EP2771611B1 - Lighting device for a motor vehicle - Google Patents

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EP2771611B1
EP2771611B1 EP12775663.3A EP12775663A EP2771611B1 EP 2771611 B1 EP2771611 B1 EP 2771611B1 EP 12775663 A EP12775663 A EP 12775663A EP 2771611 B1 EP2771611 B1 EP 2771611B1
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EP
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illumination device
light
illumination
light source
point
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EP12775663.3A
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Helmut Erdl
Abdelmalek Hanafi
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Bayerische Motoren Werke AG
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Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug.The invention relates to a lighting device for a motor vehicle.

Heutzutage kommen in Kraftfahrzeugen vermehrt LED-Beleuchtungseinrichtungen zum Einsatz, mit denen geeignete Lichtverteilungen für Signalleuchten bzw. Scheinwerfer des Fahrzeugs generiert werden. Da die Leuchtdichte für LEDs relativ gering ist, sind insbesondere zur Erzeugung von Licht mit hoher Reichweite große Bauräume für die Beleuchtungseinrichtung erforderlich. Bei kleineren Bauräumen sind Beleuchtungseinrichtungen basierend auf LEDs nicht effizient. Ferner ist es schwierig, mit LEDs hochgenau beliebig geformte Lichtverteilung zu generieren.Nowadays, LED lighting devices are increasingly used in motor vehicles with which suitable light distributions for signal lights or headlights of the vehicle are generated. Since the luminance for LEDs is relatively low, large installation spaces are required for the lighting device, in particular to generate light with a long range. With smaller installation spaces, lighting devices based on LEDs are not efficient. Furthermore, it is difficult to generate light distribution of any shape with high precision using LEDs.

Eine Beleuchtungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist z.B. aus US 2011/249460 A1 bekannt.A lighting device for a motor vehicle according to the preamble of claim 1 is, for example, from US 2011/249460 A1 known.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Beleuchtungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, mit der auf kleinen Bauräumen hochpräzise bzw. effizient Lichtverteilungen generiert werden können.The object of the invention is to create a lighting device for a motor vehicle with which high-precision and efficient light distributions can be generated in small installation spaces.

Diese Aufgabe wird durch die Beleuchtungseinrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.This object is achieved by the lighting device according to patent claim 1. Further developments of the invention are defined in the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Befeuchtungseinrichtung ist für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen PKW und ggf. auch für einen LKW, vorgesehen. Die Einrichtung umfasst eine oder mehrere Beleuchtungseinheiten, wobei eine jeweilige Beleuchtungseinheit derart ausgestaltet ist, dass sie im Betrieb mittels Laserlicht eine punktförmige Lichtquelle erzeugt. Unter punktförmiger Lichtquelle ist dabei eine Lichtquelle mit einer kleinen lichtemittierenden Fläche und großem Lichtstrom, d.h. hoher Leuchtdichte, zu verstehen, welche in Bezug auf die Abmessungen der Beleuchtungseinrichtung in sehr guter Näherung als punktförmig dergestalt angenommen werden kann, dass alle Strahlen der Lichtquelle von einem einzelnen Punkt ausgehen.The humidifying device according to the invention is intended for a motor vehicle, in particular for a car and possibly also for a truck. The device comprises one or more lighting units, a respective lighting unit being designed in such a way that it generates a point light source by means of laser light during operation. A point light source is a light source with a small light-emitting area and a large luminous flux, i.e. high luminance, which in relation to the dimensions of the lighting device can be assumed to a very good approximation as point-shaped in such a way that all rays of the light source emanate from a single point.

Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung umfasst ferner eine optische Einrichtung, welche derart ausgestaltet und in Bezug auf die Beleuchtungseinheit bzw. die Beleuchtungseinheiten angeordnet ist, dass eine vorbestimmte Lichtverteilung aus dem Licht der punktförmigen Lichtquelle nach Passieren der optischen Einrichtung generiert wird. Die optische Einrichtung kann dabei ggf. aus mehreren Teileinheiten aufgebaut sein, welche jeweils separat einer Beleuchtungseinheit zugeordnet sind. Ebenso besteht die Möglichkeit, dass die optische Einrichtung eine durchgehende Einheit darstellt, auf welche das Licht aller Beleuchtungseinheiten fällt.The lighting device according to the invention further comprises an optical device which is designed and arranged in relation to the lighting unit or the lighting units in such a way that a predetermined light distribution is generated from the light of the point-shaped light source after passing through the optical device. The optical device can optionally be constructed from several subunits, which are each assigned separately to a lighting unit. There is also the possibility that the optical device represents a continuous unit on which the light from all lighting units falls.

Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung weist den Vorteil auf, dass über Laserlicht auf einfache Weise eine punktförmige Lichtquelle mit sehr hoher Leuchtdichte generiert werden kann, so dass die entsprechenden Abmessungen der Beleuchtungseinrichtung, insbesondere der optischen Einrichtung zur Generierung der vorbestimmten Lichtverteilung, kompakt gewählt werden können. Die maximale Ausdehnung der punktförmigen Lichtquelle in Draufsicht, d.h. gesehen in Hauptstrahlrichtung mit größter Intensität der Lichtquelle, beträgt gemäß der Erfindung 500 µm oder weniger, vorzugsweise 100 µm oder weniger und besonders bevorzugt 20 µm oder weniger. Ferner weist die punktförmige Lichtquelle in Draufsicht vorzugsweise eine emittierende Fläche von 0,5 mm2 oder weniger auf, insbesondere von 0,01 mm2 oder weniger und besonders bevorzugt von 0,0002 mm2 oder weniger. Die punktförmige Lichtquelle umfasst insbesondere eine emittierende eckige Fläche, deren Kanten eine Länge von 500 µm oder weniger und vorzugsweise von 20 µm oder weniger aufweisen. Die punktförmige Lichtquelle mit den soeben beschriebenen Ausdehnungen ist gemäß der Erfindung derart ausgestaltet, dass sie eine Leuchtdichte von 10^'9 Cd/m2 oder mehr aufweist. Bevorzugt generiert sie einen Lichtstrom von 100 Lm oder mehr und insbesondere von 200 Lm oder mehr und/oder weist sie eine Strahlleistung von 1 Watt auf. Solche punktförmigen Lichtquellen können nur mit Laserlicht, z.B. unter Verwendung von Laserdioden, erreicht werden.The lighting device according to the invention has the advantage that a point light source with very high luminance can be generated in a simple manner via laser light, so that the corresponding dimensions of the lighting device, in particular the optical device for generating the predetermined light distribution, can be selected compactly. According to the invention, the maximum extent of the point light source in plan view, ie viewed in the main beam direction with the greatest intensity of the light source, is 500 μm or less, preferably 100 μm or less and particularly preferably 20 μm or less. Furthermore, the point light source in plan view preferably has an emitting area of 0.5 mm 2 or less, in particular of 0.01 mm 2 or less and particularly preferably of 0.0002 mm 2 or less. The point light source comprises in particular an emitting angular surface, the edges of which have a length of 500 μm or less and preferably of 20 μm or less. The point-like light source with the dimensions just described is designed according to the invention in such a way that it has a luminance of 10 ^ 9 Cd / m 2 or more. It preferably generates a luminous flux of 100 Lm or more and in particular 200 Lm or more and / or it has a beam power of 1 watt. Such point-shaped light sources can only be achieved with laser light, for example using laser diodes.

