DE69613748T2

DE69613748T2 - Adaptives Beleuchtungsgerät, insbesondere Fahrzeugscheinwerfer

Info

Publication number: DE69613748T2
Application number: DE69613748T
Authority: DE
Inventors: Giancarlo Alessandretti; Renzo Bartoncini; Stefania Masuelli; John Monk; Piero Perlo; Luca Sardi; Sabino Sinesi
Original assignee: Automotive Lighting Italia SpA
Current assignee: Marelli Automotive Lighting Italy SpA
Priority date: 1995-04-19
Filing date: 1996-04-18
Publication date: 2002-09-05
Anticipated expiration: 2016-04-19
Also published as: EP0738904A1; ITTO950312A1; DE69613748D1; EP0738904B1; ES2160188T3; ITTO950312A0; IT1279130B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine adaptive Beleuchtungsvorrichtung, die bei der Verwendung als Fahrzeugscheinwerfer besonders nützlich ist.
Es ist bekannt, daß die Formung des durch einen Scheinwerfer emittierten Lichtstrahls in Abhängigkeit von den Fahrbedingungen des Fahrzeugs, z. B. durch Berücksichtigung der Geschwindigkeit, des Lenkwinkels, der Neigung der Straße und/oder des Fahrzeugs (wobei dies mit dem Belastungszustand des Fahrzeugs verbunden ist), sowie von den meteorologischen Bedingungen (Nebel, Regen) und/oder von äußeren Faktoren (Illumination) dynamisch verändert werden sollte, um eine ideale Beleuchtung zu schaffen. Die einfachste solcher dynamischen Formungen ist der Übergang vom Fernlichtstrahl zum Abblendlichtstrahl, wenn andere Fahrzeuge entgegenkommen.
Gegenwärtig wird der Übergang von einem Beleuchtungszustand zum anderen entweder durch die Verwendung mehrerer Beleuchtungsvorrichtungen (z. B. Fernlichtlampe, Abblendlichtlampe, Nebellampe) oder durch die Verwendung anderer voluminöser, teurer und starrer elektromechanischer Vorrichtungen erreicht, z. B. durch Servosysteme, die den gesamten Scheinwerfer in bezug auf den Fahrzeugrahmen physisch drehen, um in einer Kurve die Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls zu ändern, oder die den Belastungszustand des Autos ändern; oder durch Servomechanismen, die auf die kaskadenförmig angeordnete Offenblendenoptik einwirken (d. h. auf den Strahl als Ganzes einwirken).
Im Gebiet der Optik ist ferner bekannt, daß eine Ablenkung eines monochromen Lichtstrahls bei einem im voraus eingestellten Winkel durch die Verwendung zweier hintereinander angeordneter mikrooptischer Matrizen erreicht werden kann, wovon eine in bezug auf die andere Matrix durch piezoelektrische Aktuatoren beweglich ist (W. Goltsoz und M. Holz, "Optical Engineering", Bd. 29, S. 1392, 1990). Eine weitere bekannte Lösung besteht aus sogenannten "Strahlerweiterern", d. h. aus einem Paar konvergenter/divergenter (oder umgekehrt) mikrooptischer Matrizen, die auf die optische Achse ausgerichtet sind und mit einem Abstand, der durch Aktuatoren gesteuert werden kann, längs der optischen Achse hintereinander angeordnet sind; wobei die Begrenzung des resultierenden Strahls durch Änderung dieses Abstands erfolgt. Hier und in der nachfolgenden Beschreibung sollte der Ausdruck "Begrenzung" so verstanden werden, daß er den Öffnungswinkel des Strahls bedeutet (der dann, wenn er 0º beträgt, parallel verlaufende Stahlen definiert; wenn er größer als 0º ist, divergente Strahlen definiert, und wenn er kleiner als 0º ist, konvergente Strahlen definiert). Andererseits ist beabsichtigt, daß der Ausdruck "geometrische Charakteristiken" die Gesamtheit der geometrischen Charakteristiken bedeutet, die die Ausbreitung eines Strahls, d. h. seine Richtung, seine Neigung in bezug auf die optische Achse der Beleuchtungsvorrichtung und seine Begrenzung, betreffen.
Die obenstehenden auf mikrooptischen Vorrichtungen basierenden Lösungen sind jedoch, da sie die für die Lösung des Problems erforderliche Flexibilität offensichtlich nicht aufweisen, nie bei Scheinwerfern oder allgemein bei der adaptiven Formung eines Lichtstrahls, sowohl monochrom als auch polychrom, angewendet worden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine adaptive Beleuchtungsvorrichtung zu schaffen, d. h. eine Beleuchtungsvorrichtung, die nicht nur die Begrenzung, sondern auch alle anderen Verteilungsparameter eines emittierten Lichtstrahls in einer solchen Weise schnell ändern kann, daß bei einem Fahrzeugscheinwerfer das emittierte Licht den Fahrbedingungen und/oder Umgebungsbedingungen unter Verwendung einer einzigen Lichtquelle angepaßt wird. Die Aufgabe der Erfindung besteht außerdem darin, eine kompakte und zuverlässige Vorrichtung zu schaffen, die relativ einfach herzustellen ist.
Gemäß der Erfindung wird deshalb eine adaptive Beleuchtungsvorrichtung geschaffen, insbesondere ein Fahrzeugscheinwerfer, der wahlweise mehrere Lichtstrahlen mit unterschiedlich voreingestellten Charakteristiken emittieren kann, des Typs, der umfaßt eine Lichtquelle, eine erste und eine zweite durchlässige Halterung, die vor der Lichtquelle angeordnet sind und jeweils mit ersten und zweiten optischen Elementen versehen sind, einen Reflektor, der auf der entgegengesetzten Seite der Halterungen angeordnet ist, um die Lichtstrahlen, die von der Lichtquelle nicht direkt zu den Halterungen emittiert werden, zu diesen zu lenken, und Aktuatormittel für die Relativbewegung der Halterungen vor der Quelle; wobei die ersten optischen Elemente durch eine einzelne mikrooptische Einrichtung definiert sind und auf der ersten Halterung in Form einer ersten mikrooptischen Matrix angeordnet sind, die für jedes Element einen entsprechenden Mikrostahl erzeugen kann, der in seiner Gesamtheit der geometrischen Charakteristiken gesteuert wird; und wobei die zweiten optischen Elemente auf der zweiten Halterung in Form einer zweiten mikrooptischen Matrix angeordnet sind, die in einer Kaskade mit der ersten Matrix angeordnet ist; wobei jedes der zweiten optischen Elemente entweder eine einzelne mikrooptische Einrichtung mit optischen Charakteristiken ist, die sich über den durch sie abgedeckten Bereich ändern, oder eine Gruppe von untereinander verschiedenen nebeneinander angeordneten mikrooptischen Einrichtungen enthält, wobei die zweiten Elemente so bemessen sind, daß die Mikrostrahlen als Antwort auf eine Relativbewegung, wie etwa eine Verschiebung, eine Drehung oder eine Drehverschiebung, der beiden Halterungen wahlweise aufgenommen werden, wobei die zweiten Elemente in unterschiedlichen Zonen unterschiedliche optische Eigenschaften aufweisen, um auf unterschiedliche Weise zur Strahlformung beizutragen, wodurch eine adaptive Formung der mehreren Lichtstrahlen, die von den Elementen der zweiten Matrix ausgehen, erreicht wird.
Deswegen enthält die zweite Matrix von mikrooptischen Einrichtungen eine Anzahl mikrooptischer Einrichtungen, die größer (oder gleich) als die Anzahl der ersten mikrooptischen Einrichtungen der ersten Matrix ist. Insbesondere sind die mikrooptischen Einrichtungen, die die erste Matrix bilden, mikrooptische Einrichtungen, die untereinander gleich sind, oder sie unterscheiden sich höchstens dadurch voneinander, daß sie lediglich untereinander verschiedene im voraus definierte Phasenänderungen aufweisen. Ferner ist dann, wenn jedes die zweite Matrix mikrooptischer Einrichtungen bildende zweite optische Element durch eine einzelne mikrooptische Einrichtung definiert ist, diese mikrooptische Einrichtung eine Hybrideinrichtung, sie ist z. B. eine mikrooptische Einrichtung, die an ihrem Rand geformt ist und so bemessen ist, daß sie wenigstens zwei Zonen umfaßt, die so beschaffen sind, daß sie auf unterschiedliche Weise zur Strahlformung beitragen.
