EP1554521A1 - Led-scheinwerfer zur asymmetrischen ausleuchtung - Google Patents

Led-scheinwerfer zur asymmetrischen ausleuchtung

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EP1554521A1
EP1554521A1 EP03758006A EP03758006A EP1554521A1 EP 1554521 A1 EP1554521 A1 EP 1554521A1 EP 03758006 A EP03758006 A EP 03758006A EP 03758006 A EP03758006 A EP 03758006A EP 1554521 A1 EP1554521 A1 EP 1554521A1
Authority
EP
European Patent Office
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optics
light
lighting device
semiconductor light
light sources
Prior art date
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Granted
Application number
EP03758006A
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English (en)
French (fr)
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EP1554521B1 (de
Inventor
Manfred Griesinger
Markus Hartlieb
Wilhelm Kincses
Hans-Georg Leis
Siegfried Rothe
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
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Filing date
Publication date
Priority claimed from DE10310263A external-priority patent/DE10310263A1/de
Application filed by DaimlerChrysler AG filed Critical DaimlerChrysler AG
Publication of EP1554521A1 publication Critical patent/EP1554521A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1554521B1 publication Critical patent/EP1554521B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V13/00—Producing particular characteristics or distribution of the light emitted by means of a combination of elements specified in two or more of main groups F21V1/00 - F21V11/00
    • F21V13/02—Combinations of only two kinds of elements
    • F21V13/04—Combinations of only two kinds of elements the elements being reflectors and refractors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
    • F21S41/00—Illuminating devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. headlamps
    • F21S41/30—Illuminating devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. headlamps characterised by reflectors
    • F21S41/32—Optical layout thereof
    • F21S41/322—Optical layout thereof the reflector using total internal reflection
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V7/00—Reflectors for light sources
    • F21V7/0091—Reflectors for light sources using total internal reflection
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Definitions

  • the invention relates to an LED headlight, which has an asymmetrical illumination characteristic, and a method for operating such a headlight in accordance with the preamble of claims 1 and 10.
  • a vehicle headlight must be designed in such a way that it forms the light it emits in such a way that the result the superimposition of the emerging light creates a light distribution prescribed for vehicle headlights; in particular, the formation of a clear cut-off line and an asymmetrical characteristic of the illumination are necessary to avoid the glare of oncoming traffic.
  • the lighting system described in US Pat. No. 6,144,158 A generates an illumination characteristic by using a field of semiconductor lasers or alternatively a deflection device for the light beam of an individual semiconductor laser, which has the clear light-dark limit required in road traffic and an asymmetrical characteristic.
  • the use of a laser light source which is necessary for the bundling of light but is not very robust and expensive in terms of vibrations has a disadvantage in relation to the possibilities of an economically sensible implementation.
  • a headlamp realized on the basis of inexpensive LED light sources is known from the document DE 100 05 795 AI. In doing so, its lighting characteristics become more variable
  • Headlights realized by a field of single emitters with at least one optics arranged in front of each single emitter. Each of these optics can be shifted 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 rotation-symmetrical light distribution typical of the related LED optics, which has a large opening angle, no light distribution corresponding to the regulations of road traffic and having a clear light-dark limit can be created.
  • the lighting optics are formed by a field (array) of individual optics.
  • the individual optics are made as flat as possible in accordance with the invention, so that the light entry opening of the optics has an elongated, essentially rectangular shape.
  • Each individual lens has a central area perpendicular to the light entry surface, the projection of which into a two-dimensional plane corresponds to a cylindrical 2-dimensional carto oval.
  • a Kartoval is a geometric surface that, as the boundary surface of a refractive medium, collects the light from a focal point in a second focal point, even for large opening angles.
  • the light exit surface of the optics shaped in the form of a carto oval is combined with a parabolic reflector within the scope of the invention.
  • FIG. 1 shows the beam geometry on which the refraction at the light exit surface of the optics is based.
  • FIG. 2 shows the contour line of a carto oval resulting from the calculation.
