EP1792118A1 - Optisches system für einen kraftfahrzeugscheinwerfer, beleuchtungseinheit für einen kraftfahrzeugscheinwerfer und kraftfahrzeugscheinwerfer - Google Patents

Optisches system für einen kraftfahrzeugscheinwerfer, beleuchtungseinheit für einen kraftfahrzeugscheinwerfer und kraftfahrzeugscheinwerfer

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Publication number
EP1792118A1
EP1792118A1 EP05782168A EP05782168A EP1792118A1 EP 1792118 A1 EP1792118 A1 EP 1792118A1 EP 05782168 A EP05782168 A EP 05782168A EP 05782168 A EP05782168 A EP 05782168A EP 1792118 A1 EP1792118 A1 EP 1792118A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
optical
optical system
light
light beam
discontinuity
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05782168A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Harald Ries
Julius Muschaweck
Andreas Timinger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
OEC AG
Original Assignee
OEC AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by OEC AG filed Critical OEC AG
Publication of EP1792118A1 publication Critical patent/EP1792118A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • F21S41/20—Illuminating devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. headlamps characterised by refractors, transparent cover plates, light guides or filters
    • F21S41/25—Projection lenses
    • F21S41/265—Composite lenses; Lenses with a patch-like shape
    • 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
    • F21S41/10—Illuminating devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. headlamps characterised by the light source
    • F21S41/14—Illuminating devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. headlamps characterised by the light source characterised by the type of light source
    • F21S41/141—Light emitting diodes [LED]
    • F21S41/143—Light emitting diodes [LED] the main emission direction of the LED being parallel to the optical axis of the illuminating device
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
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    • F21S41/14—Illuminating devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. headlamps characterised by the light source characterised by the type of light source
    • F21S41/141—Light emitting diodes [LED]
    • F21S41/147—Light emitting diodes [LED] the main emission direction of the LED being angled to the optical axis of the illuminating device
    • 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
    • F21S41/20—Illuminating devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. headlamps characterised by refractors, transparent cover plates, light guides or filters
    • F21S41/25—Projection lenses
    • F21S41/255—Lenses with a front view of circular or truncated circular outline
    • 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

Definitions

  • the invention relates to an optical system for a motor vehicle headlight, a lighting unit for a motor vehicle headlight and a motor vehicle headlight with such lighting units.
  • Conventional automotive headlamps usually have a small, strong light source. These light sources can be either in the form of halogen filament lamps or high pressure gas discharge lamps. Most of the generated light is directed by a reflector to be projected as a suitably formed light beam.
  • the reflected light beam bundle must have an approximately horizontally running cut-off line. Above this cut-off line, almost no light is allowed to avoid glare. This cut-off point is defined in the ECE standards (for example for Europe and Japan) as well as in the SAE (USA). These regulations also define a "hot spot", which states that at a small distance below the cut-off line, the maximum light intensity of the light beam or light cone should be.
  • the light intensity should not be greater than 440 cd (corresponds to 0.7 lux in 25 m distance) to the front and left (right-hand traffic) above the cut-off line. 3.
  • the light beam should extend in width to about 30 ° to the left and right, with the light intensity gradually drops to the edge area.
  • the cut-off line should rise slightly asymmetrically to the top right. This applies to legal transactions. 5.
  • the hot spot should have a small vertical extension of 1 ° to 2 °, so that the road is not illuminated too close to the vehicle bright.
  • the light intensity should drop evenly down to about 12 ° below the cut-off line.
  • a significant technical problem is the sharp cutting of the hot spot, because within 0.5 ° a contrast of the light intensity of 1: 50 is to be achieved. If the trimming is performed by means of a diaphragm, then this diaphragm must be adjusted extremely precisely, whereby thermal expansion effects due to the heating of the diaphragm must be considered.
  • incandescent headlamps with reflectors used to have almost parabolic reflectors, whereby the light beam was formed by a structured windshield. More recently, faceted free-form reflectors with a clear, unstructured windscreen have been increasingly used. The reflector is here divided into individual segments, each of which is responsible for a specific part of the light distribution. In the case of the dipped-beam headlamps with reflectors, glare is avoided by covering the filament with a metal cap. Due to this coverage and the relatively small amount of light that strikes the reflector, the usual efficiency of these headlamps (defined as the ratio of luminous flux on the screen to luminous flux of the filament) is about 30%.
  • Projection headlamps are built for both halogen incandescent and high pressure gas discharge (Xenon HID) lamps.
  • the light of the lamp is concentrated by an approximately elliptical reflector on a focal point and its surroundings.
  • an aperture Immediately below the focal point sits an aperture whose edge creates the cut-off line.
  • a lens forms the focal plane including the aperture on the street. The efficiency is due to the losses at the reflector, the vignetting of the projection line and the absorption on the aperture at around 25%.
  • From DE 100 62 105 A1 discloses a headlight for motor vehicles, which has an optical element in the form of a Cartesian oval. This optical
  • Element has a decoupling surface, in which a right-angled step or a step formed with a convex and concave-shaped surface is provided. Through these stages, in a plane arranged transversely to the emission direction, a plane is intended.
  • DE 195 19 872 A1 discloses a headlamp with a reflector which has a light source in a central area.
  • a diaphragm is arranged to form a cut-off line.
  • the reflector of the headlight has a plurality of segments which adjoin one another and form kink edges in the edge region.
  • This headlamp has several lenses.
  • the lenses are supplied with light by means of so-called light termination bodies.
  • the light termination bodies are optically coupled to the lens at one end and to a light source, which may be a light laser or a light emitting diode, at the other end.
  • This headlight is characterized in that the light termination body have a certain cross-sectional contour and thus form the light cone emitted by the lenses and in particular limit the edges of the light cone.
  • the invention has for its object to provide an optical system that eliminates the disadvantages discussed above.
  • the optical system according to the invention for a motor vehicle headlight is used for distributing a light beam of a luminous means. It has a primary optical element and a secondary optical element.
  • the primary optical element is formed with an optical surface having a discontinuity along a line, at least on one side adjacent to the discontinuity, the optical surface is smooth, and the discontinuous surface areas of the optical surface form with their discontinuity adjacent to the tangent planes an obtuse angle, so that the light beam is divided into two light beam sub-beams, wherein at least one of the light beam sub-beams has a sharp boundary edge generated by the discontinuity.
  • the optical secondary element is used to image the sharp boundary edge to a predetermined cut-off.
  • the light-dark boundary is not generated by a diaphragm but by the discontinuity in the optical surface.
  • the diaphragm By omitting the diaphragm, the disadvantages associated with the diaphragm, such as low efficiency due to the absorption of part of the light beam or complex technical realization of the diaphragm are eliminated.
  • the optical system according to the invention is particularly suitable for use together with a light-emitting diode as the light source. This is especially true if the further light beam sub-beam is imaged by the secondary element such that it is also used to illuminate a predetermined area.
  • the following problems can be eliminated, which occur in a headlight for motor vehicles, which has one or more light-emitting diodes as the light source: 1. Efficiency
  • LED headlamps are much more efficient than conventional headlamps due to the high cost of light emitting diodes and cooling problems. It is a total efficiency of 60% or more appropriate.
  • the aperture area and the entire space is limited by structural conditions in the motor vehicle. Due to the limited luminance of LEDs, LED spotlights must use a large portion of the aperture area to produce the hot spot.
  • the cut-off line should not be made by mapping one edge of a light-emitting diode.
  • this edge is usually smeared in white LEDs, because the blue-emitting light-emitting diode is covered with a luminescent dye layer of a certain thickness, which converts a portion of the blue light to yellow-red, so that in the mixture Light is created. A sharp edge is then no longer present, and the color produced varies across the edge.
  • the vertical extent of the hot spot should be 1 ° to 2 °. Due to the low luminance of light emitting diodes one includes with conventional
  • Optics for vehicle headlights shown light emitting diode a larger angle range than 2 °.
  • the low required vertical extent of the hot spots can not be achieved with a conventional optics.
  • the optical system according to the invention for a motor vehicle headlight can advantageously be used in conjunction with conventional incandescent lamps or high-pressure gas discharge lamps. For these lamps, the issue of efficiency is only of secondary importance.
  • the invention possible that in a simple manner, the initially contiguous beam of light of a lamp is divided into two light beam sub-beams with spatial distance from each other, so that one of the light beam sub-beams are permanently used as low beam or both beam as high beam.
  • a movable diaphragm is provided, which fades out the not to be used as low beam light beam sub-beam when only the low beam is generated, or releases when a high beam is to be generated.
  • the main advantage is that the aperture must be positioned much less precisely compared to conventional optical systems, because it ends with a free edge in the dark area between the two light beams, the entire dark area as a tolerance range for the arrangement of the edge of the Aperture is available.
  • Both embodiments described above are based on the principle that a light beam generated by a light source is divided by a discontinuity of an optical surface into two light beam sub-beams, whereby a sharp boundary edge is used, which is used as a cut-off.
  • Figure 1a - 1d a light-emitting element together with a primary lens in the
  • FIG. 1 a Top view (FIG. 1 a), in a view obliquely on the entry surface of the primary lens (FIG. 1 b), in a front view (FIG. 1 c) and in a side view (FIG. 1 d),
  • Figure 2 shows a section through the light emitting diode element
  • FIG. 4 a shows an angular distribution of the luminance of the arrangement from FIG
  • FIG. 4b shows an angular distribution of the luminance of the arrangement from FIG
  • Figure 5a - 5c an optical system comprising a light emitting diode element, a
  • Primary lens and a secondary lens in each case in side view, wherein ray bundles are shown and in individual figures different sections of the beam are shown,
  • Figure 6a - 6c an optical system comprising a light emitting diode element, a
  • Primary lens and a secondary lens in each case in side view, wherein ray bundles are shown and in individual figures different sections of the beam are shown,
  • FIG. 7 shows the illuminance distribution of the optical system according to FIGS. 5a-6c at the location of the secondary lens
  • FIG. 8 shows a further optical system with a primary lens and a
  • Figure 9 shows another optical system with a ring
  • Primary lens surrounds to radiation in the edge area on the
  • Figure 10 is an optical system with a movable aperture for a
  • Headlight for producing low beam and high beam.