Aufgrund der Verwendung einer punktförmigen Lichtquelle können problemlos durch die nachgeschaltete optische Einrichtung frei geformte Lichtverteilungen je nach Verwendungszweck der Beleuchtungseinrichtung generiert werden. Insbesondere kann dabei algorithmisch besonders einfach die Form der optischen Einrichtung zur Generierung einer bestimmten Lichtverteilung ermittelt werden, denn es kann bei den entsprechenden Berechnungen von einer idealen punktförmigen Lichtquelle ausgegangen werden. Zur Berechnung der Form der optischen Einrichtung kann insbesondere der sog. ITWM-Algorithmus verwendet werden, welcher vom Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik entwickelt wurde.Due to the use of a point light source, freely shaped light distributions can easily be generated by the downstream optical device, depending on the intended use of the lighting device. In particular, the shape of the optical device for generating a specific light distribution can be determined algorithmically in a particularly simple manner, because the corresponding calculations can be based on an ideal point light source. The so-called ITWM algorithm, which was developed by the Fraunhofer Institute for Industrial Mathematics, can be used in particular to calculate the shape of the optical device.

In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung erzeugt zumindest eine Beleuchtungseinheit im Betrieb eine punktförmige Weißlichtquelle. Diese Variante kommt insbesondere dann zum Einsatz, wenn die Beleuchtungseinrichtung die Funktion eines Frontscheinwerfers übernehmen soll.In one embodiment of the lighting device according to the invention, at least one lighting unit generates a point-like white light source during operation. This variant is used in particular when the lighting device is to assume the function of a headlight.

In einer weiteren, besonders bevorzugten Variante der Erfindung umfasst zumindest eine Beleuchtungseinheit eine oder mehrere Laserdioden, insbesondere eine oder mehrere monochromatische Laserdioden. Solche Laserdioden weisen heutzutage Strahldichten auf, so dass punktförmige Lichtquellen mit hoher Leuchtdichte generiert werden können. Dabei ist die direkte Strahldichte von Laserdioden wesentlich höher als von herkömmlichen LEDs. Die Strahldichte einer blauen Laserdiode beträgt derzeit ca. 7×105 Watt/cm2, während die Strahldichte einer LED lediglich bei 20 Watt/cm2 liegt. Vorzugsweise werden in der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung dabei Laserdioden mit einer Lichtleistung von mindestens 1 Watt und insbesondere zwischen 1,5 und 3,0 Watt oder zwischen 1,5 und 5 Watt verwendet.In a further, particularly preferred variant of the invention, at least one lighting unit comprises one or more laser diodes, in particular one or more monochromatic laser diodes. Such laser diodes nowadays have radiation densities, so that point-shaped light sources with high luminance can be generated. The direct radiation density of laser diodes is significantly higher than that of conventional LEDs. The radiance of a blue laser diode is currently approx. 7 × 10 5 watts / cm 2 , while the radiance of an LED is only 20 watts / cm 2 . Laser diodes with a light output of at least 1 watt and in particular between 1.5 and 3.0 watts or between 1.5 and 5 watts are preferably used in the lighting device according to the invention.

In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform umfasst zumindest eine Beleuchtungseinheit einen Wandler, welcher aus dem monochromatischem Licht der Laserdiode oder Laserdioden Weißlicht generiert. Der Wandler kann dabei eine Phosphorkonvertierungsschicht umfassen, auf welche die Laserstrahlung der Laserdiode oder der Laserdioden mittels einer Optik (z.B. einer Linse) fokussiert wird, wodurch auf der Phosphorkonvertierungsschicht die punktförmige Weißlichtquelle generiert wird. Phosphorkonvertierungsschichten zur Wandlung von monochromatischem Licht sind an sich bekannt. Beispielsweise kann bei einer blauen Laserdiode mit einer Emissionswellenlänge von 450 nm eine Phosphorkonvertierungsschicht aus Ce:YAG-Phosphor zur Generierung von Weißlicht verwendet werden. Für violettes Laserlicht mit einer Wellenlänge von 405 nm kommt insbesondere eine Phosphorkonvertierungsschicht aus Cerium-dotiertem Nitrid-Phosphor oder Cerium-dotiertem Oxinitrid-Phosphor zum Einsatz.In a further, preferred embodiment, at least one lighting unit comprises a converter which generates white light from the monochromatic light of the laser diode or laser diodes. The converter can comprise a phosphor conversion layer on which the laser radiation from the laser diode or laser diodes is focused by means of an optical system (e.g. a lens), whereby the point-like white light source is generated on the phosphor conversion layer. Phosphor conversion layers for converting monochromatic light are known per se. For example, in the case of a blue laser diode with an emission wavelength of 450 nm, a phosphor conversion layer made of Ce: YAG phosphor can be used to generate white light. For violet laser light with a wavelength of 405 nm, a phosphor conversion layer made of cerium-doped nitride-phosphorus or cerium-doped oxynitride-phosphorus is used in particular.