  • Figure 3 represents that originating from a point source
  • FIG. 4 shows a 3-dimensional view of an optical system according to the invention.
  • Figure 4a forms the optics shown in Figure 4 as
  • FIG. 5 shows a cross section through the optics according to the invention with the necessary adaptation of the parabolic contour of the reflector.
  • FIG. 6 shows the energy distribution of the light emerging from the optics according to the invention.
  • FIG. 7 shows schematically the part of an alternative embodiment of the optics based on a “composite parabolic reflector”.
  • FIG. 8 schematically shows a further alternative embodiment of the optics (with a view of the light inputs step surface), by means of which the light cone emanating from the optics can be specifically curved.
  • FIG. 9 shows the energy distribution of an alternative optic corresponding to FIG. 8.
  • FIG. 10 describes the positioning of semiconductor light sources on the optics according to the invention
  • FIG. 1 shows the radiation geometry on which the calculation is based.
  • Light beam 20 is intended to represent that light which emerges vertically from light source 60 without refraction from wall 10 of the optics from its light exit surface.
  • the required angle of incidence ⁇ is calculated as a function of ⁇ in order to allow the light to exit the element in a parallel direction. From (1.1) and (1.2) it follows:
  • equation 1.7 described in polar coordinates can be also transfer to the Cartesian coordinate system, which gives the following equation (1.8): b + if (1.8)
  • Kartovals described can only parallelize the light of a point source in a limited angular range. This angular range is specified by the limit range of total reflection.
  • FIG. 3 shows the beam path of the light beams 21a-d for a point source 60 and the resulting critical angle ⁇ .
  • the contour of the light exit surface of the optics in the form of a carto oval ensures that all exit from the light source 60 within twice the critical angle (U g)
  • the lighting optics which essentially have the shape of a two-dimensional carto oval, are combined with a parabolic reflector , This reflector should also have the property of converting light from the focal point into a parallel bundle.
  • the inventive optics are quite flat, the light entry opening F having an essentially rectangular cross section, one dimension of the cross-section being significantly smaller than the other; as explained below with reference to FIG.
  • the rectangular cross section is advantageously made so narrow that just one semiconductor light source 60 can just be attached to the entire surface of the optics.
  • a 3-dimensional edge image of this optics is shown in four different views in FIG. 4a. The illustrations there emphasize the edges of the optics, as do the hatched areas A, B and 10 (light exit opening).
  • FIG. 5 shows the projection of the side surface E of the optics according to the invention, the contour of the cardio-shaped central region and the parabolic reflector adjoining it on the outside clearly appear.
  • the reflector is now ideally designed in such a way that refraction takes place in the regions 40a and 40b of the contour corresponding to the surfaces C and D when the beam 23a emerges so that the beams 23a and 21 emerging from the optics run in parallel.
  • the course of the light beam 23a should in this case be turned by rotating the parabola contour 41a corresponding to the outer surfaces A and B of the optics
  • Direction towards 41b can be influenced.
  • the parabolic contour 41 must be turned inwards by the necessary angle in order to avoid that a light beam 23x is removed from the optics. occurs, which does not run parallel to the other parallel beam.
  • FIG. 6 shows the energy distribution of the light emerging from the optics according to the invention.
  • the intensity profile of the light emanating from a horizontally arranged optic is shown in a false color representation.
  • the intensity distribution in the x-direction and y-direction is shown in curve form. This makes it clear that the light beam emerging from the optics is strongly bundled in the y direction. The light intensity emanating from the optics is also clearly localized in the x direction.
  • FIG. 6 shows the energy distribution of the light emerging from the optics according to the invention.
  • the intensity profile of the light emanating from a horizontally arranged optic is shown in a false color representation.
  • the intensity distribution in the x-direction and y-direction is shown in curve form. This makes it clear that the light beam emerging from the optics is strongly bundled in the y direction.
  • the light intensity emanating from the optics is also clearly localized in the x direction.