  • This optical system has a light-emitting diode element 1, a primary lens 2 and a secondary lens 3.
  • the primary lens has an entrance surface 4 and an exit surface 5.
  • the primary lens 2 is aligned with its entrance surface 4 to the light emitting diode element 1, wherein in the present embodiment, the light emitting diode element 1 is almost in contact with the inlet surface 4 of the primary lens.
  • the exit surface 5 is aligned with the secondary lens 3.
  • the secondary lens 3 in turn has an entrance surface 6 and an exit surface 7, wherein the entry surface 6 is aligned with the primary lens 2.
  • the light-emitting diode element 1 has a light-emitting diode chip 8, which is cast in a hemispherical lens 9.
  • the lens 9 has no effect on the beam path of the light emitted from the LED chip 8 light rays and thus this has a Lambertian radiation in an angular range of ⁇ 90 °.
  • the primary lens 2 is arranged as close as possible to the light-emitting diode element 1, so that it covers as far as possible the entire light of the light-emitting diode element with its entrance surface 4 and can bundle it in the direction of the secondary lens 3.
  • the angular range of the light focused by the primary lens is approximately in the range of ⁇ 15 °.
  • the primary lens has two optical surfaces, the entrance surface 4 and the exit surface 5, an essential element of the invention being that at least at one optical surface there is discontinuity in the location, i. a step, or in the slope of the surface, i. a kink, formed along a line.
  • Suitable discontinuities are those in which the surface no longer has the property of GO smoothness (in the case of a step) or G1 smoothness (in the case of a kink) (Reference: Farin, G. (1997). Curves and Surfaces for Computer-Aided Geometry Design; Chapter 18, San Diego, CA, Academic Press, Ine).
  • the discontinuity is formed as a crease line 10 at the exit surface 5 of the primary lens 2.
  • the crease line 10 divides the exit surface 5 of the primary lens 2 into an upper segment 11 and a lower segment 12.
  • the segments 11, 12 border with their tangential planes adjacent to the crease line 10 at an obtuse angle.
  • the two segments 11, 12 are each smooth surfaces.
  • Suitable discontinuities are also stripes on an optical surface in which the surface has such a strong curvature that a coherent bundle of light beams is separated into two disjoint part light beam bundles, whereby at least one partial light beam bundle is sharply delimited by the curvature.
  • This sharp limit is a sudden drop in luminance to a very low luminance.
  • the discontinuity divides a previously sixteen ⁇ hanging light beam bundle into two disjoint beams of light beam, both of which can be used further. Since the areas opposite to the discontinuity surface areas with their adjoining the discontinuity tangent planes a form obtuse angles, the two light beam sub-beams are separated. In order to separate the light beam sub-beams, it is fundamentally necessary that the tangential planes adjoining the discontinuity are not parallel, ie that a separation of the light beam sub-beams is possible if the tangential planes include an acute angle.
  • the entrance surface 4 of the primary lens 2 is concave and rotationally symmetrical.
  • the bending line is provided at the entrance surface or the primary lens is provided with a plurality of bending lines.
  • the light emitting diode element 1 is a commercial Luxeon ® LED
  • the lens 9 has a diameter of about 5.6 mm.
  • the primary lens is about 10 mm thick and has a diameter of about 13 mm.
  • An essential functional element of the optical system according to the invention is the crease line 10, which forms a discontinuity running along a line. Due to this discontinuity that is emitted by the light-emitting element 1
  • Zone II Approximately in the middle between the two light beam sub-beams 13, 14 is the zone IM, which is dark. Above Zone III is Zone II, whose light is cut off at the bottom by the crease line 10. Looking from the lower edge region of the zone II to the primary lens 2, one sees a narrow strip of the LED chip 8 through the lens 2, the lower edge of this image being cut off by the crease line 10. This image is shown in FIG. 4b.
  • zone II there is the zone I. Looking from the zone I to the primary lens 2, you can see through the upper segment 11 of the primary lens 2 through the lower edge of the LED chip 8. At least in the upper part of zone I, these images of the LED chip 8 through the upper edge 15 of the Primary lens 2 cut off. Again, a sharp boundary of the light beam sub-beam in the zone I is created.
  • zone IV which is formed substantially similar to the zone II, but here in each case the upper edge of the image of the LED chip 8 is cut off from the crease line 10 and the lower edge of the image is a picture of the lower edge of the LED chip 8 is.
  • the light beam sub-beams are cut off, as in the zone I, by the edge of the primary lens 2, but here the cut-off takes place through the lower edge 16 of the primary lens 2. If one looks from the lower edge region of the zone 5 to the primary lens 2, one sees an image of the LED chip 8 whose lower edge is sharply cut off by the lower edge 16 of the primary lens 2 and whose upper edge is represented by the edge of the LED chip 8.
  • the zones Il and V are used to illuminate the hot spot and establish the sharp cut-off, since the secondary lens 3 turns the generated images of the LED chip upside down and thus the corresponding images, i. the corresponding light beam sub-beams are sharply delimited above, as will be explained in more detail below.
  • Images of the light-emitting diode chip 8 are thus imaged with the secondary lens, the term "mapping" not being used here in a strict sense to project a particular pixel of an image again to a specific pixel of the imaged image, but in the sense that Beams are deflected by the optical system such that in the vertical direction, a nearly perfect imaging takes place, whereas in the horizontal direction, the individual pixels are smeared.
  • a blurring in the horizontal direction when using light-emitting diodes as lighting means is advantageous because LEDs usually have a certain structure, which would be transmitted to the road in a perfect image.
  • the optical system according to the invention in particular the secondary lens, preferably has an astigmatism in the horizontal direction in the sections used for the hot spot and the light-dark boundary.
  • FIGS. 4a and 4b each show an illustration of the light-emitting diode chip with a viewing direction from a point from zone II. If the point from which the LED chip is viewed is close to the lower edge of zone II, you will see a narrow strip (Fig. 4b). The higher you go up to the top of Zone II, the wider the strip becomes. All of these images are superimposed on the light-dark border with their edge cut off by the discontinuity. As a result, more images are superimposed adjacent to the cut-off line than at a distance from the cut-off line. As a result, the luminance decreases gradually with increasing distance from the cut-off line and thus downwards.
  • this effect causes a point illuminated by this optical system to be illuminated by light originating from different locations of the light-emitting diode.
  • This in turn means that the color distribution varying over the location of the light-emitting diode is mixed at the respective point of light of different locations of the light-emitting diode, so that a uniform color distribution is achieved, at least in the hot spot.
  • FIGS. 5a-6c each show four sections I, II, IV and V of the secondary lens 3, which are assigned to zones I 1 II, IV and V from FIG. These individual sections can basically be designed as separate components. In the present
  • Embodiment they are formed as a one-piece body, wherein the function-irrelevant section in the zone III is not shown.
  • the exit surface 7 of the secondary lens 3 is formed as a spherical surface.
  • a spherical surface is easy to make.
  • the entrance surface 6 of the secondary lens 3 is formed differently in the respective sections I, II, IV and V in order to provide the desired functions in each case.
  • the section II of the secondary lens 3 is designed such that a focal line of this section exists and lies on the bending line 10 of the primary lens 2.
  • the crease line 10 is imaged in the infinite, that is, from the bending line 10 outgoing light rays are deflected by the section II of the secondary lens 3 in a parallel beam.
  • the secondary lens 3 is preferably arranged with respect to the primary lens 1 in such a way that the light rays emerging from the bending line 10 in the secondary lens are either horizontal or tilted downwards at an angle of up to 0.5 °.
  • the inclination angle is set to 0.3 °.
  • the section V of the secondary lens 3 is formed such that here also a focal line of this section exists and lies on the lower edge 16 of the primary lens 2, so that the outgoing of the lower edge 16 light rays are imaged by the section V of the secondary lens 3 to infinity ie that these light rays run parallel after passing through the secondary lens 3.
  • These light rays should also run downwards with an inclination in the range between 0 ° and 0.5 °, preferably with the inclination angle of 0.3 °.
  • the lower edge 16 represents a discontinuity in the sense of the present invention, since the light which passes the edge 16 up or down, is separated into two light beam sub-beams, which can be used both.
  • the use of the light below the edge 16 is shown below with reference to the embodiment shown in FIG. In the mathematical sense here is a discontinuity, since the light passing below the edge 16 of a further optical surface must be redirected and this other optical surface and adjacent to the lower edge 16 optical surface of the primary lens 2 are not continuous to each other.
  • the section II of the secondary lens 3 is also referred to below as the upper cut-off lens and the section V of the secondary lens 3 as the lower cut-off lens.
  • the hot spot is illuminated, with the illuminated area in the horizontal covers approximately an angle range of 10 °.
  • the light beam sub-beams are superimposed at a certain distance from the optical system (FIG. 6c), with all the light beam sub-beams having a defined upper limit.
  • FIGS. 6a to 6c the optical system from FIGS. 5a to 5c is shown in FIGS. 6a to 6c, with three beam bundles in each case being shown in the two cut-off lenses in FIGS. 6a to 6c.
  • Off lenses run through a point.
  • These beams each comprise light beams which are emitted by a larger area of the LED chip 8.
  • These light beam bundles thus represent the image of the LED chip 8, which can be seen when looking from the point at the exit surface 7 of the secondary lens 3 to the primary lens 2, through which the respective light beam passes.