Auf diese Weise ist es durch geeignete Relativverschiebungen der beiden Halterungen möglich, mehrere untereinander verschiedene mikrooptische Einrichtungen (oder mehrere Bereiche mit unterschiedlichen optischen Charakteristiken von ein und derselben komplexen mikrooptischen Einrichtung) der zweiten Matrix mit jeder mikrooptischen Einrichtung der ersten Matrix kaskadenartig zusammenzufassen, wodurch die Erzeugung von mehreren Gesamtlichtstrahlen, die ebenfalls untereinander vollständig verschiedene Charakteristiken besitzen, erreicht wird.
Es ist z. B. durch die Anordnung einer geeigneten Anzahl von Mikromasken und Elementen, die die Intensitätsverteilung des Strahls ändern können, in der zweiten Matrix möglich, einen Fernlichtstrahl in einen Abblendstrahl, oder den Abblendstrahl in einen Nebelstrahl umzuwandeln. In gleicher Weise wird es möglich sein, durch die Anordnung von geeigneten ablenkenden mikrooptischen Einrichtungen in der zweiten Matrix die Begrenzung des Strahls, der die Einrichtung verläßt, in der Weise zu ändern, daß er einer Kurve oder einem Gefälle folgt.
Die Änderungen der Verteilung und der Form des Strahls sind selbstverständlich unter der manuellen Steuerung des Benutzers erreichbar (z. B. der Übergang vom Fernlicht zum Abblendlicht und umgekehrt) oder sie können automatisch gesteuert werden, z. B. durch das Betreiben der Aktuatormittel über eine zentrale Steuereinheit, die wenigstens mit einem der folgenden Sensoren verbunden ist: Lenkwinkelsensor, Sensor der Fahrgeschwindigkeit, Sensor der meteorologischen Bedingungen, z. B. der Feuchtigkeit der Straße, der Sichtverhältnisse usw.
Schließlich sind die mikrooptischen Einrichtungen der ersten Matrix vorzugsweise von einem Typ, der einen Mikrostrahl erzeugen kann, der geometrische Charakteristiken aufweist, die mit jenen vollkommen gleich sind, die wenigstens einer der zu erzeugenden Strahlen mit im voraus eingestellten Charakteristiken aufweist, und außerdem wenigstens teilweise die Intensitätsverteilung eines solchen Strahls steuern kann, wobei die mikrooptischen Einrichtungen der ersten Matrix von einem Typ sind, der die Intensität von jedem der Mikrostrahlen einzeln ändern kann. Auf diese Weise werden die Aufgaben der Formung und der Verteilung der mehreren Strahlen, die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugt werden können, zwischen den beiden Matrizen der mikrooptischen Einrichtungen aufgeteilt, wodurch es ermöglicht wird, daß mit der zweiten Matrix lediglich Operationen der Intensitätsneuverteilung (die bis zur Unterdrückung einzelner Strahlen gehen können) oder Operationen, die die durch die erste Matrix erzeugten Mikrostrahlen lenken, ausgeführt werden.
Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung einiger nicht beschränkender beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung deutlich, die mit Bezug auf die Figuren der angefügten Zeichnung erfolgt, worin:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäß hergestellten Fahrzeugscheinwerfers und seines Steuerungssystems ist;
Fig. 2 einige alternativen Ausführungsformen einer konstruktiven Einzelheit der Vorrichtung von Fig. 1 darstellt;
Fig. 3 und 4 zwei mögliche Typen der Matrizen der mikrooptischen Einrichtungen veranschaulichen, die in der Vorrichtung von Fig. 1 verwendet werden können;
Fig. 5, 6 und 7 drei verschiedene Typen des optischen Elements darstellen, das in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden kann;
Fig. 8a einen Abschnitt einer Matrix aus rechteckigen Mikrolinsen darstellt;
Fig. 8b ein Fernfeldmuster der in Fig. 8a beschriebenen Matrix aus Mikrolinsen darstellt;
Fig. 9a eine mikrooptische Einrichtung darstellt, die mit dem typischen Umfang geformt ist, der den abgeblendeten Ausgangsstrahl eines Scheinwerfers definiert;
Fig. 9b das Fernfeld auf einem Schirm im Abstand 25 m ist, das sich durch die Anordnung von Fig. 9a ergibt, die eine Größe von 120 mm Durchmesser besitzt und durch den Strahl beleuchtet wird, der durch eine Fahrzeuglichtquelle mit einer Aluminium-Schutzabdeckung und einem Parabolspiegel mit einem Brennpunkt = 15,88 mm und einem äußeren Durchmesser von 116 mm erzeugt wird;
Fig. 10a zwei hintereinander angeordnete Matrizen darstellt, wobei die erste Matrix aus Mikrolinsen aufgebaut ist und die zweite Matrix sowohl aus Mikrolinsen als auch aus Mikroprismen aufgebaut ist, wobei die Mikrolinsen in Position sind;
Fig. 10b die beiden Matrizen von Fig. 10a mit einer Verschiebung darstellt, die auf die zweite Matrix derart ausgeübt wurde, daß die Mikroprismen in Position sind;
Fig. 11a eine erste Matrix der mikrooptischen Einrichtung darstellt, die im Kreisring angeordnet ist, und Fig. 11b die entsprechende zweite Matrix der mikrooptischen Einrichtung darstellt, bei der für jedes Element der ersten Matrix eine Gruppe aus zwei mikrooptischen Einrichtungen vorhanden ist, die zu verschiedenen Zeitpunkten gewählt werden können;
Fig. 12 einen Abschnitt einer Matrix aus Monofokus-Linsen mit unterschiedlichen Brennweiten darstellt, und
Fig. 13 die Änderung der Divergenz des Hüllstrahls, der die beiden Matrizen verläßt, darstellt, beginnend bei einer Zahl F des Gesamtsystems von 2.
In den Fig. 1 und 2 ist eine Beleuchtungsvorrichtung allgemein mit 100 bezeichnet, in diesem Fall ein Fahrzeugscheinwerfer, der im wesentlichen ein Gehäuse (das bekannt ist und wegen der Einfachheit nicht dargestellt ist) umfaßt, in dem eine Lichtquelle 1 und ein Reflektor 2 angeordnet sind und das durch einen durchlässigen Schirm 6, der in irgendeiner Weise vor dem Reflektor 2 und der Lichtquelle 1 angeordnet ist, nach außen hin (beispielsweise in einer flüssigkeitsdichten Weise) abgeschlossen ist. Gemäß der Erfindung sind ferner im zuvor genannten Gehäuse wiederum vor der Quelle 1 und dem Reflektor 2, aber noch vor dem Schirm 6 zwei durchlässige Halterungen 3 und 4 untergebracht, die so angeordnet sind, daß sie längs der mit A bezeichneten optischen Achse des Reflektors 2 ausgerichtet sind, wobei jede durch eine ebene dünne Schicht definiert ist, die aus einem wärmebeständigen Glas oder aus Kunststoff hergestellt ist, wobei jede Halterung 3, 4 durch ein entsprechendes Paar Oberflächen oder Flächen begrenzt ist, die für die Halterung 3 als 9a und für die Halterung 4 als 9b angezeigt sind, und die vor der Quelle 1 in bezug auf den Weg der von ihr emittierten Lichtstrahlen 7 und 8 in Reihe angeordnet sind.
In diesem Fall ist der Reflektor 2 auf der in bezug auf die Lichtquelle 1 gegenüberliegenden Seite von den Halterungen 3, 4 angeordnet und kann diejenigen durch die Quelle 1 erzeugten Lichtstrahlen 8, die nicht direkt zu den Flächen 9a, 9b gerichtet sind, zu den Flächen 9a, 9b lenken. Andererseits empfangen diese die Strahlen 7, die durch die Quelle 1 direkt zu den Halterungen 3, 4 emittiert werden. Gemäß der Erfindung sind zwei Matrizen 10, 11 (Fig. 3 und 4), die die optischen Elemente 12 bzw. 13 in Kaskadenform (in bezug auf den Weg der Strahlen 7 und 8) enthalten, auf einer der Flächen 9a der Halterung 3 und auf einer der entsprechenden Flächen 9b der Halterung 4 angeordnet.