  • the horizontal width of the light spot can be influenced in a particularly advantageous manner by inclining the side surfaces E of the optics in such a way that the optics tapers from the light exit surface G to the light entry surface F.
  • a corresponding geometry is shown in FIG. 7, which shows a side view from the direction of the side surfaces A and B. It is clear that in this profitable embodiment of the invention the height expansion Fj of the light entry surface F of the optics is smaller than the height expansion Gj whose light exit surface is 10.
  • Such elements in particular also with parabolic side surfaces, are known from solar technology (CPC, compound parabolic concentrator).
  • Equation (1.8) shows that increasing the exit area reduces the angular range in which the light is emitted.
  • FIG. 7 shows, by way of example, with a dashed line, the curvature profile of the side surface E for a parabolic curvature.
  • a suitable parabolically shaped reflector can be adapted according to the invention to a cartoval central region shaped in this way, in order to optimally utilize the light emitted by the light source.
  • the cross section of the light entry surface F of the latter deviating from the generally rectangular shape, has a trapezoidal shape, as shown in FIG.
  • the side surfaces of this trapezoidal shape are inclined by the angles ⁇ and ⁇ relative to the horizontal. It is conceivable that the two angles of inclination and ß are the same in their amount or else to choose different from each other.
  • FIG. 9 shows the result of a calculation of the energy distribution of the light emerging from the advantageous optics with inclined side surfaces.
  • the angle of inclination and ⁇ were chosen to be 5 ° and 7 °, respectively.
  • the intensity profile of the light emanating from an essentially vertically arranged optic is again shown in false color.
  • the intensity distribution at certain positions in the x-direction and y-direction is shown in curve form.
  • the radiation characteristic of the optics in the far field contrary to the case shown in FIG. 6, has a clear curvature perpendicular to the radiation direction.
  • this radiation characteristic also shows a clear light / dark transition. In this simulation, too, it was assumed that the light source was centered with respect to the light entry surface F of the optics is attached.
  • FIG. 10 shows the projection of the light entry surface F of the optics according to the invention, in this case with a rectangular cross section, with a semiconductor light source 60 adjoining it in the center.
  • the semiconductor light source 60 is applied centrally on the light entry surface as shown in FIG. 110.
  • the thickness dimension of the optics is selected in a profitable manner so that it exceeds the dimensions of the semiconductor light source 60 as little as possible.
  • optics are created with an optimally small space requirement, which makes it possible to accommodate a large number of optics within an illumination source according to the invention in the smallest space and thus to achieve maximum light output.
  • By moving the semiconductor light source 60 along the connecting line between the points P1 and P2 it is achieved that the light emerges asymmetrically from the optics.
  • the optics for the lighting device When arranging the optics for the lighting device according to the invention, it is advantageously conceivable to individually arrange the individual semiconductor light sources 60 for the respective optics arranged in a field in such a way that the lighting device has an asymmetrical radiation characteristic. In addition or as an alternative, however, it is also conceivable to achieve the asymmetrical radiation characteristic by arranging individually shaped optics adapted to the desired light emission, in which case it is conceivable for some of the optics with a rectangular light entry surface F (corresponding to FIG. 10) and another part of the optics with trapezoidal light entry surfaces F (corresponding to FIG. 8). The optics can also at least partially correspond in a profitable manner. chend be executed in the embodiment shown in Figure 7.
  • a swiveling of the luminous cone emitted by the device or generally a change in the asymmetrical lighting properties of the lighting device can be effected in a simple manner by means of electronic control, in each case by one of the several semiconductor light sources assigned to an optical system is controlled.
  • Such an alternate control of the light sources attached to an individual optic leads to the same beam swiveling as is the case from the prior art for displaceably arranged lens optics, without however having to resort to a fragile, less robust mechanism.
  • this advantageous embodiment also offers the possibility of individually controlling the individual optics within a group of optics without effort, which is not economically feasible in a mechanically variable deflection device.