  • the light beams can be seen that in the area between the LED chip 8 and the
  • Secondary lens 3 arranged below beams of the light beam after passing through the secondary lens 3 are arranged above in the respective light beam. That is, with the image of this optical system, the image of the LED chip 8 after the passage of the secondary lens 3 is turned upside down. This in turn means that the light beam bundles which are cut sharply by the crease line 10 or by the lower edge 16 and which run through the cut-off lenses are each sharply delimited at their upper edge. The individual light beams that pass through the cut-off lenses are superimposed at a certain distance from the optical system, so that a total light beam is generated with a sharp upper limit ( Figure 6b, 6c). Guidelines for headlamps prescribed by motor vehicle headlamps.
  • the sharp boundary is generated by the bend line 10 of a part of the light beam, namely the one which passes through the upper cut-off lens.
  • This crease line which represents a discontinuity line, has the advantage over the use of a diaphragm that no light is absorbed, but light on both sides of the crease line 10 can be used for illumination.
  • light passing through the lower cut-off lens is also used to illuminate the hot spot.
  • Discontinuity line thus allows a significant increase in the efficiency of the optical system.
  • the discontinuity line extends in the projection on a vertical plane which is perpendicular to a connecting line between the primary lens and the secondary lens, approximately horizontally or has a slight inclination relative to the horizontal, which may be in the range of 0 ° to 10 °.
  • the projection of the discontinuity line at an edge region is guided somewhat downwards, so that the cut-off line rises somewhat asymmetrically in accordance with the demands of the automobile industry.
  • the light beams passing through the sections I and IV of the secondary lens 3 are also used.
  • the portions I and IV of the secondary lens are provided on the entrance surface with grooves, which are similar to a Fresnel lens and serve to deflect light into the lateral edge areas adjacent to the hot spot to effect some illumination here.
  • the efficiency of this optical system can be increased by providing a ring 17 around the primary lens 2, with which stray light from the light emitting diode is directed onto the secondary lens by means of refraction or total reflection (FIG. 9).
  • optical system according to the invention Another advantage of the optical system according to the invention is that the distance between the primary lens 2 and the secondary lens 3 is only 3 cm. Thus, this optical system has a very small overall depth compared to conventional projection headlights. In the case of conventional projection headlamps, a real intermediate image must be generated in the region of the diaphragm, which requires a considerable structural depth. In the optical system according to the invention, no intermediate image is generated, but the light beams are divided into light beam sub-beams by means of the discontinuity, which are deflected separately from the acting as a secondary lens secondary lens. It is not necessary to create a real intermediate image here. At the
  • optical system according to the invention is very compact, several such optical systems can be combined to form a vehicle headlight, in which case Light multiple light emitting diodes is used to generate the light cone of the vehicle headlight.
  • the above-described embodiment can be provided in the context of the invention on the primary lens 2 instead of a plurality of discontinuity lines.
  • the discontinuity lines can also be arranged in the region of the entrance surface of the primary lens 2.
  • a mirror or reflector 18 (FIG. 8) can also be provided, which images the sharp boundary edge of the light beam sub-beams onto the light-dark boundary.
  • a light emitting diode chip 8 is used with a lens 9, which is arranged immediately in front of the primary lens 2.
  • the light beam sub-beams of Zones I and IV ( Figure 3) may also be used if e.g. another lens is inserted into the optical system, which turns the image upside down.
  • the LED chip 8 into the primary lens 2, so that the lens 9 is omitted.
  • This is also useful in mass production of such an optical system.
  • the discontinuity according to the invention is realized in the light-emitting diode element 1, which is formed from the light-emitting diode chip 8 and a lens which fulfill both the function of the lens 9 and the function of the primary lens 2.
  • the optical system according to the invention together with a luminous means, in particular a light-emitting diode, a lighting unit.
  • a luminous means in particular a light-emitting diode
  • a lighting unit can be used in a headlight for a motor vehicle, in particular for low beam.
  • These lighting units can each have a separate secondary lens.
  • FIGS. 1a to 9 a light-emitting diode is used as the luminous means.
  • the inventive system with a discontinuity line in the optical primary element is particularly suitable for the use of light emitting diodes in headlights for motor vehicles, as this the above-mentioned problems in terms of efficiency, size, cut-off, vertical extension of the hot spot and use of the aperture, such as they would occur in conventional optical systems, be easily remedied.
  • the optical system according to the invention is also suitable for use with other light sources.
  • FIG. 10 shows an exemplary embodiment with a conventional illuminant 19 for motor vehicle headlights, such as, for example, an incandescent lamp, a high-pressure discharge lamp, a gas discharge lamp or the like.
  • the light of the luminous means 19 is detected by the primary lens 2, which has a discontinuity line 10 like the primary lenses 2 of the above embodiment.
  • the discontinuity line 10 two partial beams of light are generated and deflected to the secondary lens 3.
  • the upper light beam sub-beam has an area with the bottom sharply cut off by the crease line 10 boundary. By mapping this sharply cut boundary to the cut-off line, this area of the upper beam of light beam can be used as a dipped beam.
  • the lower beam sub-beam is deflected in this embodiment of the secondary lens 3 so that it acts as a high beam. The switching of this headlight from high beam to low beam is done simply by inserting a shutter 20 in the lower beam sub-beam.
  • the diaphragm 20 absorbs the lower beam part of the beam, whereby only the dipped beam exits the headlight. If the diaphragm 20 is moved out of the lower light beam sub-beam, the light of the lower beam sub-beam also emerges from the headlight and produces the high beam.
  • the diaphragm is located in the lower light beam sub-beam, it ends with its upper edge 21 in the dark region between the two light beam sub-beams.
  • the upper edge 21 can be positioned relatively imprecise, since this edge has no optical function.
  • the extension and retraction of the aperture 20 can be realized with simple inexpensive means.
  • the diaphragm 20 has a large area compared to conventional diaphragms on which a real intermediate image of the luminous means is projected, since it does not have to hide a small portion of a real intermediate image but can completely hide a partial light beam. This makes it much easier to cool the bezel, as is the case with conventional headlamps.
  • this design of a headlight allows a freer design of the high beam.
  • the aperture may also be arranged in the upper light beam sub-beam and the lower beam sub-beam used as dipped beam.
  • the lower edge 16 of the primary lens 2 is mapped to the light-dark boundary.
  • the exemplary embodiments presented above each have a discontinuous line of curvature 10, which is formed on an optical surface of the primary lens. In the area of the crease line, the adjacent surface sections with their tangential surfaces form an obtuse angle. This type of crease line can be formed both at the entrance surface and at the exit surface of the primary lens.
  • a reflector may also be provided. This applies in particular to the embodiment according to FIG. 10 with a conventional luminous means.
  • the discontinuity is formed by an edge in the reflector, in which the adjacent tangential surfaces form an angle of> 180 °.
  • the discontinuity may also be formed as a step in both the lens and the reflector.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches System für einen Kraftfahrzeugscheinwerfer, eine Beleuchtungseinheit für einen Kraftfahrzeugscheinwerfer und einen Kraftfahrzeugscheinwerfer mit solchen Beleuchtungseinrichten. Das erfindungsgemässe optisches System weist ein optisches Primärelement (2) und ein optisches Sekundärelement (3) auf. Das optische Primärelement ist mit einer Unstetigkeit (10) versehen, durch welche zwei Lichtstrahlteilbündel erzeugt werden, wobei zumindest eines der Lichtstrahlteilbündel scharf begrenzt ist. Diese scharfe Begrenzung kann zum Erzeugen einer Hell-Dunkel-Grenze verwendet werden.

Description

Optisches System für einen Kraftfahrzeugscheinwerfer, Beleuchtungseinheit für einen Kraftfahrzeugscheinwerfer und Kraftfahrzeugscheinwerfer
Die Erfindung betrifft ein optisches System für einen Kraftfahrzeugscheinwerfer, eine Beleuchtungseinheit für einen Kraftfahrzeugscheinwerfer und einen Kraftfahrzeugscheinwerfer mit solchen Beleuchtungseinheiten.
Herkömmliche Kraftfahrzeugscheinwerfer weisen gewöhnlich eine kleine starke Lichtquelle auf. Diese Lichtquellen können entweder in Form von Halogen- Glühfadenlampen oder Hochdruck-Gasentladungslampen sein. Der größte Teil des erzeugten Lichts wird mittels eines Reflektors gerichtet, um als ein zweckmäßig gebildetes Lichtstrahlbündel projiziert zu werden.
Wird ein solcher Fahrzeugscheinwerfer als Abblendlichtscheinwerfer verwendet, muss der reflektierte Lichtstrahlbündel eine etwa horizontal verlaufende Hell-Dunkel- Grenze aufweisen. Oberhalb dieser Hell-Dunkel-Grenze darf zur Vermeidung einer Blendwirkung fast kein Licht sein. Diese Hell-Dunkel-Grenze ist in den ECE-Normen (gilt zum Beispiel für Europa und Japan) sowie in den SAE-Vo rschriften (gilt für die USA) definiert. In diesen Vorschriften wird auch ein „hot spot" definiert, der besagt, dass mit geringem Abstand unter der Hell-Dunkel-Grenze die maximale Lichtstärke des Lichtstrahlbündel bzw. Lichtkegels sein soll.
Die Automobilindustrie fordert über die Erfüllung der Normen hinaus das Erreichen weiterer Mindest- und Höchstwerte, die folgendermaßen kurz zusammengefasst werden können:
1. Die maximale Lichtstärke (hot spot) knapp unterhalb der Hell-Dunkel-Grenze
(0,5°) soll etwa 22000 cd (entspricht 35 lux in 25 m Entfernung) betragen. 2. Zur Vermeidung von Blendung des Gegenverkehrs soll nach vorne und links (Rechtsverkehr) oberhalb der Hell-Dunkel-Grenze die Lichtstärke nicht größer als 440 cd (entspricht 0,7 lux in 25 m Entfernung) sein. 3. Der Lichtkegel soll sich in die Breite bis ca. 30° nach links und rechts erstrecken, wobei die Lichtstärke allmählich zum Randbereich abfällt.