Die Lichtquelle kann von jedem Typ sein, der monochromes Licht, polychromes, kohärentes, teilweise kohärentes oder vollständig inkohärentes Licht emittiert, sie kann z. B. eine (weißglühende) Glühlampe, eine Gasentladungslampe, eine Ionenentladungslampe oder eine Festkörper-Polymerlampe sein, oder einen Laser enthalten, wobei in diesem Fall die Verwendung der direkten Strahlen 7 nicht erwünscht ist, ferner kann die Quelle 1 in einer bekannten Weise mit einer geeigneten Abdeckklappe, die neben den Halterungen 3, 4 angeordnet ist, nach unten maskiert sein. Der Reflektor 2 ist dagegen durch eine reflektierende Oberfläche definiert, die erzeugt wird, indem eine oder mehrere Basiskurven gedreht werden, und ist im allgemeinen ein herkömmlicher parabolischer Reflektor, der deswegen äußerst einfach und ökonomisch herzustellen ist. Der äußere durchlässige Schirm 6 ist gleichfalls vorzugsweise vollständig glatt und ohne jegliche optische Funktion und kann deshalb in jeder Form hergestellt werden (eben, gekrümmt usw.) und kann bei jeder Neigung, sogar sehr steil in bezug auf die optische Achse A, angeordnet werden.
Bei Bedarf und/oder dann, wenn der Schirm eine günstige Position einnehmen muß, kann der Schirm 6 jedoch außerdem mit optischen Funktionen, z. B. mit herkömmlichen Prismen, ausgestattet sein oder kann innen an der Seite, die zu den Halterungen 3, 4 zeigt, optische Elemente des Typs der Elemente 12, 13, die in irgendeiner Weise verteilt und in irgendeiner Weise hergestellt sind, tragen. Die Matrizen 11, 12 wurden z. B. vorzugsweise direkt an den Flächen 9a und 9b durch Spritzgießen von Kunststoffen, wie etwa Polykarbonat oder PMMA, oder gemäß einer bekannten Technik auf einem durchlässigen Polymerfilm hergestellt, der wiederum als eine Flüssigbeschichtung auf den entsprechenden Flächen 9a und 9b des Substrats aufgebracht und anschließend auf dem Substrat UV-polymerisiert wurde, während das ausgesparte Original in Position ist. Wenn die thermische Belastung der ersten Matrix eine Rolle spielt, könnte die erste Matrix auf einem Glassubstrat hergestellt werden; herkömmliches Stanzen, Trocken- und Naßätzen können ebenfalls verwendet werden.
Gemäß dem in den Fig. 2, 3 und 4 schematisch Dargestellten enthalten die optischen Elemente 12 und 13 der Matrizen 10 und 11 jeweils entweder eine einzelne mikrooptische Einrichtung mit einer beliebigen äußeren Form oder eine Gruppe 15 aus einer vorgegebenen Anzahl, z. B. vier, mikrooptischen Einrichtungen, die untereinander gleich sind oder sich voneinander unterscheiden, zueinander unmittelbar benachbart angeordnet sind, eine beliebige äußere Form aufweisen, die jedoch derart ist, daß sie sich mit der äußeren Form der weiteren benachbarten mikrooptischen Einrichtungen der selben Gruppe ergänzt. Die Größe der Elemente in den beiden Matrizen definiert das Arbeitsprinzip der optischen Komponenten. Wenn die Größe einige Millimeter beträgt und die mikrooptischen Einrichtungen beispielsweise sphärische Linsen sind, dominiert die Brechung, wenn die Größe weniger als 3 mm beträgt, beginnt der Effekt der Beugung zu wirken und die Form der einzelnen mikrooptischen Einrichtungen wird für das endgültige Fernfeldmuster, das erreicht wird, wichtig. Es ist eine Neuheit dieser Erfindung, solche Arten der Hybrideffekte zu verwenden, um polychrome Strahlen ebenso wie monochrome Lichtstrahlen zu formen und chromatisch zu korrigieren. Die Elemente in den beiden Matrizen besitzen solche Größen, daß die Beugung an dem jedes Element definierenden Umfang ein entscheidender Teil der Konstruktion ist. Eine solche Art von optischen Hybridkomponenten kann von mehreren Typen sein, beispielsweise kann die einzelne mikrooptische Einrichtung eine sphärische Mikrolinse sein, wobei deren Mitte durch Brechung arbeitet und der Rand Beugung einführt. Sie kann jedoch auch eine hocheffektive reine Beugungslinse sein. In diesem Fall kann angenommen werden, daß der mittlere Teil wie eine Brechungslinse arbeitet, während ihr Umfang durch Beugung dazu beträgt, die Form des abgehenden Strahls zu definieren. In einem allgemeineren Sinn wird die Hybridoptik hier als optische Komponenten aufgefaßt, die Teile einer Matrix sind, die so bemessen ist, daß die Form der Elemente dazu beiträgt, die Form des austretenden Musters zu definieren. Ein extremer aber bedeutender Fall ist die Matrix aus rein binären Beugungslinsen mit zwei Ebenen, wenn sie rechteckig geformt ist mit geeigneter Größe und Reliefhöhe, definiert sie im Fernfeld einen rechteckigen gleichförmigen Strahl. Die optischen Elemente 12, die die Matrix bilden (Fig. 2c, 2d und 3), sind jeweils durch eine einzelne mikrooptische Einrichtung definiert. In diesem Fall können die die Matrix 10 bildenden mikrooptischen Einrichtungen 12 untereinander alle gleich sein, z. B. können alle mikrooptischen Einrichtungen eine sechseckige Form 12c (Fig. 2d) oder andernfalls eine elliptische Form (Fig. 2c) aufweisen, oder können mikrooptische Einrichtungen sein, die die selbe Umfangsform besitzen, jedoch untereinander vorgegebene Phasenveränderungen aufweisen, sie können beispielsweise Mehrfachfokus- und/oder Einzelfokus-Mikrolinsen mit unterschiedlichen Brennweiten 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22 usw. (die in Fig. 3 schematisch gezeigt sind) sein. In jedem Fall können die mikrooptische Einrichtungen, die die optischen Elemente 12 bilden, einen entsprechenden Mikrostrahl erzeugen, der in der Gesamtheit seiner geometrischen Charakteristiken (Begrenzung usw.) gesteuert wird; zum Beispiel werden die Strahlen 7, 8 beim Durchgang durch die Matrix 10 jeweils parallel laufende Mikrostrahlen 23a, 23b, wobei der erste parallel zur optischen Achse A verläuft und der zweite in bezug auf die Achse A geneigt ist, bzw. divergente Mikrostrahlen 24a, 24b mit einer unterschiedlichen Neigung zur Achse A und mit einem unterschiedlichen "Öffnungs"-winkel; bzw. konvergente Mikrostrahlen 25a, 25b erzeugen.
Andererseits wird jedes Element 13 in der Matrix 11 (siehe Fig. 2a, 2b, 4) durch Gruppen 15 von mikrooptischen Einrichtungen mit rechteckiger (Fig. 1a, 4), rautenförmiger (Fig. 2b) oder jeder anderen Form gebildet, wobei es in unterschiedlichen Relativpositionen die durch die Matrix 10 emittierten Mikrostrahlen 23, 24, 25 usw. wahlweise aufnehmen kann. Dagegen enthält gemäß der Ausführungsform von Fig. 7 jedes Element 73 eine einzelne komplexe mikrooptische Einrichtung 35 mit optischen Charakteristiken, die sich über das versorgte Gebiet ändern, so daß es angepaßt ist, wahlweise die Mikrostrahlen 23, 24, 25 an verschiedenen Punkten eines solchen Gebiets mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften aufzunehmen. In beiden Fällen sind deshalb die optischen Eigenschaften jedes optischen Elements 13 der Matrix 11 von der relativen Position der Matrix 11 in bezug auf die Matrix 10 abhängig. Gemäß der Ausführungsform der Fig. 4, 5, 6 für jedes Element 12 der ersten Matrix gibt es eine Gruppe 15 von mikrooptischen Einrichtungen in der zweiten Matrix, die ein Mehrfachelement 13 bildet; der Umfang, der diese Gruppe von Elementen umschließt, ist sowohl in Form als auch Größe mit einem der einzelnen Elemente der ersten Matrix verbunden: entweder ist die äußere Begrenzung oder die Form und Größe der Gruppe 15 mit der einzelnen mikrooptischen Einrichtungen der ersten Anordnung 10 übereinstimmend (siehe Fig. 8 und Fig. 9). Jedes optische Element 13 wird somit durch eine gleiche Gruppe aus vier untereinander verschiedenen benachbarten mikrooptischen Einrichtungen 30, 31, 32, 33 oder durch (Fig. 5 und 6) untereinander verschiedene Gruppen, z. B. 15a, 15b usw. aus mikrooptischen Einrichtungen, die wiederum untereinander verschieden sind, gebildet. Wenn das Element der ersten Matrix, wie in einem Spezialfall, rechteckig geformt ist L · L/N, kann das Element der Gruppe, das der zweiten Matrix entspricht, quadratisch sein L/N · L/N. Wenn N = 3, gibt es 3 verschiedene mikrooptische Einrichtungen in der Gruppe, die das einzelne Element der zweiten Anordnung bildet, wenn N = 4, gibt es 4 mikrooptische Einrichtungen sowie größere Anzahlen bei N = 1, 2, 3, 4, 5, ..., wobei die ganze Zahl lediglich durch technologische Aspekte begrenzt ist. Wenn das einzelne Element in der ersten Anordnung quadratisch L · L ist, kann jede mikrooptische Einrichtung in der Gruppe quadratisch mit L/N · L/N bei N = 1, 2, 3, 4, 5, ... sein, wobei es bei N = 4 für jedes Element in der ersten Matrix N · N = 16 unterschiedliche mikrooptische Einrichtungen gibt.