  • the lighting device is designed such that the semiconductor light sources can be dimmed or activated or deactivated independently of the others, individually or in groups, in order to be able to illuminate the surroundings in a targeted and situation-appropriate manner.
  • the inventive lighting device is suitable for use as a headlight in a motor vehicle in order to asymmetrically illuminate the surroundings in front of the vehicle.
  • the individual optics assigned to the headlight are aligned with respect to the road surface in such a way that the x-axes of the optics run essentially parallel to it; ie the individual optics should be arranged essentially vertically (corresponding to, for example, FIG. 4).

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Non-Portable Lighting Devices Or Systems Thereof (AREA)

Abstract

Die Erfindung beschreibt einen neuartige Scheinwerfer, welcher über eine asymmetrische Beleuchtungscharakteristik verfügt, zugleich eine deutliche Hell-Dunkel-grenze 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 werden, so dass die Lichteintrittsöffnung der Optik eine längliche, im wesentlichen rechteckige Form aufweist. Desweiteren weisen die Optiken senkrecht zur Lichteintrittsfläche (F) 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 Licthaustrittsfläche (G) der Optik, miteinem parabolischen Reflektor (A, B) kombiniert.

Description

LED-Scheinwerfer zur asymmetrischen Ausleuchtung
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.
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-Vorschrif- ten 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. 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 j edoch die Verwendung einer für die Lichtbündelung notwendigen, gegen- über Erschütterungen aber wenig robusten und teuren Laserlichtquelle aus .
Ein auf Basis kostengünstiger LED-Lichtquellen realisierter Scheinwerfer ist aus der Schrift DE 100 05 795 AI bekannt . Dabei wird ein in seiner Leuchtcharakteristik variabler
Scheinwerfer, durch ein Feld von Einzelemittern mit wenigstens einer vor j edem Einzelemitter angeordneten Optik realisiert . Jede dieser Optiken kann gegenüber den Einzelelementen in allen drei Raumrichtungen verschoben werden, um den j ewei- ligen von dem einzelnen Lichtelement ausgesandten Lichtstrahl zu beeinflussen . Auf diese Weise last sich eine variable Steuerung des von dem Scheinwerfer ausgesandten Strahlenbündels erreichen . Auf Grund der für die verwandten LED-Optik typische , einen großen Ö fnungswinkel aufweisende , rotationsτ symmetrische Lichtverteilung last sich j edoch keine den Vorschriften des Straßenverkehrs entsprechende und eine deutliche Hell -Dunkelgrenze aufweisende Lichtverteilung schaffen .
Aufgabe der Erf indung 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 . Die Aufgabe wird durch eine Beleuchtungsvorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung geeignetes Verfahren mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 10 ge- löst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung werden durch die untergeordneten Ansprüche aufgezeigt. Die Erfindung wird nachfolgen im Detail anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren erläutert .
Die Beleuchtungsoptik wird durch ein Feld (Array) von Einzel- optiken gebildet. Hierbei werden die einzelnen Optiken in erfinderischer Weise möglichst flach ausgeführt, so dass die Lichteintrittsδffnung 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.
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 Verwen- düng 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.
Figur 1 zeigt die der Brechung an der Lichtaustritts läche der Optik zugrunde liegende Strahlengeometrie. Figur 2 stellt die aus der Berechnung resultierende Konturlinie eines Kartovals dar.
Figur 3 repräsentiert den von einer Punktquelle ausgehende
Strahlengang und zeigt den aus der Geometrie der Optik resultierenden Grenzwinkel der Reflektion auf.
Figur 4 zeigt eine 3-dimensionale Ansicht einer erfindungs- gemäßen Optik.
Figur 4a bildet die in Figur 4 gezeigte Optik als
3-dimensionales Kantenbild in vier unterschiedlichen Ansichten ab.
Figur 5 zeigt eine Querschnitt durch die erfindungsgemäße Optik mit der notwendigen Anpassung des parabolischen Kontur des Reflektors .