4. Die Hell-Dunkel-Grenze soll asymmetrisch nach rechts oben etwas ansteigen. Dies gilt für den Rechtsverkehr. 5. Der hot spot soll eine geringe vertikale Ausdehnung von 1° bis 2° besitzen, damit die Straße nicht zu nah am Fahrzeug hell ausgeleuchtet wird. Die Lichtstärke soll bis ca. 12° unterhalb der Hell-Dunkel-Grenze gleichmäßig nach unten abfallen.
6. Die Verteilung soll keine störenden Streifen enthalten. 7. Ungleichmäßigkeiten in der Farbe sollen besonders in der Nähe des hot spots vermieden werden.
Ein erhebliches technisches Problem stellt das scharfe Abschneiden des hot spots dar, denn innerhalb von 0,5° soll ein Kontrast der Lichtstärke von 1 :50 erreicht werden. Erfolgt das Abschneiden mittels einer Blende, so muss diese Blende äußerst präzise justiert werden, wobei Wärmeausdehnungseffekte aufgrund des Erhitzens der Blende zu berücksichtigen sind.
Als Frontscheinwerfer in einem Kraftfahrzeug sind vor allem Glühlampenschein- werter mit Reflektoren und Projektionsscheinwerfer gebräuchlich.
Glühlampenscheinwerfer mit Reflektoren wiesen früher vor allem nahezu parabolische Reflektoren auf, wobei das Lichtstrahlbündel von einer strukturierten Frontscheibe geformt wurde. In jüngerer Zeit werden zunehmend facettierte Frei- formflächenreflektoren mit einer klaren unstrukturierten Frontscheibe eingesetzt. Der Reflektor ist hierbei in Einzelsegmente aufgeteilt, von denen jedes für einen bestimmten Teil der Lichtverteilung zuständig ist. Bei den Glühlampenscheinwerfern für Abblendlicht mit Reflektoren wird die Blendung durch Abdeckung der Glühwendel mit einer Blechkappe vermieden. Aufgrund dieser Abdeckung und des relativ geringen Anteils des Lichtes, das auf den Reflektor trifft, liegt die übliche Effizienz dieser Scheinwerfer (definiert als Verhältnis von Lichtstrom auf dem Messschirm zum Lichtstrom der Glühwendel) bei etwa 30 %.
Projektionsscheinwerfer werden sowohl für Halogen-Glühlampen als auch für Hochdruck-Gasentladungslampen (Xenön-HID-Lampen) gebaut. Hierbei wird das Licht der Lampe von einem annähernd elliptischen Reflektor auf einen Brennpunkt und dessen Umgebung konzentriert. Unmittelbar unterhalb des Brennpunktes sitzt eine Blende, deren Kante die Hell-Dunkel-Grenze erzeugt. Eine Linse bildet die Brennebene samt Blende auf die Straße ab. Die Effizienz liegt aufgrund der Verluste am Reflektor, der Vignettierung der Projektionslinie und der Absorption auf der Blende bei rund 25 %.
Bei herkömmlichen Kraftfahrzeugscheinwerfern wird somit immer eine Blende zur Erzeugung der Hell-Dunkel-Grenze verwendet. Dies ist nachteilig, da eine solche Blende die Effizienz des Scheinwerfers beeinträchtigt und bei bestimmten Scheinwerfermodellen nur mit beträchtlichem Aufwand realisierbar ist. Dies gilt insbesondere für Scheinwerfer, bei welchen mit einer beweglichen Blende ein Scheinwerfer sowohl zum Erzeugen des Abblendlichtes als auch des Fernlichtes verwendet wird, indem die Blende aus dem Fernlichtlichtstrahlbündel ein Lichtstrahlteilbündel zum Erzeugen des Abblendlichtes ausblendet.
Die herkömmlichen optischen Systeme mit ihrer geringen Effizienz sind für nicht sehr lichtstarke Leuchtmittel, wie Leuchtdioden, wenig geeignet. Andererseits würden weiße Leuchtdioden mittlerweile zur Verfügung stehen, die gegenüber den bisher in Kraftfahrzeugscheinwerfern verwendeten Leuchtmitteln erhebliche Vorteile in Bezug auf die benötigte Leistung und Lebensdauer besitzen.
Aus der DE 100 62 105 A1 geht ein Scheinwerfer für Kraftfahrzeuge hervor, der ein optisches Element in Form eines kartesischen Ovals aufweist. Dieses optische
Element besitz eine Auskoppelfläche, in der eine rechtwinklige Stufe bzw. eine mit einer konvex und konkav geformten Fläche ausgebildete Stufe vorgesehen ist. Durch diese Stufen soll in einer quer zur Abstrahlrichtung angeordneten Ebene eine
„künstliche" Blendung bzw. eine vorbestimme Intensität und Position der Blendzonen der Lichtverteilung erzeugt werden. Mit dieser Stufe wird somit aus dem einheitlichen
Lichtstrahlbündel Licht ausgekoppelt.
Aus der DE 195 19 872 A1 geht ein Scheinwerfer mit einem Reflektor hervor, der in einem zentralen Bereich eine Lichtquelle aufweist. Im Scheinwerfer ist eine Blende zur Ausbildung einer Hell-Dunkel-Grenze angeordnet. Der Reflektor des Scheinwerfers weist mehrere Segmente auf, die aneinander angrenzen und im Randbereich Knickkanten ausbilden.
In der DE 202 13 911 U1 ist ein weiterer Scheinwerfer für Kraftfahrzeuge dargestellt. Dieser Scheinwerfer weist mehrere Linsen auf. Den Linsen wird Licht mittels sogenannter Lichtabschlusskörper zugeführt. Die Lichtabschlusskörper sind mit einem Ende optisch an die Linse gekoppelt und mit dem anderen Ende an eine Lichtquelle, die ein Lichtlaser oder ein Leuchtdiode sein kann. Dieser Scheinwerfer zeichnet sich dadurch aus, dass die Lichtabschlusskörper eine bestimmte Querschnittskontur besitzen und so den von den Linsen abgestrahlten Lichtkegel formen und insbesondere die Ränder des Lichtkegels begrenzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches System zu schaffen, das die oben erläuterten Nachteile beseitigt.
Die Aufgabe wird durch ein optisches System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße optische System für einen Kraftfahrzeugscheinwerfer dient zum Verteilen eines Lichtstrahlbündels eines Leuchtmittels. Es weist ein optisches Primärelement und ein optisches Sekundärelement auf. Das optische Primärelement ist mit einer optischen Fläche mit einer entlang einer Linie verlaufenden Unstetigkeit ausgebildet, wobei zumindest auf einer Seite benachbart zur Unstetigkeit die optische Fläche glatt ausgebildet ist, und die an der Unstetigkeit gegenüberliegenden Flächenbereiche der optischen Fläche mit ihren an der Unstetigkeit angrenzenden Tangentialebenen bilden einen stumpfen Winkel, so dass das Lichtstrahlbündel in zwei Lichtstrahlteilbündel aufgeteilt wird, wobei zumindest eines der Lichtstrahlteilbündel eine von der Unstetigkeit erzeugte scharfe Begrenzungskante aufweist. Das optische Sekundärelement dient zum Abbilden der scharfen Begrenzungskante auf eine vorbestimmte Hell-Dunkel-Grenze.
Erfindungsgemäß wird die Hell-Dunkel-Grenze nicht durch eine Blende sondern durch die Unstetigkeit in der optischen Fläche erzeugt.
Durch das Weglassen der Blende sind die mit der Blende verbundenen Nachteile, wie geringe Effizienz aufgrund der Absorption eines Teils des Lichtstrahlbündels bzw. aufwändige technische Realisierung der Blende beseitigt.
Das erfindungsgemäße optische System eignet sich besonders für die Verwendung zusammen mit einer Leuchtdiode als Leuchtmittel. Dies gilt insbesondere, wenn der weitere Lichtstrahlteilbündel durch das Sekundärelement derart abgebildet wird, dass er auch zum Ausleuchten eines vorbestimmten Bereiches verwendet wird. Mit einem solchen optischen System können folgende Probleme beseitigt werden, die bei einem Frontscheinwerfer für Kraftfahrzeuge auftreten, der als Leuchtmittel eine oder mehrere Leuchtdioden besitzt: 1. Effizienz
Leuchtdioden-Scheinwerfer müssen aufgrund der hohen Kosten von Leuchtdioden und aufgrund von Kühlungsproblemen viel effizienter sein als konventionelle Scheinwerfer. Es ist ein Gesamtwirkungsgrad von 60 % oder mehr zweckmäßig.
2. Baugröße
Die Aperturfläche und der gesamte Bauraum ist durch konstruktive Gegebenheiten im Kraftfahrzeug beschränkt. Aufgrund der beschränkten Leuchtdichte von Leuchtdioden müssen Leuchtdioden-Scheinwerfer einen großen Teil der Aperturfläche zur Erzeugung des hot spots verwenden.
3. Hell-Dunkel-Grenze
Die Hell-Dunkel-Grenze soll möglichst nicht durch eine Abbildung einer Kante einer Leuchtdiode erfolgen. Zum einen macht dies das System empfindlich gegen Toleranzen der Lage der Leuchtdiode. Vor allem aber ist bei weißen Leuchtdioden diese Kante in der Regel verschmiert, weil die an sich blau strahlende Leuchtdiode mit einer Luminiszenz-Farbstoffschicht einer gewissen Dicke bedeckt ist, die einen Teil des blauen Lichts nach gelb-rot konvertiert, so dass in der Mischung weißes Licht entsteht. Eine scharfe Kante ist dann nicht mehr gegeben, und die erzeugte Farbe variiert quer zur Kante.
4. Vertikale Ausdehnung des hot spots
Die vertikale Ausdehnung des hot spots soll 1° bis 2° betragen. Aufgrund der geringen Leuchtdichte von Leuchtdioden umfasst eine mit herkömmlicher
Optik für Fahrzeugscheinwerfer abgebildete Leuchtdiode einen größeren Winkelbereich als 2°. Die geringe geforderte vertikale Ausdehnung des hot spots kann mit einer herkömmlichen Optik nicht erzielt werden.