Wird die erste Matrix AK,M als Ganzes mit K · M Elementen betrachtet, kann das einzelne Element mit aij mit i = 1, 2, 3, 4, ... und J = 1, 2, 3, 4, ... bezeichnet werden. Wenn alle mikrooptischen Einrichtungen gleich sind, beispielsweise rechteckig mit der Größe L · H, und alle Elemente in der entsprechenden Gruppe der zweiten Matrix für jede mikrooptische Einrichtung der ersten Matrix rechteckig mit der Größe L/N · H/S sind, gibt es in der zweiten Anordnung N · S unterschiedliche mikrooptische Einrichtungen.
Die Matrix 11 kann beispielsweise eine oder mehrere Gruppen 15a, die jeweils vier mikrooptische Einrichtungen umfassen, die enthalten eine Mehrfokus- Linse 36, ein Beugungsgitter höherer Ordnung 37, eine Maske 38 und ein Hologramm 39; oder Gruppen 15b enthalten, die beispielsweise vier (oder zwei, drei, fünf, sechs usw.) mikrooptische Einrichtungen umfassen, die enthalten ein Prisma 40, eine Linse höherer Ordnung 41, eine asphärische Linse 42 und eine zylindrische Linse 43. Die Gruppe 15a oder 15b wiederholt sich über die Matrix 11 gleichbleibend oder mit in ihren Phasenfunktionen geringfügig unterschiedlichen Elementen für eine bessere Steuerung der Strahlform und Verteilung sowie der chromatischen Abweichung.
Es ist offensichtlich, daß mit Hilfe der beschriebenen Struktur durch eine relative Bewegung der Halterungen 3, 4 die Relativposition der kaskadenförmig angeordneten mikrooptischen Einrichtungen 12 und 13 geändert wird, wodurch verursacht wird, daß die durch die Matrix 10 erzeugten Mikrostrahlen 23, 24, 25 usw. wahlweise an verschiedenen Punkten der komplexen optischen Elemente 13 (Fig. 6 und 7), die unterschiedliche optische Charakteristiken aufweisen, aufgenommen werden, wobei dadurch wahlweise (Fig. 1) mehrere Gesamtlichtstrahlen 50 erzeugt werden, die durch den Schirm 6 verlaufen, wobei sich jeder von diesen aus der Summierung kohärenter, inkohärenter oder teilweise kohärenter Mikrostrahlen 51 ergibt, die von den Elementen 13 der Matrix 11 ausgehen.
Um eine korrekte Funktionsweise zu erreichen, müssen die optischen Elemente 13, die die Matrix 11 bilden, in einer Anzahl vorhanden sein, die größer oder gleich der Anzahl der entsprechenden optischen Elemente 12 der Matrix 10 ist, und müssen in jedem Fall eine Fläche aufweisen, die größer ist als diejenige Fläche, die durch die entsprechenden von der Matrix 10 erzeugten Mikrostrahlen 23, 24, 25 usw. auf die Matrix 11 projiziert wird, wobei die Projektionen in Fig. 6 und 7 mit gestrichelten bzw. starken durchgehenden Linien schematisch dargestellt sind. Auf diese Weise umfaßt die Matrix 11 immer eine Anzahl von mikrooptischen Einrichtungen, die größer ist (oder wenigstens gleich) als die der Elemente 12 der Matrix 10.
Gemäß einem weiteren Kennzeichen der Erfindung werden schließlich die mikrooptischen Einrichtungen 12, die einen Teil der ersten Matrix 10 bilden, als ein solcher Typ gewählt, daß die durch sie erzeugten Mikrostrahlen 23, 24, 25 usw. als inhärente geometrische Charakteristiken bereits alle gleichen geometrischen Charakteristiken aufweisen, für die es erwünscht ist, daß sie in wenigstens einem der durch die Vorrichtung 10 erzeugten Gesamtstrahlen 50 enthalten sind. Gemeinsam mit einer solchen Charakteristik werden die mikrooptischen Einrichtungen, die die optischen Elemente 13 der zweiten Matrix bilden, als ein Typ gewählt, der außerdem die Mikrostrahlen, die durch sie aufgenommen werden, in einer im voraus eingestellten Weise einzeln oder gleichzeitig in einer oder in mehreren der folgenden Größen moduliert werden: Intensität, Verteilung und Polarisation. Demzufolge werden die Gesamtstrahlen 50, die durch die Vorrichtung 10 erzeugt werden, gemäß der Erfindung durch die Überlagerung aller durch die mikrooptischen Einrichtungen 12 erzeugten Mikrostrahlen erzeugt und werden möglicherweise durch die mikrooptischen Einrichtungen 13 in ihren Charakteristiken außer jenen, die rein geometrischer Natur sind, modifiziert.
Mikrooptische Einrichtungen, die diese Spezifikation erfüllen, können von den unterschiedlichsten Typen sein; z. B. kann jede mikrooptische Einrichtung, die ein komplexes Element 12 oder 13 definiert (oder darstellt), durch ein bekanntes einzelnes optisches Element definiert sein, das durch eine komplexe Übertragungsfunktion des in geeigneter Weise diskret dargestellten analytischen Typs oder des digitalen Typs (z. B. die Elemente 37 und 39 von Fig. 5) beschrieben werden kann, bei dem die Funktion das Vorhandensein von binären Codes beschreibt, die durch Aussparungen (hoch/tief), kontinuierliche Profile oder durch Barrieren (Durchgang/kein Durchgang) definiert sind; deswegen können die mikrooptischen Einrichtungen, die die komplexen Elemente 12, 13 definieren, reine Phasen-Einrichtungen, d. h. sie können das gesamte einfallende Licht übertragen, oder Amplituden-Einrichtungen sein, d. h. sie absorbieren oder reflektieren einen Teil des darauf einfallenden Strahls; z. B. können die Mikromasken 38, die in der Matrix 11 zu verwenden sind, strukturierte Mikromasken des Graupegeltyps oder des binären Amplitudentyps sein.
Zur besseren Steuerung der Gleichförmigkeit des Gesamtlichtstrahls werden im Fall von polychromen Quellen 1, wie bereits beschrieben wurde, mikrooptische Einrichtungen, die sich in der Phase unterscheiden, für die komplexen Elemente 12 verwendet, z. B. solche, die sich untereinander lediglich durch die Phasenkonstante unterscheiden, die sich in Relation auf die Position der mikrooptischen Einrichtung in der Matrix ändert. Allgemeiner können die mikrooptischen Einrichtungen, die die Elemente 12 definieren, strahlbrechende mikrooptische Einrichtungen, strahlbeugende mikrooptische Einrichtungen oder strahlbrechend- strahlbeugende mikrooptische Hybrideinrichtungen sein, wohingegen die mikrooptischen Einrichtungen, die die komplexen Elemente 13 definieren, ausschließlich vom strahlbeugenden Typ oder vom strahlbrechend-strahlbeugenden Hybridtyp sind; wie bereits beschrieben wurde, können die mikrooptischen Einrichtungen der Matrix 10 ferner geformt sein (Fig. 2c, 2d, 8 und 9), um nicht nur die geometrischen Charakteristiken der Mikrostrahlen 23, 24, 25 usw. zu steuern, sondern auch um wenigstens in bestimmten Grenzen die Intensität jedes Mikrostrahls einzeln so zu ändern, damit bereits mit der Matrix 10 wenigstens ein Teil der Intensitätsverteilung der Gesamtstrahlen gesteuert werden kann, da eine bestimmte Form der Kontur kombiniert mit einem bestimmten Typ der mikrooptischen Einrichtung bereits eine im voraus eingestellte Divergenz liefert; somit ermöglicht die geeignete Kombination der Geometrie der Mikrolinsen mit ihren optischen Charakteristiken eine Modifikation der Form und der Intensität der einzelnen Mikrostrahlen, die gleichzeitig erreicht wird. Ein Beispiel von rechteckigen mikrooptischen Einrichtungen ist in den Fig. 8a und 8b dargestellt. Ein weiteres Beispiel ist in Fig. 9a dargestellt, in der die mikrooptischen Einrichtungen mit einem Umfang geformt sind, der den typischen abgeblendeten Strahl eines Scheinwerfers definiert. Der Umfang ist in ein Rechteck der Größe 2,5 mm · 1,2 mm eingeschrieben. Das entsprechende Fernfeldmuster ist in Fig. 9b dargestellt.