Figur 6 zeigt die Energieverteilung des aus der erfindungsgemäßen Optik austretenden Lichtes.
Figur 7 zeigt schematisch den Teil einer alternativen Ausführungsform der Optik auf Basis eines , compund pa- rabolic reflector'.
Figur 8 zeigt schematisch eine weiter alternative Ausführungsform der Optik (mit Blick auf die Lichtein- trittsflache) , mittels welcher der von der Optik ausgehende Lichtkegel gezielt gekrümmt werden kann.
Figur 9 zeigt die Energieverteilung einer alternativen Optik entsprechend Figur 8.
Figur 10 beschreibt die Positionierung von Halbleiterlichtquellen an der erfindungsgemäßen Optik
Nachfolgend wird zur Verdeutlichung der Form eines Kartovals die mathematische Herleitung dessen Konturkurve aufgezeigt. Figur 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 a 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 Figur 1 aufgezeigten Strahlengangs folgt die Beziehung a - ß - φ (1.1) φ ist dabei der Polarkoordinatenwinkel , a der Austrittswinkel aus dem brechenden Medium und ß der Einfallswinkel im Medium. Nach dem Brechungsgesetz gilt: s α . . = n (1.2) sin?
Zunächst wird in Abhängigkeit von φ der erforderliche Einfallswinkel ß 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:
/? = arcta — ( 1 .4) n - cosφ
Diese Funktion gibt den Einfallswinkel ß als Funktion des Po- larkoordinatenwinkels φ an. Im nächsten Schritt erfolgt so- dann die Berechnung der Kontur. Aus der Figur 1 folgt dr _ ,
— = r-tan/? (1.5) dφ
Mit Gl . ( 1 . 4 ) folgt hieraus die Dif ferentialgleichung dr sinφ ,
— = τ— dφ (1 . 6) r n — cos φ
Diese Gleichung lässt sich in einer analytischen Form durch Substitution lösen: n - cos φQ
(1.7) r0 n -cos φ Dies ist die gesuchte Gleichung in Polarkoordinaten der in Figur 2 dargestellten Konturlinie 11 des Kartovals. r0 ist hierbei der dem Winkel ^„zugeordnete Radius, der zur Festle gung der absoluten Dimension der Kontur dient.
Selbstverständlich lässt sich die in Polarkoordinaten beschriebene Gleichung 1.7. auch in das kartesische Koordinatensystem transferieren, woraus sich nachfolgende Gleichung (1.8) ergibt: b+if (1.8) 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 Figur 3 sind der Strahlengang der Lichtstrahlen 21a-d für eine Punktquelle 60 und der resultierende Grenzwinkel ^aufgezeigt. Durch die Kontur der Lichtaustrittsfläche der Optik in Form eines Kartovals wird erreicht, dass alle innerhalb des zweifachen des Grenzwinkels (Ugvon der Lichtquelle 60 austretenden
Lichtstrahlen 21a-d und 22 parallel aus der Optik austreten. Der Grenzwinkel >gist gegeben durch das Brechungsgesetz
(1.2), wobei der Austrittswinkel α=90° ist. Damit wird
sin?=— und der Grenzwinkel φ„ = 9Q° -ß . Für n=l,5 ergibt sich n s 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 verlo- ren. Deshalb wird zur Umgehung dieser Problematik im Rahmen der Erfindung die im wesentlichen die Form eines zweidimensi- onalen Kartovals aufweisende Beleuchtungsoptik mit einem pa- rabelförmigen 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 Figur 4 dargestellten Element, mit den Seitenflächen A,B und E und der Lichteintrittsfläche F. Wie aus Figur 4 ersichtlich, ist die erfinderische Optik recht flach ausgeführt, wobei die Lichteintrittsöffnung F einen im we- sentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist, wobei eine Dimension des Querschnitts wesentlich kleiner ist, als die andere; wie nachfolgend anhand von Figur 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 Figur 4 dargestellten erfinderischen Optik ist ein 3- dimensionales Kantenbild dieser Optik in vier unterschiedlichen Ansichten in Figur 4a abgebildet. Dabei heben die dortigen Abbildungen vor allem die Kanten der Optik, so wie in schraffierter Form die Seitenflächen A, B und 10 (Lichtaus- trittsöffnung) hervor.