5. Nutzung der Apertur
Bei einem herkömmlichen optischen System müsste ein zu großer Teil der Apertur für den hot spot genutzt werden. Hierdurch würden keine ausreichenden Aperturbereiche für andere Teile der Lichtverteilung zur Verfügung stehen.
Das erfindungsgemäße optische System für einen Kraftfahrzeugscheinwerfer kann vorteilhaft in Verbindung mit herkömmlichen Glühlampen bzw. Hochdruck- Gasentladungslampen verwendet werden. Bei diesen Lampen ist die Frage der Effizienz nur von untergeordneter Bedeutung. Jedoch macht es die Erfindung möglich, dass auf einfache Art und Weise das zunächst zusammenhängende Lichtstrahlbündel einer Lampe in zwei Lichtstrahlteilbündel mit räumlichen Abstand voneinander aufgeteilt wird, so dass eines der Lichtstrahlteilbündel permanent als Abblendlicht oder beide Lichtstrahlbündel als Fernlicht verwendbar sind. Hierzu ist eine bewegliche Blende vorzusehen, die das nicht als Abblendlicht zu verwendende Lichtstrahlteilbündel ausblendet, wenn nur das Abblendlicht erzeugt wird, bzw. freigibt, wenn ein Fernlicht erzeugt werden soll. Der wesentliche Vorteil liegt darin, dass die Blende im Vergleich zu herkömmlichen optischen Systemen wesentlich weniger präzise positioniert werden muss, denn sie endet mit einer freien Kante in dem dunklen Bereich zwischen den beiden Lichtstrahlbündeln, wobei der gesamte dunkle Bereich als Toleranzbereich zur Anordnung der Kante der Blende zu Verfügung steht.
Beide oben beschriebenen Ausführungsformen beruhen auf dem Prinzip, dass ein von einem Leuchtmittel erzeugtes Lichtstrahlbündel durch eine Unstetigkeit einer optischen Fläche in zwei Lichtstrahlteilbündel aufgeteilt wird, wodurch eine scharfe Begrenzungskante erzeugt wird, die als Hell-Dunkel-Grenze verwendet wird.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Figur 1a - 1d ein Leuchtdiodenelement zusammen mit einer Primärlinse in der
Draufsicht (Figur 1a), in einer Ansicht schräg auf die Eintrittsfläche der Primärlinse (Figur 1 b), in einer Frontansicht (Figur 1c) und in einer Seitenansicht (Figur 1d),
Figur 2 einen Schnitt durch das Leuchtdiodenelement und die
Primärlinse aus den Figuren 1a - 1d, wobei schematisch einige
Lichtstrahlen dargestellt sind,
Figur 3 das Leuchtdiodenelement und die Primärlinse aus den Figuren
1a - 1d in einer schematischen Darstellung mit unterschiedlichen
Beleuchtungszonen,
Figur 4a eine Winkelverteilung der Leuchtdichte der Anordnung aus Figur
3 von einem Punkt im oberen Bereich der in Figur 3 gezeigten Zone Il aus gesehen, Figur 4b eine Winkelverteilung der Leuchtdichte der Anordnung aus Figur
3 von einem Punkt im unteren Bereich der in Figur 3 gezeigten Zone Il aus gesehen,
Figur 5a - 5c ein optisches System umfassend ein Leuchtdiodenelement, eine
Primärlinse und eine Sekundärlinse jeweils in Seitenansicht, wobei Strahlbündel eingezeichnet sind und in einzelnen Figuren unterschiedliche Ausschnitte der Strahlbündel dargestellt sind,
Figur 6a - 6c ein optisches System umfassend ein Leuchtdiodenelement, eine
Primärlinse und eine Sekundärlinse jeweils in Seitenansicht, wobei Strahlbündel eingezeichnet sind und in einzelnen Figuren unterschiedliche Ausschnitte der Strahlbündel dargestellt sind,
Figur 7 die Beleuchtungsstärkeverteilung des optischen Systems gemäß den Figuren 5a - 6c am Ort der Sekundärlinse,
Figur 8 ein weiteres optisches System mit einer Primärlinse und einem
Reflektor als Sekundäroptik,
Figur 9 ein weiteres optisches System mit einem Ring, der die
Primärlinse umgibt, um Strahlung im Randbereich auf die
Sekundärlinse zu lenken, und
Figur 10 ein optisches System mit einer beweglichen Blende für einen
Frontscheinwerfer zum Erzeugen von Abblendlicht und Fernlicht.
Das erfindungsgemäße optische System wird nachfolgend anhand eines ersten Ausführungsbeispieles, das in den Figuren 1a bis 7 dargestellt ist, näher erläutert. Dieses optische System weist ein Leuchtdiodenelement 1 , eine Primärlinse 2 und eine Sekundärlinse 3 auf.
Die Primärlinse weist eine Eintrittsfläche 4 und eine Austrittsfläche 5 auf. Die Primärlinse 2 ist mit ihrer Eintrittsfläche 4 zum Leuchtdiodenelement 1 ausgerichtet, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel das Leuchtdiodenelement 1 nahezu in Kontakt mit der Eintrittsfläche 4 der Primärlinse steht. Die Austrittsfläche 5 ist zur Sekundärlinse 3 ausgerichtet. Die Sekundärlinse 3 weist wiederum eine Eintrittsfläche 6 und eine Austrittsfläche 7 auf, wobei die Eintrittsfläche 6 zur Primärlinse 2 ausgerichtet ist. Das Leuchtdiodenelement 1 weist einen Leuchtdiodenchip 8 auf, der in eine halbkugelförmige Linse 9 eingegossen ist. Für die nachfolgende Erläuterung der Erfindung wird vereinfacht angenommen, dass die Linse 9 keine Auswirkung auf den Strahlenverlauf der vom Leuchtdiodenchip 8 abgegebenen Lichtstrahlen hat und dieser somit eine Lambert'sche Abstrahlcharakteristik in einem Winkelbereich von ± 90° aufweist.
Die Primärlinse 2 ist möglichst nahe am Leuchtdiodenelement 1 angeordnet, damit sie möglichst das gesamte Licht des Leuchtdiodenelements mit ihrer Eintrittsfläche 4 umfassen und in Richtung zur Sekundärlinse 3 bündeln kann. Der Winkelbereich des von der Primärlinse gebündelten Lichtes liegt ungefähr im Bereich von ± 15°.
Die Primärlinse weist zwei optische Flächen, die Eintrittsfläche 4 und die Austrittfläche 5 auf, wobei ein wesentliches Element der Erfindung darin liegt, dass wenigstens an einer optischen Fläche eine Unstetigkeit im Ort, d.h. eine Stufe, oder in der Neigung der Fläche, d.h. ein Knick, entlang einer Linie ausgebildet ist. Geeignete Unstetigkeiten sind solche, an denen die Fläche nicht mehr die Eigenschaft der GO-Glattheit (im Fall einer Stufe) bzw. der G1 -Glattheit (im Fall eines Knicks) aufweist (Referenz: Farin, G. (1997). Curves and Surfaces for Computer- Aided Geometrie Design; Kapitel 18, San Diego, Ca, Academic Press, Ine). Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Unstetigkeit als Knicklinie 10 an der Austrittsfläche 5 der Primärlinse 2 ausgebildet. Die Knicklinie 10 teilt die Austrittsfläche 5 der Primärlinse 2 in ein oberes Segment 11 und ein unteres Segment 12. Die Segmente 11 , 12 begrenzen mit ihren Tangentialebenen angrenzend an der Knicklinie 10 einen stumpfen Winkel. Die beiden Segmente 11 , 12 sind jeweils glatte Flächen.
Geeignete Unstetigkeiten sind auch Streifen an einer optischen Oberfläche, in welchen die Oberfläche eine derart starke Krümmung aufweist, dass ein zusammen¬ hängendes Lichtstrahlbündel in zwei disjunkte Teillichtstrahlbündel getrennt wird, wobei zumindest ein Teillichtstrahlbündel durch die Krümmung scharf begrenzt wird. Diese scharfe Grenze ist ein sprunghafter Abfall der Leuchtdichte auf eine sehr geringe Leuchtdichte.
Wesentlich für die Erfindung ist, dass die Unstetigkeit ein vorher zusammen¬ hängendes Lichtstrahlbündel in zwei disjunkte Lichtstrahlteilbündel aufteilt, die beide weiter verwendet werden können. Da die an der Unstetigkeit gegenüberliegenden Flächenbereiche mit ihren an die Unstetigkeit angrenzenden Tangentialebenen einen stumpfen Winkel bilden, werden die beiden Lichtstrahlteilbündel voneinander getrennt. Zur Trennung der Lichtstrahlteilbündel ist es grundsätzlich notwendig, dass die an die Unstetigkeit angrenzenden Tangentialebenen nicht parallel sind, d.h., dass eine Trennung der Lichtstrahlteilbündel ist möglich, wenn die Tangentialebenen einen spitzen Winkel einschließen.
Die Eintrittsfläche 4 der Primärlinse 2 ist konkav und rotationssymmetrisch geformt.
Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, dass die Knicklinie an der Eintrittsfläche vorgesehen wird oder die Primärlinse mit mehreren Knicklinien versehen ist.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Leuchtdiodenelement 1 eine handelsübliche Luxeon®-LED, wobei die Linse 9 einen Durchmesser von etwa 5,6 mm aufweist. Die Primärlinse ist etwa 10 mm dick und hat einen Durchmesser von ca. 13 mm.
Ein wesentliches Funktionselement des erfindungsgemäßen optischen Systems ist die Knicklinie 10, die eine entlang einer Linie verlaufende Unstetigkeit bildet. Durch diese Unstetigkeit wird das vom Leuchtdiodenelement 1 ausgesandte
Lichtstrahlenbündel in zumindest zwei Lichtstrahlteilbündel 13, 14 (Figur 2) aufgeteilt.
