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Die
Erfindung betrifft einen LED-Scheinwerfer, welcher eine deutliche
Hell-Dunkel-Grenze auf der Fahrbahn aufweist, gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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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.
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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,
rotations symmetrische Lichtverteilung läst sich jedoch keine den Vorschriften
des Straßenverkehrs
entsprechende und eine deutliche Hell-Dunkelgrenze aufweisende Lichtverteilung
schaffen. Die nachveröffentlichte
deutsche Patentanmeldung
DE
103 10 263.9 beschreibt einen neuartige Scheinwerfer, welcher über eine
asymmetrische Beleuchtungscharakteristik verfügt, welche zugleich eine deutliche
Hell-Dunkelgrenze aufweist. Dabei nutzt der Scheinwerfer annähernd die
gesamte von der Halbleiterlichtquelle abgegebene Strahlungsleistung
aus. Hierzu wird der Scheinwerfer mittels einem Feld von einzelnen
Halbleiterlichtquellen gebildet, welche mit neuartig gestalteten Optiken
versehen sind. Die Optiken werden 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.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen Scheinwerfer zu finden, der über eine
asymmetrische Beleuchtungscharakteristik verfügt und eine noch deutlichere
Hell-Dunkelgrenze auf der Fahrbahn aufweist.
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Die
Aufgabe wird durch einen Scheinwerfer mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung werden
durch die untergeordneten Ansprüche
aufgezeigt.
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Die
erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung
wird durch ein Feld von einzelnen Optiken gebildet. Hierbei ist
jeder Optik wenigstens eine Halbleiterlichtquelle, insbesondere
eine Lumineszenzdiode zugeordnet. Die Lichteintrittsöffnung der
Optiken weisen eine längliche,
im wesentlichen rechteckige Form und senkrecht zur Lichteintrittsfläche einen
Zentralbereich auf. Die Projektion dieses Zentralbereichs in eine
zweidimensionale Ebene entspricht einem zylindrischen 2-dimensionalen
Kartovals. Des weiteren wird dieser Zentralbereich mit zwei parabolischen
Reflektoren kombiniert. 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. Ein detaillierte
Ausführungen
zur geometrischen Gestalt der Kartoval-Form sind der nachveröffentlichte
deutsche Patentanmeldung
DE
103 10 263.9 zu entnehmen, auf welche an dieser Stelle
als Referenz verwiesen wird.
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In
erfinderischer Weise werden nun die Parabelbereiche (40a, 42a und 40b, 42b)
der beiden parabolischen Reflektoren, als auch die den Optiken zugeordneten
Halbleiterlichtquellen, senkrecht zur Hauptstrahlrichtung der Optiken
verschoben. Durch diese besonders vorteilhafte Ausgestaltung wird
erreicht, dass sich längs
einer gedachten Linie im Fernfeld des Scheinwerfers ein deutlicher
Kontrastsprung ausbildet, welcher die Voraussetzung für die Erzeugung
einer, insbesondere von der Straßenverkehrsordnung geforderten Hell-Dunkel-Grenze
bildet. Ein solcher Scheinwerfer bildet eine mit den durch die Straßenverkehrsordnung
zugelassenen konventionellen Scheinwerfern vergleichbare Hell-Dunkel-Grenze
aus, kann a ber in Bezug auf die Kosten, wesentlich günstiger
aufgebaut und gewartet werden und kommt mit weniger Einbauvolumen
aus. Es hat sich gezeigt, dass in Bezug auf die Verschiebung der
Parabelbereiche (40a, 42a und 40b, 42b)
und der Halbleiterlichtquellen senkrecht zur Hauptstrahlrichtung
der Optiken, eine besonders vorteilhafte Gestaltung der Lichtverteilung
erzielen lässt,
wenn die Parabelbereiche um den Betrag der linearen Ausdehnung der
Halbleiterlichtquelle verschoben werden, und Anordnung der Halbleiterlichtquellen
selbst, um den halben Betrag ihrer eigenen linearen Ausdehnung verschoben
erfolgt.
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Die
Lichtausbeute der erfindungsgemäßen Leuchte
kann weiterhin verbessert werden, wenn die Außenflächen (entsprechend A und B
in 1) der den einzelnen
Optiken zugeordneten Reflektoren verspiegelt oder total reflektierend
ausgeführt
werden.