In besonders vorteilhafter Weise ist es denkbar die Außenflächen A und B des parabolischen Reflektors entweder zu ver- spiegeln oder aber total reflektierend auszugestalten. Hier- durch wird eine möglichst optimale Lichtausbeute der Halbleiterlichtquelle erreicht, da annähernd das gesamte von der Lichtquelle ausgehende Licht in ein gemeinsames paralleles Strahlenbündel gewandelt wird.
Figur 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 .
Bei der erfinderischen Ausgestaltung der Optiken des Beleuch- tungssystems findet die Ablenkung und Ausrichtung des Lichts vorwiegend in vertikaler Ebene statt, das heißt das Licht wird zu einem horizontal verlaufenden Streifen gebündelt. Figur 6 zeigt als Ergebnis einer Berechnung die Energieverteilung des aus der erfindungsgemäßen Optik austretenden Lich- tes. 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 Figur 6 zu Grunde liegenden Simulation wurden davon ausgegangen, dass die Lichtquelle mittig bzgl . der Lichteintrittsflä- ehe 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 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 Lichtaustrittsfläche G hin zur Lichteintritts- fläche F verjüngt. Eine entsprechende Geometrie ist in Figur 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 Fj der Lichteintrittsfläche F der Optik kleiner als die Höhenausdehnung Gj deren Lichtaustrittsfläche 10 ist. Solche Elemente, insbesondere auch mit parabelförmigen Seitenflächen sind aus der Solartechnik bekannt (CPC, Compound parabolic Concentrator) . Es gilt die Beziehung: sinαl _ K, ( 1 > 8 ) sinα2 Ft wobei al 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 entwe- der durch Verspiegelung erreicht werden oder durch die entsprechende Gestaltung der Krümmung der Seitenflächen E, so dass dort Totalreflexion entsteht. In Figur 7 ist beispielhaft mit gestrichelter Linie der Krümmungsverlauf der Seitenfläche E für eine parabolische Krümmung angedeutet. Entsprechend der oben beschriebenen und auch in Figur 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 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 Figur 8 dargestellt. Dabei sind die Seitenflächen dieser Trapezform um die Winkel a und ß gegenüber der Horizontalen geneigt. Dabei ist es denkbar die beiden Neigungswinkel und ß in ihrem Betrag gleich oder aber unterschiedlich voneinander zu wählen. Entsprechend den Abbildungen in Figur 6 zeigt Figur 9 das Ergebnis einer Berechnung der Energieverteilung des aus der vorteilhaften Optik mit geneigten Seitenflächen austretenden Lichtes. Der Berech- nung wurden die Neigungswinkel und ß 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 Intensitätsvertei- lung 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 Figur 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 Figur 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 Figur 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 Viel- zahl von Optiken innerhalb einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsquelle auf kleinstem Raum unterzubringen und so eine maximale Lichtleistung zu erzielen. Durch Verschieben der Halbleiterlichtquelle 60 entlang der Verbindungslinie zwischen den Punkten Pl 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 ver- schieblich 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 Pl und P2 gleich mehrere Halbleiterlicht- quellen anzuordnen. So kann in vorteilhafter Weise ohne mechanische Verstellung, einfach durch gezielte elektrische An- steuerung und Auswahl das aus der Optik austretende Licht in seiner Leuchtcharakteristik verändert werden.
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 Abstrah- lungscharakteristik 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 Figur 10) und einen anderen Teil der Optiken mit trapezförmigen Lichteintrittsflächen F (entsprechend Figur 8) auszuführen. Auch können in gewinnbringender Weise die Optiken zumindest in Teilen entspre- chend der in Figur 7 aufgezeigten Ausgestaltung ausgeführt sein.