Bei den von der Primärlinse abgestrahlten Lichtstrahlteilbündeln 13, 14 kann man fünf Zonen I bis V unterscheiden (Figur 3). Etwa in der Mitte zwischen den beiden Lichtstrahlteilbündel 13, 14 befindet sich die Zone IM, die dunkel ist. Oberhalb der Zone III befindet sich die Zone II, deren Licht unten durch die Knicklinie 10 abgeschnitten ist. Blickt man vom unteren Randbereich der Zone Il auf die Primärlinse 2, so sieht man einen schmalen Streifen des Leuchtdiodenchips 8 durch die Linse 2 hindurch, wobei die Unterkante dieses Bildes durch die Knicklinie 10 abgeschnitten ist. Dieses Bild ist in Figur 4b dargestellt. Blickt man hingegen vom oberen Randbereich der Zone Il auf die Primärlinse 2, so sieht man durch die Primärlinse 2 hindurch einen größeren Bereich des Leuchtdiodenchips 8, wobei wiederum die untere Kante dieses Bildes durch die Knicklinie 10 abgeschnitten ist. Dieses Bild ist in Figur 4a dargestellt.
Oberhalb der Zone Il befindet sich die Zone I. Blickt man von der Zone I auf die Primärlinse 2, so sieht man durch das obere Segment 11 der Primärlinse 2 hindurch die untere Kante des Leuchtdiodenchips 8. Zumindest im oberen Bereich der Zone I werden diese Bilder des Leuchtdiodenchips 8 durch die obere Kante 15 der Primärlinse 2 abgeschnitten. Auch hier wird eine scharfe Begrenzung des Lichtstrahlteilbündels in der Zone I geschaffen.
Unterhalb der Zone IM befindet sich die Zone IV, die im wesentlichen ähnlich wie die Zone Il ausgebildet wird, wobei hier jedoch jeweils die obere Kante des Bildes des Leuchtdiodenchips 8 von der Knicklinie 10 abgeschnitten wird und die untere Kante des Bildes eine Abbildung der unteren Kante des Leuchtdiodenchips 8 ist. In der darunter befindlichen Zone V werden die Lichtstrahlteilbündel wie in der Zone I durch die Kante der Primärlinse 2 abgeschnitten, wobei hier jedoch das Abschneiden durch die untere Kante 16 der Primärlinse 2 erfolgt. Blickt man vom unteren Randbereich der Zone 5 auf die Primärlinse 2, so sieht man ein Bild des Leuchtdiodenchips 8, dessen unterer Rand durch die untere Kante 16 der Primärlinse 2 scharf abgeschnitten ist und dessen oberer Rand durch die Kante des Leuchtdiodenchips 8 dargestellt wird. Blickt man von der oberen Grenze der Zone V auf die Primärlinse 2, so sieht man ein fast vollständiges Bild des Leuchtdiodenchips 8 durch die Primärlinse 2 hindurch, wobei lediglich ein schmaler unterer Randbereich des Leuchtdiodenchips 8 durch die untere Kante 16 abgeschnitten ist.
Man kann somit zusammenfassend festhalten, dass man, wenn man von den Zonen Il und V auf die Primärlinse 2 blickt, jeweils Bilder des Leuchtdiodenchips 8 sieht, die unten scharf abgeschnitten sind, wohingegen, wenn man von den Zonen I und IV auf die Primärlinse 2 blickt, jeweils Bilder des Leuchtdiodenchips 8 sieht, die oben scharf abgeschnitten sind.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die Zonen Il und V verwendet, um den hot spot auszuleuchten und die scharfe Hell-Dunkel-Grenze herzustellen, da durch die Sekundärlinse 3 die erzeugten Abbildungen des Leuchtdiodenchips auf den Kopf gestellt werden und somit die entsprechenden Bilder, d.h. die entsprechenden Lichtstrahlteilbündel oben scharf begrenzt sind, wie es unten näher erläutert wird.
Mit der Sekundärlinse werden somit Bilder des Leuchtdiodenchips 8 abgebildet, wobei der Begriff „Abbilden" hier nicht im strengen Sinn dahingehend verwendet wird, dass ein bestimmter Bildpunkt eines Bildes wiederum auf einen bestimmten Bildpunkt des abgebildeten Bildes projiziert wird, sondern in dem Sinne, dass die Lichtstrahlbündel durch das optische System derart umgelenkt werden, dass in Vertikalrichtung eine fast perfekte Abbildung erfolgt, wohingegen in Horizontalrichtung die einzelnen Bildpunkte verschmiert werden. Zum einen ist es für die Anwendung in einem Kraftfahrzeugscheinwerfer für Abblendlicht nicht notwendig, dass die Abbildung in Horizontalrichtung perfekt ist. Zum anderen ist eine Verschmierung in Horizontalrichtung bei Verwendung von Leuchtdioden als Leuchtmittel vorteilhaft, da Leuchtdioden meist eine gewisse Struktur aufweisen, die bei einer perfekten Abbildung auf die Straße übertragen werden würde. Werden die Bildpunkte jedoch in Horizontalrichtung verschmiert, so hat dies zur Folge, dass die entsprechenden Bereiche gleichmäßig ausgeleuchtet werden. Das erfindungsgemäße optische System, insbesondere die Sekundärlinse, weist in den für den hot spot und die Hell-Dunkel-Grenze verwendeten Abschnitten vorzugsweise einen Astigmatismus in Horizontalrichtung auf.
Das Vorsehen der Unstetigkeit bewirkt auch einen gleichmäßigen Abfall der Lichtstärke bis ca. 12° unterhalb der Hell-Dunkel-Grenze. In Figur 4a und 4b ist jeweils eine Abbildung des Leuchtdiodenchips mit Blickrichtung von einen Punkt aus der Zone Il gezeigt. Ist der Punkt, von dem man aus den Leuchtdiodenchip betrachtet, nahe am unteren Rand der Zone II, so sieht man einen schmalen Streifen (Fif. 4b). Je höher man nach oben zum oberen Rand der Zone Il geht, desto breiter wird der Streifen. All diese Bilder werden mit ihrer durch die Unstetigkeit abgeschnittenen Kante auf der Hell-Dunkel-Grenze liegend überlagert. Dies hat zur Folge, dass sich angrenzend an die Hell-Dunkel-Grenze mehr Bilder überlagern als mit Abstand von der Hell-Dunkel-Grenze. Hierdurch nimmt die Leuchtdichte mit zunehmenden Abstand von der Hell-Dunkel-Grenze und somit nach unten hin allmählich ab.
Ferner führt dieser Effekt dazu, dass ein von diesem optischen System ausgeleuchteter Punkt von Licht, das unterschiedlichen Orten der Leuchtdiode entstammt, beleuchtet wird. Dies führt wiederum dazu, dass die über den Ort der Leuchtdiode variierende Farbverteilung an dem jeweiligen Punkt aus Licht unterschiedlicher Orte der Leuchtdiode gemischt wird, so dass zumindest im hot spot eine gleichmäßige Farbverteilung erzielt wird.
Nachfolgend wird der Aufbau, die Funktionsweise der Sekundärlinse 3 erläutert:
Die Figuren 5a - 6c zeigen jeweils vier Abschnitte I, II, IV und V der Sekundärlinse 3, die den Zonen I1 II, IV und V aus Figur 3 zugeordnet sind. Diese einzelnen Abschnitte können grundsätzlich als separate Bauteile ausgebildet sein. Im vorliegenden
Ausführungsbeispiel sind sie als ein einstückiger Körper ausgebildet, wobei der für die Funktion nicht relevante Abschnitt in der Zone III nicht dargestellt ist. Die Austrittsfläche 7 der Sekundärlinse 3 ist als sphärische Fläche ausgebildet. Eine sphärische Fläche lässt sich einfach herstellen. Grundsätzlich ist auch eine andere Form, z.B. eine ebene Fläche möglich. Die Eintrittsfläche 6 der Sekundärlinse 3 ist in den jeweiligen Abschnitten I, II, IV und V unterschiedlich ausgebildet, um jeweils die gewünschten Funktionen bereit zu stellen.
Für die Erfindung ist vor allem der Abschnitt Il von Bedeutung, in welchem die Lichtstrahlenbündel der Zone Il abgebildet werden. Der Abschnitt Il der Sekundärlinse 3 ist derart ausgebildet, dass eine Brennlinie dieses Abschnittes existiert und auf der Knicklinie 10 der Primärlinse 2 liegt. Hierdurch wird die Knicklinie 10 in das Unendliche abgebildet, d.h., von der Knicklinie 10 ausgehende Lichtstrahlen werden durch den Abschnitt Il der Sekundärlinse 3 in ein paralleles Strahlenbündel umgelenkt. Die Sekundärlinse 3 ist vorzugsweise bezüglich der Primärlinse 1 derart angeordnet, dass die bei der Sekundärlinse aus dem Abschnitt Il austretenden von der Knicklinie 10 stammenden Lichtstrahlen entweder horizontal verlaufen oder mit einem Winkel bis zu 0,5° nach unten geneigt sind. Vorzugsweise wird der Neigungswinkel auf 0,3° eingestellt.
Der Abschnitt V der Sekundärlinse 3 ist derart ausgebildet, dass auch hier eine Brennlinie dieses Abschnittes existiert und auf der unteren Kante 16 der Primärlinse 2 liegt, so dass die von der unteren Kante 16 ausgehenden Lichtstrahlen durch den Abschnitt V der Sekundärlinse 3 ins Unendliche abgebildet werden, d.h., dass diese Lichtstrahlen nach dem Passieren der Sekundärlinse 3 parallel verlaufen. Auch diese Lichtstrahlen sollen mit einer Neigung im Bereich zwischen 0° und 0,5° nach unten verlaufen, vorzugsweise mit dem Neigungswinkel von 0,3°.