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Im
nachfolgenden wird anhand von Ausführungsbeispielen und mit Hilfe
von Figuren die Erfindung im Detail beschrieben. Dabei werden die
erfinderischen Abwandlungen der aus dem nachveröffentlichten Stand der Technik
DE 103 10 263.9 bekannten
Beleuchtungsoptiken, ausgehend von den dort beschriebenen Grundlagen.
Entsprechend sollen auch die
1 und
2 als Basis für das Verständnis der
weiteren Figuren herangezogen werden. Hierbei wird schwerpunktmäßig die
Verwendung der Beleuchtungsvorrichtung im Rahmen ihrer Verwendung
bei Fahrzeugscheinwerfern betrachtet. Zur Vereinfachung des Verständnisses
wird des weiteren nur der Fall betrachtet, bei welchem der zweite
Brennpunkt, in welchem die von der Lichtquelle ausgehenden Lichtstrahlen
zusammentreffen, im Unendlichen liegt (Fernfeldbedingung).
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1 zeigt eine 3-dimensionale
Ansicht einer aus dem nachveröffentlichten
Stand der Technik bekannten Optik;
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2 zeigt eine Querschnitt
durch die aus dem nachveröffentlichten
Stand der Technik bekannten Optik;
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3a zeigt die neuartige,
erfinderische Optik im Querschnitt;
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3b zeigt eine alternative
Ausgestaltung der Optik mit erhöhtem
Nutzlichtanteil.
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4 zeigt die Auswirkungen
der Verschiebung der Parabelflächen
der Reflektoren und der Position der Halbleiterlichtquelle auf den
Strahlengang des durch die Optik ausgestrahlten Lichts;
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5 Vergleich der Energieverteilung
der erfinderischen Optik mit der aus dem nachveröffentlichten Stand der Technik
bekannten;
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6 schematische Darstellung
einer alternativen Ausführungsform
der Optik auf Basis eines ,compund parabolic reflector';
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7 Auswirkungen auf den Strahlengang
nach Modifikation der Optik gemäß 6;
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8 resultierende Energieverteilung
entsprechend der Ausgestaltungen der 7.
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In 1 ist das aus dem nachveröffentlichten
Stand der Technik bekannte optische Element in 3-dimensionaler Darstellungsweise
abgebildet. Dieses weist Seitenflächen A, B und E und eine Lichteintrittsfläche F auf.
Wie aus 1 ersicht lich,
ist die diese Optik recht flach ausgeführt, wobei die Lichteintrittsöffnung F
einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist. Der rechteckige
Querschnitt wird in vorteilhafter Weise so schmal ausgeführt, dass
gerade noch eine Halbleiterlichtquelle an der Optik vollflächig angebracht
werden kann.
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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.
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2 zeigt die Projektion der
Seitenfläche
E der bekannten 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 41b in Richtung
hin zu 42b beeinflusst werden. Hierzu ist die Parabelkontur 41b um
den notwendigen Winkel nach innen zu drehen, um zu vermeiden, dass
ein Lichtstrahl 23x aus der Optik austritt, welcher nicht
parallel zu dem anderen parallelen Strahlenbündel läuft.
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In 3a bildet die Projektion
der Seitenfläche
E der erfindungsgemäßen Optik
ab. Das Zentrum der Optik wird durch einen in Form eines Kartovals
geformten Zentralbereich gebildet. Daran anschließend finden sich
beidseitig die beiden Reflektoren, welche die Parabelkonturen 40a und 42a,
beziehungsweise 40b und 42b aufweisen. Der Schnittpunkt
der Parabelkonturen 40a und 40b fällt nun
in erfinderischer Weise nicht mit der Hauptachse 30 des
Zentralbereichs 10 der Optik zusammen, sondern ist senkrecht
hierzu um eine Strecke 32 verschoben. Idealer Weise wird
die Verschiebungsstrecke 32 so gewählt, dass sie dem Betrag a
der linearen Ausdehnung der Halbleiterlichtquelle entspricht.