Spezielle Typen von mikrooptischen Einrichtungen, die bevorzugt sind, um die Erfindung auszuführen, umfassen strahlbeugende nur die Phase betreffende Binärelemente mit Zwei-Ebenen- oder Mehrebenen- oder kontinuierlichem Relief des Typs mit durch einen Computer erzeugtem Hologramm, prismatische Elemente des strahlbeugenden oder des mikrostrahlbrechenden Typs und speziell für die mikrooptischen Einrichtungen der Matrix 10 strahlbeugende, strahlbrechende oder allgemeine asphärische Hybridelemente.
Gemäß einer bevorzugten und wichtigen Variante der Erfindung ist eine der mikrooptischen Einrichtungen, die jede Gruppe 15 der Matrix 10 bilden, als ein Element des Typs mit durch einen Computer erzeugtem Hologramm (wie etwa Element 39 von Fig. 5) hergestellt, das derart geformt ist, daß es den Polarisationszustand der Mikrostrahlen ändert, die durch das Element aufgenommen werden:; diese Variante ist insbesondere für Vorrichtungen 10 nützlich, die zur Verwendung als Scheinwerfer vorgesehen sind: auf diese Weise ist es tatsächlich möglich, durch Verschieben der Halterung 3 oder 4 derart, daß diese Elemente alle Mikrostrahlen aufnehmen, die durch die Matrix 10 erzeugt werden, eine Blendwirkung beim Begegnen zu vermindern oder zu verhindern, während aufrechterhalten wird, daß die Strahlen eine hohe Leuchtstärke besitzen. Anforderungsgemäß können außerdem einige der mikrooptischen Einrichtungen der Matrix 10 aus ebenen durchlässigen Elementen des Fenstertyps bestehen, damit die Charakteristiken der Mikrostrahlen, die durch solche Elemente aufgenommen werden, nicht geändert werden.
Bevorzugte optische Elemente zur Realisierung der mikrooptischen Einrichtungen der Matrizen 10 und 11 sind außerdem strahlbeugende Subwellenlängen-Strukturen, die auch als strahlbeugende Strukturen der Null-Ordnung bekannt sind, oder Elemente, die eine große Anzahl von Lichtpunkten erzeugen können, des folgenden Typs: auffächernde Beugungsgitter, Mehrordnungs-Beugungsgitter, Dammann-Beugungsgitter und ihre Verallgemeinerungen, die symmetrische oder asymmetrische Strukturen aufweisen. Es wird deutlich, daß diese speziellen Elemente tatsächlich ermöglichen, das Problem der Erzeugung chromatischer Aberrationen im Gesamtstrahl zu mindern oder zu lösen, die mit den Verschiebungen der Wellenlängenverteilung der Lichtstrahlen, die durch die mikrooptischen Einrichtungen erzeugt werden, verbunden sind. Lösungen der chromatischen Korrektur werden hier als solche betrachtet, bei denen alle Winkel des Fernfelds sowohl von gebeugten als auch von gebrochenen Strahlen sich mit relativen Intensitäten überlappen, so daß der Strahl eine bestimmte chromatische Koordinate besitzt, d. h. weißes Licht.
Eine erste Lösung des obenerwähnten Problems besteht darin, als Matrix 10 mikrooptische Einrichtungen zu verwenden, die dispersive chromatische Charakteristiken aufweisen im Gegensatz zu jenen der entsprechenden mikrooptischen Einrichtungen der Matrix 11; deswegen ist es z. B. im Zusammenhang mit den mikrooptischen Einrichtungen des strahlbeugenden Typs für die Matrix 11 erforderlich, für die Matrix 10 ausschließlich mikrooptische Einrichtungen des strahlbrechenden Typs zu verwenden. Eine zweite Lösung des Problems besteht darin, darauf zu achten, daß wenigstens eine der beiden Matrizen 10, 11 ausschließlich rein die Phase beeinflussende mikrooptische Einrichtungen des Kinoform-Typs mit einer höheren Ordnung als die erste Ordnung enthält, die strahlbrechende/strahlbeugende Hybrid-Mikrolinsen enthalten, die ausreichend dick sind, um eine Brechung zu erzielen und mit Aussparungen von unterschiedlicher Höhe versehen sind, die als ein Beugungsgitter angeordnet sind, um eine Beugung zu erzielen. Kinoform-Einrichtungen mit einer höheren Ordnung als vier haben sich für die chromatische Steuerung von Beleuchtungsvorrichtungen als ausreichend erwiesen.
Eine weitere Lösung des Problems besteht darin, für eine der Matrizen 10 oder 11 mikrooptische Einrichtungen des Monofokustyps zu verwenden, die alle voneinander verschieden sind und in der Matrix so verteilt sind, daß sie die chromatischen Aberrationen korrigieren, die im Gesamtstrahl 50 vorhanden sind. In diesem Fall erfolgt dies derart, daß man durch den Effekt der kohärenten Addition der einzelnen Mikrostrahlen eine Kombination von weißem Licht erhält. Fig. 12 ist ein Beispiel einer Matrix mit Monofokuslinsen mit unterschiedlichen Brennweiten, die eingeführt wurden, um die restliche chromatische Aberration zu reduzieren; eine erhöhte Gleichförmigkeit des Strahls wurde außerdem nachgewiesen.
Eine weitere mögliche Lösung besteht darin, Matrizen aus mikrooptischen Einrichtungen zu verwenden, die aus strahlbeugenden Monofokuselementen aufgebaut sind, wie etwa die Elemente 16, 22, die in Fig. 3 schematisch dargestellt sind, und das reelle Element 36, das in Fig. 5 dargestellt ist; auf diese Weise werden die erzeugten Mikrostrahlen, die längs der optischen Achse in Mehrfachpunkten jeweils pro Wellenlänge fokussiert werden, im Gesamtstrahl 50 wiedervereinigt.
Eine weitere Lösung, die auf den früher beschriebenen Fall angepaßt werden kann, bei dem für die Matrizen 10, 11 Elemente verwendet werden, die eine große Anzahl von Lichtpunkten erzeugen können, wie etwa auffächernde Beugungsgitter, Dammann-Beugungsgitter usw. (Fig. 5, Element 37), besteht darin, daß mikrooptische Einrichtungen verwendet werden, die so beschaffen sind, daß sie zwischen den Lichtpunkten, die durch die mikrooptischen Einrichtungen der Matrix 10 erzeugt werden, und jenen, die durch die mikrooptischen Einrichtungen der Matrix 11 erzeugt werden, eine teilweise Überlagerung erzeugen; effektiv erzeugt eine solche Überlagerung, wenn sie in geeigneter Weise erfolgt, eine Rekombination der chromatischen Aberrationen, die in den einzelnen Mikrostrahlen vorhanden sind, in der Nähe von im voraus eingestellten Wellenlängen, in diesem Fall weißes Licht. Eine Beschreibung des Verfahrens der Erzeugung einer sehr großen Anzahl von Lichtpunkten wird beispielsweise in der Schrift "Analytic initial approximation for multi-order binary grating design" von L. Doskolovitch u. a. in Pure ed Applied Optics.3 (1994), S. 921-930 gegeben.