Die untere Kante 16 stellt eine Unstetigkeit im Sinne der vorliegenden Erfindung dar, da das Licht, das die Kante 16 oben bzw. unten passiert, in zwei Lichtstrahlteilbündel getrennt wird, die beide genutzt werden können. Die Nutzung des Lichtes unterhalb der Kante 16 wird unten anhand der in Figur 9 gezeigten Ausführungsform gezeigt. Im mathematischen Sinne liegt hier eine Unstetigkeit vor, da das unterhalb der Kante 16 passierende Licht von einer weiteren optischen Fläche umgeleitet werden muss und diese weitere optische Fläche und die an die untere Kante 16 angrenzende optische Fläche der Primärlinse 2 zueinander nicht stetig sind.
Der Abschnitt Il der Sekundärlinse 3 wird im folgenden auch als obere Cut-Off-Linse und der Abschnitt V der Sekundärlinse 3 als untere Cut-Off-Linse bezeichnet.
Mit den beiden Cut-Off-Linsen wird der hot spot ausgeleuchtet, wobei der ausgeleuchtete Bereich in der Horizontalen etwa einen Winkelbereich von 10° abdeckt. Wie man anhand der Bilderfolge in den Figuren 6a bis 6c erkennen kann, überlagern sich die Lichtstrahlteilbündel in einer gewissen Entfernung vom optischen System (Figur 6c), wobei alle Lichtstrahlteilbündel eine definierte obere Grenze besitzen.
Zur Veranschaulichung dieses Effektes ist in Figur 6a bis 6c das optische System aus den Figuren 5a bis 5c dargestellt, wobei in Figur 6a bis 6c in den beiden Cut-Off- Linsen jeweils drei Strahlbündel eingezeichnet sind, die jeweils an der Austrittsfläche 7 der Cut-Off-Linsen durch einen Punkt verlaufen. Diese Strahlbündel umfassen jeweils Lichtstrahlen, die von einem größeren Bereich des Leuchtdiodenchips 8 abgestrahlt werden. Diese Lichtstrahlbündel stellen somit das Bild des Leuchtdiodenchips 8 dar, das man sieht, wenn man von dem Punkt an der Austrittsfläche 7 der Sekundärlinse 3 auf die Primärlinse 2 blickt, durch den das jeweilige Lichtstrahlbündel verläuft. Bei dieser Betrachtungsweise der Lichtstrahlen erkennt man, dass die im Bereich zwischen dem Leuchtdiodenchip 8 und der
Sekundärlinse 3 unten angeordneten Strahlen des Lichtstrahlenbündels nach dem Durchgang durch die Sekundärlinse 3 oben im jeweiligen Lichtstrahlbündel angeordnet sind. D.h., dass mit der Abbildung dieses optischen Systems das Bild des Leuchtdiodenchips 8 nach dem Durchgang der Sekundärlinse 3 auf den Kopf gestellt wird. Dies hat wiederum zur Folge, dass die durch die Knicklinie 10 bzw. durch die untere Kante 16 scharf abgeschnittenen Lichtstrahlbündel, die durch die Cut-Off-Linsen verlaufen, jeweils an ihrem oberen Rand scharf begrenzt sind. Die einzelnen Lichtstrahlbündel, die durch die Cut-Off-Linsen verlaufen, überlagern sich in einer gewissen Entfernung vom optischen System, so dass ein Gesamtlichtstrahlbündel mit einer scharfen oberen Grenze erzeugt wird (Figur 6b, 6c), die auf die durch die Normen bzw. Richtlinien für Kraftfahrzeugfrontscheinwerfer vorgeschriebene Hell-Dunkel-Grenze abgebildet wird.
Erfindungsgemäß wird von einem Teil der Lichtstrahlbündel, nämlich denjenigen, der durch die obere Cut-Off-Linse verläuft, die scharfe Begrenzung durch die Knicklinie 10 erzeugt. Diese Knicklinie, die eine Unstetigkeitslinie darstellt, hat gegenüber der Verwendung einer Blende den Vorteil, dass kein Licht absorbiert wird, sondern Licht auf beiden Seiten der Knicklinie 10 zur Ausleuchtung verwendet werden kann. So wird bei diesem Ausführungsbeispiel Licht, das durch die untere Cut-Off-Linse verläuft, auch zur Ausleuchtung des hot spots verwendet. Das Vorsehen der
Unstetigkeitslinie erlaubt somit eine deutliche Steigerung der Effizienz des optischen Systems. Die Unstetigkeitslinie verläuft in der Projektion auf eine senkrechte Ebene, die senkrecht zu einer Verbindungslinie zwischen der Primärlinse und der Sekundärlinse angeordnet ist, etwa horizontal oder weist gegenüber der Horizontalen eine leichte Neigung auf, die im Bereich von 0° bis 10° liegen kann. Vorzugsweise ist die Projektion der Unstetigkeitslinie an einem Randbereich etwas nach unten geführt, so dass die Hell-Dunkel-Grenze entsprechend den Forderungen der Automobilindustrie asymmetrisch etwas ansteigt.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden auch die Lichtstrahlen, die durch die Abschnitte I und IV der Sekundärlinse 3 verlaufen, verwendet. Die Abschnitte I und IV der Sekundärlinse sind auf der Eintrittsfläche mit Rillen versehen, die ähnlich einer Fresnel-Linse ausgebildet sind und dazu dienen, dass Licht in die seitlichen Randbereiche neben den hot spot abgelenkt wird, um hier eine gewisse Ausleuchtung zu bewirken.
Mit der Primärlinse des obigen Ausführungsbeispiels wird mehr als 80 % des Lichtes der Leuchtdiode auf die Sekundärlinse 3 umgelenkt, wobei eine Beleuchtungsstärkeverteilung erzielt wird, wie sie in Figur 7 gezeigt ist. Mit dem optischen System dieses Ausführungsbeispiels wird eine Effizienz von ca. 60 bis 70 % erzielt.
Der Wirkungsgrad dieses optischen Systems kann durch Vorsehen eines Ringes 17 um die Primärlinse 2 erhöht werden, mit dem Streulicht der Leuchtdiode mittels Brechung bzw. Totalreflektion auf die Sekundärlinse gelenkt wird (Figur 9).
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen optischen Systems liegt darin, dass der Abstand zwischen der Primärlinse 2 und der Sekundärlinse 3 lediglich 3 cm beträgt. Damit weist dieses optische System eine sehr geringe Bautiefe im Vergleich zu herkömmlichen Projektions-Scheinwerfern auf. Bei herkömmlichen Projektions- Scheinwerfern muss im Bereich der Blende eine reales Zwischenbild erzeugt werden, was eine erhebliche Bautiefe erfordert. Bei dem erfindungsgemäßen optischen System wird kein Zwischenbild erzeugt, sondern werden die Lichtstrahlen in Lichtstrahlteilbündel mittels der Unstetigkeit aufgeteilt, die separat von der als Sekundäroptik fungierenden Sekundärlinse umgelenkt werden. Es ist nicht notwendig, hier ein reales Zwischenbild zu erzeugen. Bei den im
Kraftfahrzeugbereich beengten Raumverhältnissen ist dies ein wesentlicher Vorteil gegenüber den herkömmlichen optischen Systemen. Da das erfindungsgemäße optische System sehr kompakt ausgebildet ist, können auch mehrere solche optischen Systeme zu einem Fahrzeugscheinwerfer kombiniert werden, wobei dann Licht mehrere Leuchtdioden zur Erzeugung des Lichtkegels des Fahrzeugscheinwerfers verwendet wird.
Abweichend von dem oben erläuterten Ausführungsbeispiel kann im Rahmen der Erfindung an der Primärlinse 2 an Stelle einer auch mehrere Unstetigkeitslinien vorgesehen sein. Die Unstetigkeitslinien können auch im Bereich der Eintrittsfläche der Primärlinse 2 angeordnet sein. Anstelle einer Sekundärlinse 3 kann auch ein Spiegel bzw. Reflektor 18 (Figur 8) vorgesehen sein, der die scharfe Begrenzungskante der Lichtstrahlteilbündel auf die Hell-Dunkel-Grenze abbildet. Im obigen Ausführungsbeispiel wird ein Leuchtdiodenchip 8 mit einer Linse 9 verwendet, der unmittelbar vor der Primärlinse 2 angeordnet ist. Zur Ausbildung des hot spots können auch die Lichtstrahlteilbündel der Zonen I und IV (Figur 3) verwendet werden, wenn z.B. eine weitere Linse in das optische System eingesetzt wird, die die Abbildung wiederum auf den Kopf stellt.
Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, den Leuchtdiodenchip 8 in die Primärlinse 2 zu integrieren, so dass die Linse 9 weggelassen wird. Dies ist bei einer Massenproduktion eines solchen optischen Systems auch zweckmäßig. Mit anderen Worten heißt dies, dass die erfindungsgemäße Unstetigkeit im Leuchtdiodenelement 1 realisiert wird, das aus dem Leuchtdiodenchip 8 und einer Linse ausgebildet ist, die sowohl die Funktion der Linse 9 als auch die Funktion der Primärlinse 2 erfüllen.
Das erfindungsgemäße optische System stellt zusammen mit einem Leuchtmittel, insbesondere einer Leuchtdiode, eine Beleuchtungseinheit dar. Mehrere solcher Beleuchtungseinheiten können in einem Frontscheinwerfer für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für Abblendlicht, verwendet werden. Diese Beleuchtungseinheiten können jeweils eine separate Sekundärlinse aufweisen. Es ist jedoch auch möglich, die Sekundärlinsen aller Beleuchtungseinheiten aus einem einzigen Körper auszubilden.