Zur Wandlung von monochromatischem Laserlicht in Weißlicht kann ggf. auch ein Lichtleiter verwendet werden, in dem die monochromatische Laserstrahlung von mehreren monochromatischen Laserdioden zur Generierung von Weißlicht geeignet kombiniert wird. Die punktförmige Weißlichtquelle kann dabei an der Austrittsfläche des Lichtleiters gebildet sein. Ebenso kann auch eine Optik vorgesehen sein, welche das aus dem Lichtleiter austretende Weißlicht zur Bildung einer punktförmigen Lichtquelle geeignet fokussiert.To convert monochromatic laser light into white light, a light guide can optionally also be used in which the monochromatic laser radiation from several monochromatic laser diodes is suitably combined to generate white light. The point-like white light source can be formed on the exit surface of the light guide be. Likewise, optics can also be provided which suitably focus the white light emerging from the light guide to form a point light source.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst zumindest eine Beleuchtungseinheit eine einzelne monochromatische Laserdiode, welche eine punktförmige Lichtquelle darstellt. Diese Variante kommt insbesondere dann zum Einsatz, wenn mit der Beleuchtungseinrichtung ein Licht mit einer bestimmten Farbe generiert werden soll.In a further embodiment of the invention, at least one lighting unit comprises a single monochromatic laser diode which represents a point light source. This variant is used in particular when a light with a specific color is to be generated with the lighting device.

Je nach Anwendungsfall kann die Anzahl der in der Beleuchtungseinrichtung verbauten Beleuchtungseinheiten variieren, in einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Beleuchtungseinrichtung 10 Beleuchtungseinheiten oder weniger, insbesondere 3 bis 6 Beleuchtungseinheiten.Depending on the application, the number of lighting units built into the lighting device can vary; in a preferred embodiment, the lighting device comprises 10 lighting units or fewer, in particular 3 to 6 lighting units.