Im Gebrauch ist die Halterung 3 fest in bezug auf die Quelle 1, wohingegen die Halterung 4 mit einem Betätigungselement 5 verbunden ist, das ein Aktuator jedes bekannten Typs sein kann, z. B. ein elektromechanischer, piezoelektrischer, polymorpher, magnetorestriktiver, elektrostatischer Wandler usw., der die Halterung 4 relativ zur Halterung 3 gemäß einem, zweier oder mehrerer Betriebsarten, die in Fig. 1 durch Pfeile angezeigt sind, bewegen kann, beispielsweise um die Halterung 4 vertikal und/oder horizontal (d. h. senkrecht zur Blattebene)(Pfeile 60 und 61, wobei der Pfeil 61 perspektivisch dargestellt ist) zu verschieben, um die Halterung 4 parallel zur optischen Achse A von der Halterung 3 weg oder zu dieser hin zu bewegen (Pfeil 64) oder um die Halterung 4 so zu drehen, daß ihre Neigung in bezug auf die optische Achse A geändert wird (Pfeil 65). In einer bevorzugten Ausführungsform sind die mikrooptischen Einrichtungen im Kreisring angeordnet, wie jene, die in Fig. 11 dargestellt sind. Fig. 11a stellt die erste Matrix 10 und Fig. 11b stellt die zweite Matrix 11 in kaskadenförmiger Anordnung dar. Für jedes Element 12 der ersten Matrix 10 gibt es eine Gruppe aus zwei mikrooptischen Einrichtungen 15, die in der zweiten Matrix 11 ein entsprechendes Element 13 bildet. Die Wahl von einer der beiden Einrichtungen ist durch eine einfache Drehung von einer Matrix möglich. Die Anordnung der mikrooptischen Einrichtungen auf Spiralen ist möglich und in einfacher Weise durchführbar.
Diese Bewegungen werden durch die Betätigung des Aktuators 5 (oder einer Reihe von Aktuatoren 5, die jeweils darauf spezialisiert sind, eine der beschriebenen Einzelbewegungen zu bewirken) mit Hilfe einer zentralen Steuereinheit 80 gesteuert, die Befehle von einem Anwender über entsprechende Tastschalter/Schalter, die nicht dargestellt sind, oder über Signale von beispielsweise einem Sensor 81 des Lenkwinkels, einem Sensor 82 der Fahrgeschwindigkeit, einem Sensor 83 der meteorologischen Bedingungen (Feuchtigkeit, Nebel usw.) empfangen kann, um diese mit einem in der Einrichtung gespeicherten Programm zu verarbeiten, damit entsprechende Befehle für den Aktuator 5 erzeugt werden.
In jedem Fall bestimmen die Relativbewegungen zwischen den Halterungen 3 und 4 (es ist offensichtlich außerdem möglich, beide Halterungen 3, 4 zu bewegen oder die Halterung 4 festzuhalten und lediglich die Halterung 3 zu bewegen) die Relativverschiebungen zwischen den Elementen 12 und den Elementen 13, die verursachen (Fig. 6 und 7), daß ein und derselbe Mikrostrahl, der durch die Matrix 10 erzeugt wird, auf unterschiedliche Zonen (wenigstens zwei) einer entsprechenden komplexen (oder hybriden) mikrooptischen Einrichtung 35 der Matrix 11 fällt (die mikrooptischen Einrichtungen sind an ihrem Rand so geformt und sind so bemessen, daß unterschiedliche Zonen in verschiedener Weise zur Strahlformung beitragen können), oder auf unterschiedliche mikrooptische Einrichtungen der selben Gruppe 15 der Matrix 11 fällt, oder daß der Mikrostrahl wiederum in dem Fall, bei dem die Gruppe 15 eine geringere Anzahl aufweist als die Elemente 12, auf zwei unterschiedliche mikrooptische Einrichtungen 42, 43 von ein und derselben Gruppe 15 der Matrix 11 gespreizt wird. Auf diese Weise kann jeder durch die Matrix 10 erzeugte Mikrostrahl "verarbeitet" werden und durch die Matrix 11 in Intensität, Wellenlängenverteilung und Polarisation auf mehrere Arten korrigiert werden (in diesem Beispiel wenigstens vier verschiedene Arten in dem Fall, daß die Matrix 11 aus Gruppen 15 von vier Elementen gebildet ist, die in einer gleichen Anzahl wie die Elemente 12 vorhanden sind), wodurch demzufolge Gesamtstrahlen 50 mit unterschiedlichen Verteilungscharakteristiken erzeugt werden, die beispielsweise mit Ausschnitten versehen sind, siehe Fig. 5, Element 38 (deswegen geeignet, um Antinebel-Strahlen oder abgeblendete Strahlen zu bilden), die eine unterschiedliche Begrenzung aufweisen (deswegen geeignet, um ein und denselben Sektor unterschiedlich zu beleuchten).
Es ist außerdem selbstverständlich, daß die beschriebene Steuerung nicht nur im diskreten Modus sondern auch im kontinuierlichen Modus ausgeführt werden kann, wobei es in diesem Fall durch die Verwendung der mikrooptischen Einrichtungen, wie etwa der mikrooptischen Einrichtungen 35, deren optischen Charakteristiken sich über ihrem Bereich kontinuierlich ändern, beispielsweise möglich ist, die Neigung (seitlich und/oder vertikal) des Strahls 50 kontinuierlich als eine Funktion des Lenkwinkels zu ändern, um beispielsweise einer Biegung zu folgen, indem der Strahl 50 als eine Funktion der Position des Fahrzeugs in der Biegung gedreht wird.
Funktionsweise einer typischen bevorzugten Ausführungsform Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und die Fig. 9a und 9b, die eine mit einer Schutzschicht versehene Parabolform aus Aluminium mit einer Brennweite von F = 15,88 mm, die bei einem äußeren Enddurchmesser von 116 mm abgeschnitten ist, eine H1-Lichtquelle, die in Fahrzeugen typischerweise verwendet wird, eine Matrix aus unbeschichtetem Glas mit mikrooptischen Einrichtungen, die wie jene geformt sind, die in Fig. 9a in ein Rechteck von 2,5 mm · 1,2 mm eingeschrieben sind, und gleichfalls aus Polykarbonat verwenden, ist in Fig. 9b das Fernfeldmuster (auf einem Standardschirm bei 25 m) dargestellt. Der gemessene Wirkungsgrad des Systems, das Verhältnis aus dem von der Quelle emittiertem Fluß und dem Fluß, der das System verläßt, wurde auf 72% berechnet. Die Verwendung von Quellen mit metallischen Abdeckungen vereinfacht die Steuerung des Strahls, der Betrag des direkten Lichts wird tatsächlich vollständig eliminiert.
Für diese Größe der mikrooptischen Einrichtungen in der Anordnung wird die Anpassungsfähigkeit des Systems durch Aktuatoren mit verhältnismäßig mittlerer Genauigkeit erreicht, da keine Auflösung im Mikrometerbereich erforderlich ist, wohingegen eine Stabilität gegenüber Vibrationen und ein Widerstand gegen mechanische und thermische Belastungen erforderlich sind. Obwohl verschiedene Formen der kostengünstigen Betätigung möglich sind, hat sich der herkömmliche elektromechanische Schrittmotor als die effektivste Form erwiesen. Außerdem wurden stetig arbeitende elektromechanische Motore und Piezomotore erfolgreich erprobt.
Bei einer typischen Lösung ist die adaptive Funktionsweise des Systems durch eine teleskopförmige Anordnung, die in Fig. 10a dargestellt ist, implementiert worden, in der zwei positive mikrooptische Einrichtungen kombiniert sind. Wenn beispielsweise die mikrooptischen Einrichtungen der ersten Matrix 10 aus quadratischen sphärischen Mikrolinsen mit der Brennweite F, mit der Höhe H und mit der F-Zahl K aufgebaut sind, und wenn die zweite Matrix 11, die aus sphärischen Mikrolinsen mit der Brennweite F/2 und mit der gleichen F-Zahl K aufgebaut ist, in einem Abstand F/2 von der ersten Matrix angeordnet ist, ist die F-Zahl des Gesamtsystems auf K/2 halbiert. Die mit der Herstellung von Vorrichtungen mit kleinen F-Zahlen verbundenen technologischen Entwicklungen, die erforderlich sind, um die korrekte Divergenz des Scheinwerferstrahls zu erreichen, sind somit auf die Konstruktion der beiden Matrizen 10, 11 aufgeteilt.
Die Steuerung der Divergenz kann erreicht werden, indem der Abstand zwischen den beiden Matrizen 10, 11 verändert wird. Fig. 13 erläutert die Änderung der Divergenz des Hüllstrahls, der die beiden Matrizen verläßt, ausgehend von einer F-Zahl des Gesamtsystems von 2. Eine Bewegung von einigen Millimetern hat sich für die typische adaptive Steuerung der Divergenz des Scheinwerfers als ausreichend erwiesen.
Fig. 10b beweist im Vergleich zu Fig. 10a die Wirkung des Umschaltens von einer mikrooptischen Einrichtung 15a der zweiten Matrix zu einer anderen mikrooptischen Einrichtung 15b der selben Gruppe, die jeweils ein Element 13 bilden, in diesem Fall von einer Mikrolinse 15A zum Prisma 15b, die in analoger Form dargestellt sind; der Strahl 50a bzw. 50b ändert seine Richtung. Diese Situation ist insbesondere in vielen Fahrzuständen äußerst nützlich.