Bei den in Figur 1a bis 9 gezeigten Ausführungsbeispielen wird als Leuchtmittel eine Leuchtdiode verwendet. Das erfindungsgemäße System mit einer Unstetigkeitslinie im optischen Primärelement ist besonders für die Verwendung von Leuchtdioden in Frontscheinwerfern für Kraftfahrzeugen geeignet, da hierdurch die oben erläuterten Probleme bezüglich Effizienz, Baugröße, Hell-Dunkel-Grenze, vertikale Ausdehnung des hot spots und Nutzung der Apertur, wie sie bei herkömmlichen optischen Systemen auftreten würden, auf einfache Art und Weise behoben werden. Das erfindungsgemäße optische System ist jedoch auch zur Anwendung mit anderen Leuchtmitteln geeignet. Figur 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem herkömmlichen Leuchtmittel 19 für Kraftfahrzeugscheinwerfer, wie zum Bespiel einer Glühlampe, einer Hochdruckentladungslampe, einer Gasentladungslampe oder dergleichen. Das Licht des Leuchtmittels 19 wird von der Primärlinse 2 erfasst, die wie die Primärlinsen 2 der obigen Ausführungsbeispiel eine Unstetigkeitslinie 10 aufweist. Durch die Unstetigkeitslinie 10 werden zwei Lichtteilstrahlbündel erzeugt und auf die Sekundärlinse 3 umgelenkt. Das obere Lichtstrahlteilbündel weist einen Bereich mit unten durch die Knicklinie 10 scharf abgeschnittener Grenze auf. Durch Abbilden dieser scharf abgeschnittenen Grenze auf die Hell-Dunkel-Grenze kann dieser Bereich des oberen Lichtstrahlteilbündels als Abblendlicht verwendet werden. Das untere Lichtstrahlteilbündel wird bei dieser Ausführungsform von der Sekundärlinse 3 derart umgelenkt, dass es als Fernlicht wirkt. Das Umschalten dieses Scheinwerfers von Fernlicht auf Abblendlicht erfolgt einfach durch Einführen einer Blende 20 in das untere Lichtstrahlteilbündel. Die Blende 20 absorbiert das untere Lichtstrahlteilbündel, wodurch nur noch das Abblendlicht am Scheinwerfer austritt. Wird die Blende 20 aus dem unteren Lichtstrahlteilbündel heraus bewegt, so tritt auch das Licht des unteren Lichtstrahlteilbündels aus dem Scheinwerfer nach außen und erzeugt das Fernlicht.
Befindet sich die Blende im unteren Lichtstrahlteilbündel, so endet sie mit ihrer oberen Kante 21 im dunklen Bereich zwischen den beiden Lichtstrahlteilbündeln. Dies heißt, dass die obere Kante 21 relativ unpräzise positioniert sein kann, da diese Kante keine optische Funktion besitzt. Dies bedeutet, dass das Ein- und Ausfahren der Blende 20 mit einfachen kostengünstigen Mitteln realisiert werden kann. Zudem weist die Blende 20 im Vergleich zu herkömmlichen Blenden, auf weiche ein reales Zwischenbild des Leuchtmittels projiziert wird, eine große Fläche auf, da sie nicht einen kleinen Abschnitt eines realen Zwischenbildes ausblenden muss, sondern ein Teillichtstrahlbündel komplett ausblenden kann. Hierdurch lässt sich die Blende wesentlich einfacher kühlen, als dies bei herkömmlichen Scheinwerfern der Fall ist. Zudem erlaubt diese Ausbildung eines Frontscheinwerfers eine freiere Gestaltung des Fernlichts.
Sollte nach der Sekundärlinse 3 noch eine weitere Linse vorgesehen sein, so kann die Blende auch im oberen Lichtstrahlteilbündel angeordnet sein und das untere Lichtstrahlteilbündel als Abblendlicht verwendet werden. Hierbei wird die untere Kante 16 der Primärlinse 2 auf die Hell-Dunkel-Grenze abgebildet. Die oben dargestellten Ausführungsbeispiele weisen jeweils als Unstetigkeit eine Knicklinie 10 auf, die an einer optischen Fläche der Primärlinse ausgebildet ist. Im Bereich der Knicklinie bilden die angrenzenden Flächenabschnitte mit ihren Tangentialflächen einen stumpfen Winkel. Diese Art der Knicklinie kann sowohl an der Eintrittsfläche als auch an der Austrittsfläche der Primärlinse ausgebildet sein. Anstelle der Primärlinse kann jedoch auch ein Reflektor vorgesehen sein. Dies gilt insbesondere für die Ausführungsform nach Figur 10 mit einem herkömmlichen Leuchtmittel. Die Unstetigkeit wird hierbei durch eine Kante im Reflektor ausgebildet, bei der die angrenzenden Tangentialflächen einen Winkel von > 180° bilden.
Anstelle einer Kante, bei der die angrenzenden Flächenabschnitte aneinander stoßen, kann die Unstetigkeit auch als Stufe sowohl in der Linse als auch am Reflektor ausgebildet sein.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele weisen die Unstetigkeitslinie an der Austrittsfläche der Primärlinse auf. Im Rahmen der Erfindung ist es selbstverständlich auch möglich, die Unstetigkeit an der Eintrittsfläche der Primärlinse vorzusehen.
Bezugszeichenliste
1 Leuchtdiodenelement
2 Primärlinse
3 Sekundärlinse
4 Eintrittsfläche der Primärlinse
5 Austrittsfläche der Primärlinse
6 Eintrittsfläche der Sekundärlinse
7 Austrittsfläche der Sekundärlinse
8 Leuchtdiodenchip
9 Linse
10 Knicklinie
11 Segment
12 Segment
13 Lichtstrahlteilbündel
14 Lichtstrahlteilbündel
15 obere Kante
16 untere Kante
17 Ring
18 Reflektor
19 Leuchtmittel
20 Blende
21 obere Kante der Blende

Claims

Patentansprüche
1. Optisches System für einen Kraftfahrzeugscheinwerfer zum Verteilen eines Lichtstrahlbündels eines Leuchtmittels, umfassend
ein optisches Primärelement (2) mit einer optischen Fläche (4, 5) mit einer entlang einer Linie verlaufenden Unstetigkeit (10), wobei zumindest auf einer Seite benachbart zur Unstetigkeit die optische Fläche (4, 5) glatt ausgebildet ist, und die an der Unstetigkeit gegenüberliegenden Flächenbereiche der optischen Fläche (4, 5) mit ihren an die Unstetigkeit angrenzenden Tangentialebenen einen stumpfen Winkel bilden, so dass das Lichtstrahlbündel in zwei Lichtstrahlteilbündel (13, 14) aufgeteilt wird, wobei zumindest eines der Lichtstrahlteilbündel (13) eine scharfe Begrenzungskante aufweist, und ein optisches Sekundärelement (3) zum Abbilden der scharfen Begrenzungskante auf eine vorbestimmte Hell-Dunkel-Grenze.
2. Optisches System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Unstetigkeit ein Knick (10) in der optischen Fläche (5) ist.
3. Optisches System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Unstetigkeit eine Stufe in der optischen Fläche ist.
4. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Primärelement eine Linse (2) ist.
5. Optisches System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Fläche die Linseneintrittsfläche und/oder die Linsenaustrittsfläche ist.
6. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Primärelement ein Reflektor ist.
7. Optisches System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Fläche die Reflektorfläche ist, wobei die an die Unstetigkeit angrenzenden Flächenbereiche einen Winkel größer als 180° bilden.
8. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Unstetigkeit (10) entlang einer Linie verläuft, die in der Projektion auf eine zu einer fiktiven Verbindungslinie zwischen dem optischen Primärelement und dem optischen Sekundärelement senkrecht stehende Ebene etwa geradlinige Linie bildet, die entweder horizontal oder gegenüber der Horizontalen etwas gekippt verläuft.
9. Optisches System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel der projizierten Linie im Bereich von 0° bis 10° gegenüber der Horizontalen liegt.
10. Optisches System nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die vertikale Ebene projizierte Unstetigkeitslinie an einem Endbereich etwas nach unten geführt ist.
11. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Sekundärelement (3) ein weiteres Lichtstrahlteilbündel (14) auf den durch das erste Lichtstrahlteilbündel ausgeleuchteten Bereich umlenkt, der benachbart zur Hell-Dunkel-Grenze ist.
12. Optisches System nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Lichtstrahlteilbündel (14) ein durch die Unstetigkeit vom ersten Lichtstrahlteilbündel (13) abgetrenntes Lichtstrahlteilbündel ist.
13. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 - 12, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Sekundärelement mehrere Abschnitte (I - V) aufweist, mit welchen zumindest zwei Zonen (II, V) der Lichtstrahlteilbündel mit ihren Begrenzungskanten derart auf die Hell-Dunkel-Grenze abgebildet werden, dass sich diese beiden Zonen überlagern.
14. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 - 13, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Sekundärelement ein Astigmatismus in Horizontalrichtung aufweist.
15. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 - 14, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Sekundärelement eine Linse (3) ist.
16. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 - 15, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Sekundärelement ein Reflektor (18) ist.
17. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass es keine Blende aufweist.
18. Beleuchtungseinheit für einen Kraftfahrzeugscheinwerfer mit einer optischen System nach einem der Ansprüche 1 bis 17 und einem Leuchtmittel, wobei die System bzgl. des Leuchtmittels derart angeordnet ist, dass es das vom Leuchtmittel abgestrahlte Licht mittels der Unstetigkeit in zumindest zwei räumlich getrennte Teillichtstrahlbündel trennt.
19. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Leuchtmittel eine Leuchtdiode ist.
20. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdiode angrenzend zum optischen Abbildungselement bzw. Primärabbildungselement angeordnet ist.
21. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Leuchtmittel eine Glühlampe oder eine Hochdruckgasentladungslampe ist.
22. Beleuchtungseinheit nach einem der Ansprüche 18 - 21 , dadurch gekennzeichnet, dass eine bewegliche Blende zum Ausblenden eines räumlich getrennten Teillichtstrahlbündels vorgesehen ist, wobei dieser Teillichtstrahlbündel als
Fernlicht fungiert.
23. Kraftfahrzeugscheinwerfer umfassend eine oder mehrere Beleuchtungseinheiten nach einem der Ansprüche 19 - 22.
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