausleuchten zu können.Particularly profitable is the Lighting device configured so that the semiconductor light sources independently dimmed by the others individually or in groups together or can be activated or deactivated to be targeted and adapted to the situation to illuminate the environment.

In besonders vorteilhafter Weise eignet sich die erfinderische Beleuchtungsvorrichtung zur Verwendung als Scheinwerfer in einem Kraftfahrzeug, um die Umgebung vor dem Fahrzeug asymmetrisch auszuleuchten.In a particularly advantageous manner The inventive lighting device is suitable for use as a headlight in a motor vehicle to the environment in front of the Illuminate vehicle asymmetrically.

In gewinnbringender Weise werden bei der Verwendung in einem Kraftfahrzeug die einzelnen dem Scheinwerfer zugeordneten Optiken, so in Bezug auf die Straßenoberfläche ausgerichtet, dass die x-Achsen der Optiken im wesentlichen parallel zu dieser verlaufen; d.h. die Einzeloptiken sollten im wesentlichen senkrecht stehend (entsprechend beispielsweise 4) angeordnet werden.Advantageously, when used in a motor vehicle, the individual optics associated with the headlamp are aligned with respect to the road surface such that the x-axes of the optics are substantially parallel thereto; ie the individual optics should be substantially vertical (corresponding to, for example 4 ) to be ordered.

Claims

Lighting device, in particular for use in a motor vehicle, which is formed by a field of individual optics, each associated with at least one semiconductor light source, in particular a luminescent diode, characterized in that the light entry opening of the optics have an elongated, substantially rectangular shape that the Optics perpendicular to the light entry surface have a central region, the projection of which corresponds to a two-dimensional plane a cylindrical 2-dimensional Kartovals, and that this central region is combined with a parabolic reflector.

Lighting device according to claim 1, characterized characterized in that the outer surfaces A and B of the reflector turned in the direction of the central portion of the optics be that all emerging from the optics steel substantially are parallel.

Lighting device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the outer surfaces A and B of the reflector be executed mirrored or totally reflective.

Lighting device according to one of the preceding Claims, characterized in that the side surfaces E of the optics such be inclined that the optics from the light exit surface G towards the Light entry surface F rejuvenated.

Lighting device according to claim 4, characterized characterized in that the side surfaces, in particular by mirroring or curvature, be formed so that in the beam direction, a large acceptance angle arises.

Lighting device according to one of the preceding Claims, characterized in that the cross section of the light entry surface of the individual optics deviating from the rectangular shape of a trapezoidal shape have, the side surfaces around the angles α and β to the normal the base area are inclined.

Lighting device according to one of the preceding Claims, characterized in that at least one of the individual optics associated with a plurality of semiconductor light sources.

Lighting device according to one of the preceding Claims, characterized in that the individual semiconductor light sources can be switched individually.

Lighting device according to one of the preceding claims, characterized in that the optics and the semiconductor light sources are arranged displaceably relative to one another.

Method for controlling a lighting device according to one of the preceding claims, characterized that the semiconductor light sources depending on the desired Radiation characteristic can be controlled individually, in which In this case, the semiconductor sources are fully or partially activated can.

Method according to claim 10, characterized in that that for the case that multiple semiconductor light sources of a single optics are assigned, these in dependence the desired Radiation characteristic can be controlled.

Method according to one of claims 10 or 11, characterized that to change the radiation characteristic of the lighting device, the lenses and the semiconductor light sources are shifted from each other.

Use of the illumination device after a of the preceding claims as a motor vehicle headlight for asymmetric illumination of Environment in front of a motor vehicle.