Claims

1. Adaptive Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere Fahrzeugscheinwerfer, der wahlweise mehrere Lichtstrahlen mit unterschiedlichen im voraus eingestellten Charakteristiken emittieren kann, des Typs, der eine Lichtquelle, eine erste und eine zweite durchlässige Halterung (3, 4), die vor der Quelle (1) angeordnet und mit ersten bzw. zweiten optischen Elementen versehen sind, einen Reflektor (2), der auf der gegenüberliegenden Seite der Halterungen (3, 4) angeordnet ist, um die Lichtstrahlen, die von der Quelle (1) nicht direkt zu den Halterungen emittiert werden, zu den Halterungen zu lenken, und Aktuatormittel (5) zum relativen Bewegen der Halterungen vor der Quelle umfaßt; wobei die ersten optischen Elemente (12) jeweils durch eine einzelne mikrooptische Einrichtung definiert sind und auf der ersten Halterung (3) in Form einer ersten Matrix (10) aus mikrooptischen Einrichtungen angeordnet sind, die für jedes Element einen entsprechenden Mikrostrahl erzeugen kann, der in seinen gesamten geometrischen Charakteristiken gesteuert wird; und wobei die zweiten optischen Elemente (13) auf der zweiten Halterung in Form einer zweiten Matrix (11) aus mikrooptischen Einrichtungen angeordnet sind, die kaskadenförmig zur ersten Matrix angeordnet ist; wobei jedes zweite optische Element entweder eine einzelne mikrooptische Einrichtung mit optischen Charakteristiken enthält, die sich über dem vom ihr versorgten Bereich ändern, oder eine Gruppe von untereinander verschiedenen mikrooptischen Einrichtungen (30-33), die zueinander benachbart angeordnet sind, enthält, wobei die zweiten optischen Elemente derart bemessen sind, daß als Antwort auf eine Relativbewegung, wie etwa eine Verschiebung, eine Drehung oder eine Drehverschiebung, der beiden Halterungen die Mikrostrahlen die zweiten Elemente wahlweise in unterschiedlichen Zonen erreichen, die unterschiedliche optische Eigenschaften besitzen, wodurch eine adaptive Formung der mehreren Lichtstrahlen, die von den Elementen der zweiten Matrix ausgehen, erreicht wird.

2. Adaptive Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der jedes der zweiten optischen Elemente der zweiten Matrix durch eine einzelne mikrooptische Hybrideinrichtung oder durch eine mikrooptische Einrichtung definiert ist, die an ihrem Rand so geformt und bemessen ist, daß sie wenigstens zwei Zonen aufweist, die so beschaffen sind, daß sie in unterschiedlicher Weise zur Strahlformung beitragen.

3. Adaptive Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der alle mikrooptischen Einrichtungen, die die erste Matrix bilden, untereinander gleiche mikrooptische Einrichtungen sind.