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Während sich
bei der im nachveröffentlichten
Stand der Technik beschriebenen Anordnung aus Optik und Halbleiterlichtquelle,
diese vorzugsweise zentriert am Schnittpunkt der Parabelkonturen 40a und 40b befindet,
wird nun vorgeschlagen, die Halbleiter Lichtquelle so zu verschieben,
dass sie mittig zwischen der Hauptachse des Zentralbereichs der
Optik und dem Schnittpunkt der Parabelkonturen zum liegen kommt.
Die Halbleiterlichtquelle sollte somit vorzugsweise um den halben
Betrag ihrer linearen Ausdehnung senkrecht zur Hauptachse 30 des
Zentralbereichs der Optik verschoben werden; d.h. um die Hälfte der
Strecke 32.
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In
einer besonders vorteilhaften in 3b dargestellten
Ausgestaltung der Optik wird der Parabelbereich 40a parallel
verschoben, so dass der Bereich 43, welcher beim Übergang
des Lichts vom Zentralbereich 10 in den Freiraum einen
kritischen Strahlenverlauf aufweist, durch den zugeordneten Reflektor
komplett überdeckt
wird. Durch die Verschiebung des Parabelbereichs 40a nach 40x wird
vermieden, dass aus dem Bereich 43 des Zentralbereichs 10 Lichtstrahlen
direkt in den Freiraum austreten. Hierdurch wird der Nutzlichtanteil
des durch die Optik ausgestrahlten Lichts erhöht.
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In
den Teilbildern der 4 wird
der Strahlengang der Optik in Abhängigkeit der Verschiebung einer Punktlichtquelle
und der Parabelkonturen 40a und 40b aufgezeigt.
Hierbei zeigt 4a) den
Strahlengang der im nachveröffentlichten
Stand der Technik beschriebenen Optik. Die von der Punktlichtquelle
ausgesandte Licht wird durch das Zusammenwirken des als Kartoval
ausgebildeten Zentralbereichs mit den beiden Reflektoren zu einem
parallelen Strahlenbündel
gebündelt.
Demgegenüber
zeigt 4b) die Auswirkung
der Verschiebung der Punktlichtquelle um den Betrag ihrer linearen
Ausdehnung auf. Hierbei werden die von dem Zentralbereich der Optik
ausgehenden Lichtstrahlen stark in die der Verschiebung 32 entgegengesetzte
Richtung abgelenkt. Die von den Reflektoren reflektierte Lichtstrahlen
sind nun auch nicht mehr parallel und weisen die Tendenz auf, in
die Richtung zu strahlen, welche mit der Verschiebungsrichtung 32 der
Punktlichtquelle übereinstimmt.
Werden nun entsprechend 4c) entsprechen
der Verschiebung der Halbleiterlichtquelle ebenso die Parabelkonturen 40a)
und 40b) (beziehungsweise deren Schnittpunkt) um den Betrag
der linearen Ausdehnung der Punktlichtquelle verschoben, wo werden
die von den Reflektoren reflektierten Lichtstrahlen wieder weitgehend
parallel ausgestrahlt. In besonders vorteilhafter Weise wird die
Punktlichtquelle jedoch nur um den halben Betrag ihrer Linearen
Ausdehnung verschoben, so dass das Zusammenspiel zwischen Punktlichtquelle
und Optik in dem in 4d) dargestellten
Strahlengang resultiert. Dabei wird deutlich, dass in gegenüber den 4b) und 4c) in verstärkten Maße Licht in die der Verschiebung 32 entgegengesetzten
Richtung abgestrahlt wird. Dies insbesondere deshalb, weil das von
dem in der Abbildung unten befindlichen Reflektor reflektierte Licht
in seiner Strahlrichtung im wesentlichen in der Strahlrichtung des
vom Zentralbereich der Optik ausgehenden Lichts übereinstimmt. Für die Simulation
ist die Verwendung einer Punktlichtquelle zweckmäßiger als die einer ausdehnten
Halbleiterlichtquelle, um das Abbildungsverhalten in den Randpositionen
dieser Halbleiterlichtquelle besser studieren zu können.
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Eine
Vergleich der Energieverteilung des aus den Optiken gemäß 4a) und 4d) austretenden Lichts wird in 5 aufgezeigt. Die diesen
Abbildungen zugrundeliegenden Berechnungen wurden unter der Annahme
der Verwendung einer flächenhaften
Halbleiterlichtquelle durchgeführt.