Sind wenigstens einigen der Einzeloptiken innerhalb der Be- leuchtungsvorrichtung gleich mehrere Halbleiterlichtquellen zugeordnet, so kann auf einfache Weise, mittels elektronischer Steuerung ein Verschwenken des von der Vorrichtung aus- gesandten Leuchtkegels oder generell eine Änderung der asymmetrischen Beleuchtungseigenschaften der Beleuchtungsvorrich- tung 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 verschieb- lieh 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.
Besonders gewinnbringend wird die Beleuchtungsvorrichtung so ausgestaltet, dass die Halbleiterlichtquellen unabhängig von den anderen einzeln oder in Gruppen gemeinsam angesteuert ge- dimmt oder aktiviert bzw. deaktiviert werden können, um gezielt und situationsangepasst die Umgebung ausleuchten zu können.
In besonders vorteilhafter Weise eignet sich die erfinderische Beleuchtungsvorrichtung zur Verwendung als Scheinwerfer in einem Kraftfahrzeug, um die Umgebung vor dem Fahrzeug a- symmetrisch auszuleuchten. 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 Figur 4) angeordnet werde .

Claims

DaimlerChrysler AG FinkelePatentansprüche
1. Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug, welche durch ein Feld von einzelnen Op- tiken gebildet wird, denen jeweils wenigstens eine Halbleiterlichtquelle, insbesondere eine Lumeniszenzdiode zugeordnet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Lichteintrittsöffnung der Optiken eine längliche, im wesentlichen rechteckige Form aufweisen, dass die Optik senkrecht zur Lichteintrittsfläche einen Zentralbereich aufweisen, dessen Projektion in eine zweidimensionale Ebene einem zylindrischen 2-dimensionalen Kartovals entspricht, und dass dieser Zentralbereich mit einem parabolischen Reflektor kombiniert wird.
2. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Außenflächen A und B des Reflektors so in Richtung des Zentralbereichs der Optik gedreht werden, dass alle aus der Optik austretenden Stahlen im wesentlichen parallel sind.
3. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Außenflächen A und B des Reflektors verspiegelt oder total reflektierend ausgeführt werden.
4. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Seitenflächen E der Optik dergestalt geneigt werden, dass sich die Optik von der Lichtaustrittsfläche G hin zur Lichteintrittsfläche F verjüngt.
5. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Seitenflächen, insbesondere durch Verspiegelung oder Krümmung, so ausgebildet werden, dass in Strahlrichtung ein großer Akzeptanzwinkel entsteht .
6. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Querschnitt der Lichteintrittsfläche der einzelnen Optiken abweichend von der rechteckigen Form eine Trapez-Form aufweisen, dessen Seitenflächen um die Winkel a und ß zur
Normalen der Grundfläche geneigt sind.
7. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass wenigstens einem der einzelnen Optiken mehrere Halbleiterlichtquellen zugeordnet sind.
8. Beieuchtungs orrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die einzelnen Halbleiterlichtquellen individuell geschaltet werden können.
9. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Optiken und die Halbleiterlichtquellen verschieblich zueinander angeordnet sind.
10. Verfahren zur Ansteuerung einer Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Halbleiterlichtquellen in Abhängigkeit der erwünschten Strahlungscharakteristik einzeln angesteuert werden können, wobei hierbei die Halbleiterquellen ganz oder teilweise aktiviert werden können.
11. Verfahren nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass für den Fall, dass mehrere Halbleiterlichtquellen einer einzelnen Optik zugeordnet sind, diese in Abhängigkeit der erwünschten Strahlungscharakteristik angesteuert werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zur Änderung der Abstrahlungscharakteristik der Beleuch- tungsvorrichtung die Linsen und die Halbleiterlichtquellen gegeneinander verschoben werden.
13. Verwendung der Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Kraftfahrzeugscheinwerfer zur a- symmetrischen Ausleuchtung der Umgebung vor einem Kraftfahrzeug.
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