4. Adaptive Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der wenigstens einige der mikrooptischen Einrichtungen, die die erste Matrix bilden, untereinander dadurch verschieden sind, daß sie lediglich verschiedene im voraus definierte Phasenänderungen aufweisen.

5. Adaptive Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Phasenänderungen konstant, periodisch oder quasiperiodisch sind.

6. Adaptive Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die mikrooptischen Einrichtungen der ersten Matrix jeweils von einem Typ sind, der einen Mikrostrahl mit geometrischen Charakteristiken erzeugen kann, die gleich jenen von wenigstens einem der zu erzeugenden Strahlen mit im voraus eingestellten Charakteristiken sind.

7. Adaptive Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 6, bei der die ersten mikrooptischen Einrichtungen außerdem wenigstens teilweise die Intensitätsverteilung von wenigstens einem der Strahlen mit im voraus eingestellten Charakteristiken steuern, indem sie von einem Typ sind, der die Intensität von jedem der Mikrostrahlen einzeln ändern kann.

8. Adaptive Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die mikrooptischen Einrichtungen von wenigstens einer Matrix von den ersten und zweiten Matrizen einen äußeren Umfang mit der Form und Abmessung besitzen, um unabhängig von den optischen Charakteristiken der mikrooptischen Einrichtung eine Modifikation der Form und/oder der Intensität der Mikrostrahlen zu bestimmen.

9. Adaptive Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die zweite Matrix aus mikrooptischen Einrichtungen eine Anzahl von mikrooptischen Einrichtungen enthält, die größer oder gleich der Anzahl der optischen Elemente der ersten Matrix aus mikrooptischen Einrichtungen ist und jeweils Bereiche aufweist, die größer sind als diejenigen, die durch jeden der durch die erste Matrix aus mikrooptischen Einrichtungen erzeugten entsprechenden Mikrostrahlen auf die zweite Matrix projiziert werden.

10. Adaptive Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 9, bei der alle zweiten optischen Elemente, die die zweite Matrix aus mikrooptischen Einrichtungen bilden, untereinander gleich sind.

11. Adaptive Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 9, bei der wenigstens einige der zweiten optischen Elemente, die die zweite Matrix aus mikrooptischen Einrichtungen bilden, voneinander verschieden sind.

12. Adaptive Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die mikrooptischen Einrichtungen, aus denen die ersten und zweiten Matrizen gebildet sind, aus der Gruppe gewählt sind, die enthält: strahlbrechende mikrooptische Einrichtungen, strahlbeugende mikrooptische Einrichtungen, strahlbrechend-strahlbeugende mikrooptische Hybrideinrichtungen, die jeweils vom reinen Phasentyp oder vom Amplitudentyp und vom analytischen Typ oder vom digitalen Typ sind.

13. Adaptive Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Lichtquelle aus der Gruppe gewählt ist, die enthält: Glühlampen, Gaslampen, Ionenentladungslampen oder Feststoff-Polymerlampen; wobei der Reflektor durch eine reflektierende Oberfläche definiert ist, die durch Drehen einer oder mehrerer Basiskurven erzeugt wird; und wobei die Vorrichtung ferner einen äußeren durchlässigen Schirm enthält, der vor den Halterungen angeordnet ist, so daß er von den mehreren Gesamtstrahlen durchstrahlt wird.

14. Adaptive Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 13, bei der der äußere durchlässige Schirm vollständig glatt und ohne jede optische Funktion ist.

15. Adaptive Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die mikrooptischen Einrichtungen, die die zweite Matrix bilden, prismatische Elemente des strahlbeugenden oder des mikrostrahlbrechenden Typs enthalten.

16. Adaptive Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die mikrooptischen Einrichtungen, die die zweite Matrix bilden, strahlbeugende, strahlbrechende oder allgemeine asphärische Hybridelemente enthalten.

17. Adaptive Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die mikrooptischen Einrichtungen, die die zweite Matrix bilden, strahlbeugende Binärelemente des reinen Phasentyps mit Zweiebenen-, Mehrebenen- oder kontinuierlichem Relief des Typs mit durch einen Computer erzeugtem Hologramm enthalten.

18. Adaptive Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 17, bei der die mikrooptischen Einrichtungen der zweiten Matrix Elemente des Typs mit durch einen Computer erzeugtem Hologramm enthalten, die geformt sind, um den Polarisationszustand der Mikrostrahlen, die durch die zweite Matrix aufgenommen werden, zu ändern.

19. Adaptive Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die mikrooptischen Einrichtungen, die die zweite Matrix bilden, ebene durchlässige Elemente des Fenstertyps enthalten, um die Charakteristiken der Mikrostrahlen, die durch sie aufgenommen werden, nicht zu ändern.

20. Adaptive Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die mikrooptischen Einrichtungen, die die zweite Matrix bilden, strukturierte Mikromasken des Graustufentyps oder des binären Amplitudentyps enthalten.

21. Adaptive Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die mikrooptischen Einrichtungen, die die zweite Matrix bilden, strahlbeugende Subwellenlängen-Strukturen (strahlbeugende Strukturen der Ordnung null) enthalten.

22. Adaptive Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der wenigstens die mikrooptischen Einrichtungen, die die zweite Matrix bilden, von einem Typ sind, der eine große Anzahl von Lichtpunkten erzeugen kann, beispielsweise des folgenden Typs: auffächernde Beugungsgitter, Mehrordnungs-Beugungsgitter, Dammann-Beugungsgitter und ihre Verallgemeinerungen mit symmetrischen oder asymmetrischen Strukturen.

23. Adaptive Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die mikrooptischen Einrichtungen der ersten Matrix im Gegensatz zu den Charakteristiken der entsprechenden mikrooptischen Einrichtungen der zweiten Matrix zerstreuende chromatische Charakteristiken aufweisen.

24. Adaptive Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, bei der die mikrooptischen Einrichtungen der ersten Matrix ausschließlich vom strahlbrechenden Typ sind.

25. Adaptive Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, bei der wenigstens eine der ersten und zweiten Matrizen aus mikrooptischen Einrichtungen ausschließlich mikrooptische Einrichtungen des reinen Phasentyps und des Kinoform-Typs mit einer höheren Ordnung als der ersten Ordnung enthält.

26. Adaptive Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, bei der die mikrooptischen Einrichtungen der zweiten Matrix mikrooptische Monofokus-Einrichtungen sind, die sich voneinander unterscheiden und in der zweiten Matrix so verteilt sind, daß sie die chromatischen Aberrationen, die in den Mikrostrahlen enthalten sind, in der Nähe von im voraus eingestellten Wellenlängen korrigieren.

27. Adaptive Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, bei der wenigstens eine der ersten und zweiten Matrizen aus mikrooptischen Einrichtungen mikrooptische Mehrfokus-Einrichtungen enthält.

28. Adaptive Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 22, bei der die mikrooptischen Einrichtungen der zweiten Matrix eine teilweise Überlagerung zwischen den Lichtpunkten, die durch die ersten und/oder zweiten optischen Elemente erzeugt werden, herstellen kann, so daß eine Fernfeldkorrektur der chromatischen Aberrationen, die in den Mikrostrahlen vorhanden sind, bestimmt werden kann.

29. Adaptive Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Aktuatormittel eine oder beide Halterungen in bezug auf die Quelle verschieben können.

30. Adaptive Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Aktuatormittel wenigstens einen Wandler enthalten, der aus der Gruppe gewählt ist, die enthält: elektromechanische, piezoelektrische, polymorphe, magnetorestriktive und elektrostatische Wandler.

31. Adaptive Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Aktuatormittel durch eine zentrale Steuereinheit gesteuert werden, die mit wenigstens einem der folgenden Sensoren verbunden ist: Lenkwinkelsensor, Fahrgeschwindigkeitssensor, Sensor für meteorologische Bedingungen.