Hierbei ist 5a) der
Optik aus 4a) zugeordnet
und der Intensitätsverlauf
aus 5b) der Optik aus 4d). Im oberen Teil der
beiden Teilbilder 5a) und 5b) ist jeweils in Falschfarbdarstellung
der Intensitätsverlauf
des von angeordneten Optik ausgehenden Lichts in der x-y-Ebene dargestellt.
Dieser Falschfarbdarstellung ist jeweils unterhalb und rechts in
Kurvenform der Intensitätsverteilung
in x- und y-Richtung zugeordnet. Es wird in beiden Teilbildern deutlich,
dass der Intensitätsverlauf
des aus der Optik austretenden Lichts stark gebündelt ist, wobei in x-Richtung
eine signifikante örtliche
Begrenzung beobachtet werden kann. Hierbei wird aus 5b) deutlich, dass der Intensitätsverlauf
die erfinderische Optik in y-Richtung einen signifikant hohen Gradienten,
beziehungsweise eine deutlichen Sprung aufweist. Gerade dieser deutliche
Sprung ist jedoch die Vorraussetzung für die Schaffung einer deutlichen
Hell-Dunkel-Grenze, wie dies von der Straßenverkehrsordnung für Scheinwerferlicht
vorgeschrieben wird.
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In
besonders vorteilhafter Weise kann die horizontale Breite des Lichtflecks
in x-Richtung dadurch beeinflusst werden, dass die Seitenflächen E der
Optik dergestalt geneigt werden, dass sich die Optik von der Lichtaustrittsfläche G hin
zur Lichteintrittsfläche
F verjüngt.
Eine entsprechende Geometrie ist in
6 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) ergibt sich,
dass durch eine Vergrößerung der
Austrittsfläche
der Winkelbereich, in den das Licht emittiert wird, verkleinert
wird. Die Auswirkungen einer diesbezüglichen Modifikation der Optiken
ist in den
7 und
8 dargestellt.
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In 7 sind in 3 Teilbildern
in dreidimensionaler Darstellung erfindungsgemäße Optiken abgebildet, bei
welchen sich die Optik von der Lichtaustrittsfläche G hin zur Lichteintrittsfläche F verjüngt (entsprechend der
Grundlagen aus 6). Jeder
dieser 3-dimensionalen Abbildungen ist entsprechend unterhalb eine
Projektion der Optik in der x-y-Ebene
zugeordnet. Es wird aus den Teilbildern 7a)–c)
deutlich, dass proportional mit der Zunahme der Differenz in der
Ausdehnung in x-Richtung zwischen Lichteintrittsfläche F und Lichtaustrittsfläche G eine
zunehmende Bündelung
des Lichts in x-Richtung einstellt und weniger Licht aus den Seitenflächen E der
Optik austritt. Hierbei sind die Begrenzungsflächen in 7a) parallel, während sie in den 7b)–c) jeweils +/– 6° beziehungsweise
+/– 12° betragen.
Diese Bündelung
wird insbesondere in den in 8 abgebilde ten
Intensitätsdiagrammen
zum Ausdruck. Hierbei sind jeweils die Teilbilder 7a) und 8a), sowie 7b) und 8b) bzw. 7c) und 8c) einander zugeordnet.
In den 8b) und 8c) wird hierbei die signifikante
Bündelung
in x-Richtung deutlich. 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.
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Bei
der Verwendung der erfindungsgemäßen Optiken
in einem Scheinwerfer oder einer Leuchte in einem Kraftfahrzeug,
bietet es sich an, ein Gruppe (Array) von Optiken gemeinsam zu betreiben
um zum einen eine ausreichende Lichtleistung zu erzeugen und zum
anderen durch geeignete Anordnung eine gewünschte beziehungsweise geforderte
Ausformung des Hell-Dunkel-Übergangs
des Lichts auf der Fahrbahn zu erzeugen. Idealerweise werden die
Einzeloptiken dabei so ausgerichtet, dass deren x-Achsen im wesentlichen
parallel zur Fahrbahnoberfläche
ausgerichtet sind, während
die y-Achsen der Optiken vorzugsweise im wesentlichen senkrecht
zu der Fahrbahnoberfläche
stehen.