Je nach Anwendungsfall kann die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung verschiedene Funktionalitäten übernehmen. In einer Ausführungsform umfasst die Beleuchtungseinrichtung einen Fahrzeugscheinwerfer. Ein Fahrzeugscheinwerfer zeichnet sich dadurch aus, dass er aktiv die Umgebung des Fahrzeugs ausleuchtet. Ggf. kann die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung auch eine Fahrzeugsignalleuchte umfassen, welche sich dadurch auszeichnet, dass sie lediglich zur Signalgebung für andere Verkehrsteilnehmer dient. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Beleuchtungseinrichtung derart ausgestaltet, dass sie im Betrieb als vorbestimmte Lichtverteilung eine Abblendlichtcharakteristik generieren kann. Die Charakteristik von Abblendlicht Ist an sich bekannt und auch in gesetzlichen Normen bzw. Standards (z.B. SAE-Standards) festgelegt. Ein Abblendlicht zeichnet sich dadurch aus, dass die Winkelverteilung im abgestrahlten Licht eine horizontale Hell/Dunkel-Grenze besitzt, um die entgegenkommenden Verkehrsteilnehmer nicht zu blenden. In der Regel ist dabei die Winkelverteilung zur Beleuchtung des Fahrbahnrands breiter ausgelegt. Ferner besitzt ein Abblendlicht eine endliche Reichweite, welche vorzugsweise bei in etwa 65 m liegt. Mit der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung ist es dabei möglich, für ein Abblendlicht eine Hell/Dunkel-Grenze mit hohem Kontrast zu generieren.Depending on the application, the lighting device according to the invention can take on various functionalities. In one embodiment, the lighting device comprises a vehicle headlight. A vehicle headlight is characterized by the fact that it actively illuminates the area around the vehicle. Possibly. For example, the lighting device according to the invention can also comprise a vehicle signal lamp, which is characterized in that it is only used for signaling other road users. In a preferred embodiment, the lighting device is designed such that it can generate a low beam characteristic as a predetermined light distribution during operation. The characteristics of low beam is known per se and is also specified in legal norms or standards (e.g. SAE standards). A low beam is characterized by the fact that the angular distribution in the emitted light has a horizontal light / dark boundary so as not to dazzle the oncoming road users. As a rule, the angular distribution for illuminating the edge of the road is designed to be wider. Furthermore, a low beam has a finite range, which is preferably around 65 m. With the lighting device according to the invention, it is possible to generate a light / dark boundary with high contrast for a low beam.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Beleuchtungseinrichtung derart ausgestaltet, dass sie im Betrieb als vorbestimmte Lichtverteilung eine Femlichtcharakteristik generieren kann. Die Lichtverteilung von Fernlicht ist an sich bekannt und zeichnet sich dadurch aus, dass das Licht eine höhere Reichweite als Abblendlicht aufweist und somit in einem kleineren Winkelbereich um die Fahrzeugachse konzentriert ist. Insbesondere ist für Fernlicht keine Reichweitenbegrenzung festgelegt. Eine Reduzierung der Lichtaustrittsfläche führt bei gleichbleibenden Lichtwerten im Allgemeinen zu einer Erhöhung von Blendwerten, der ein entgegenkommendes Fahrzeug ausgesetzt wäre. Im Falle der Fernlichtfunktion ist eine Reduzierung der Baugröße und damit eine Erhöhung der Blendwerte unproblematisch, denn der Betrieb von Fernlicht ist in der Regel nur dann vorgesehen, wenn kein Gegenverkehr entgegen kommt. Nichtsdestotrotz kann mit der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung ggf. auch ein blendfreies Fernlicht realisiert werden, welches eine Lichtverteilung mit einer vertikalen Hell/Dunkel-Grenze mit möglichst hohem Kontrast zu dem Schattenbereich aufweist, in dem sich der Gegenverkehr befindet. Die punktförmige Lichtquelle erlaubt hierbei eine wesentlich präzisere Ausführung der Hell/Dunkel-Grenze und reduziert damit auch in diesem Fall die Blendwirkung.In a further embodiment of the invention, the lighting device is designed in such a way that it can generate a far light characteristic as a predetermined light distribution during operation. The light distribution of high beam is known per se and is characterized characterized in that the light has a greater range than low beam and is therefore concentrated in a smaller angular range around the vehicle axis. In particular, no range limit is specified for high beam. A reduction in the light exit area generally leads to an increase in glare values to which an oncoming vehicle would be exposed if the light values remain the same. In the case of the high beam function, reducing the size and thus increasing the glare values is not a problem, because high beam operation is usually only provided when there is no oncoming traffic. Nonetheless, the lighting device according to the invention can optionally also be used to produce a glare-free high beam which has a light distribution with a vertical light / dark boundary with the highest possible contrast to the shadow area in which the oncoming traffic is located. The point-shaped light source allows the light / dark boundary to be implemented much more precisely and thus also reduces the glare effect in this case.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfassen eine oder mehrere der Beleuchtungseinheiten neben der punktförmigen, mittels Laserlicht erzeugten Lichtquelle eine oder mehrere herkömmliche LEDs bzw. Leuchtdioden, deren erzeugtes Licht kein Laserlicht ist. Die Beleuchtungseinrichtung ist dabei derart ausgestaltet, dass sie eine Lichtcharakteristik generieren kann, welche sich aus dem Licht der LED oder LEDs und dem Licht der punktförmigen Lichtquelle zusammensetzt. Vorzugsweise erzeugt die punktförmige Lichtquelle dabei den Anteil der Lichtcharakteristik, der eine besonders hohe Präzision erfordert. Im Besonderen kann die Lichtcharakteristik wiederum eine Fernlichtcharakteristik sein, wobei die punktförmige Lichtquelle für den Anteil der Fernlichtcharakteristik zuständig ist, der den zentralen Fernlichtspot zum Erreichen der Reichweite des Fernlichts darstellt. Die Lichtverteilung um diesen Femlichtspot mit geringerer Reichweite wird dabei durch die LED bzw. LEDs generiert. Ggf. besteht ferner die Möglichkeit, dass die LED oder LEDs und die punktförmige Lichtquelle separat zur Erzeugung bestimmter Lichtverteilungen geschaltet werden.In a further preferred embodiment, one or more of the lighting units comprise, in addition to the point-like light source generated by means of laser light, one or more conventional LEDs or light-emitting diodes whose light generated is not laser light. The lighting device is designed in such a way that it can generate a light characteristic which is composed of the light from the LED or LEDs and the light from the point-like light source. The point-like light source preferably generates the portion of the light characteristic that requires particularly high precision. In particular, the light characteristic can in turn be a high beam characteristic, the point light source being responsible for the portion of the high beam characteristic which represents the central high beam spot for reaching the range of the high beam. The light distribution around this far-light spot with a shorter range is generated by the LED or LEDs. Possibly. there is also the possibility that the LED or LEDs and the point-like light source are switched separately to generate certain light distributions.

Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung kann auch zur Generierung anderer Lichtverteilungen vorgesehen sein. Insbesondere kann die Beleuchtungseinrichtung auch die Funktion von mehreren unterschiedlichen Scheinwerfern bzw. Signalleuchten übernehmen. Insbesondere kann die Beleuchtungseinrichtung auch ein Tagfahrlicht und/oder einen Blinker und/oder eine Rückfahrleuchte und/oder ein Nebellicht und/oder ein Abbiegelicht und/oder ein Markierungslicht und/oder ein Schlusslicht und/oder ein Bremslicht und/oder einen dynamischen Lichtspot und dergleichen umfassen.The lighting device according to the invention can also be provided for generating other light distributions. In particular, the lighting device can also take over the function of several different headlights or signal lights. In particular, the lighting device can also have a daytime running light and / or a turn signal and / or a reversing light and / or a fog light and / or a A cornering light and / or a marker light and / or a tail light and / or a brake light and / or a dynamic light spot and the like.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Beleuchtungseinrichtung derart ausgestaltet, dass sie im Betrieb eine oder mehrere vorgegebene Strukturen, insbesondere eine oder mehrere Flächenformen und/oder einen oder mehrere Streifen und/oder einen oder mehrere Spots und/oder einen oder mehrere Pfeile und/oder ein oder mehrere Symbole und/oder ein oder mehrere Zeichen, als vorbestimmte Lichtverteilung generieren kann.In a further preferred embodiment, the lighting device is designed in such a way that, during operation, it displays one or more predefined structures, in particular one or more surface shapes and / or one or more stripes and / or one or more spots and / or one or more arrows and / or can generate one or more symbols and / or one or more characters as a predetermined light distribution.

Die in der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung verwendete optische Einrichtung kann je nach Anwendungsfall unterschiedlich ausgestaltet sein. Vorzugsweise umfasst diese Einrichtung zumindest einen Reflektor und/oder zumindest eine Linse.The optical device used in the lighting device according to the invention can be configured differently depending on the application. This device preferably comprises at least one reflector and / or at least one lens.

Wie bereits oben erwähnt, kann die Beleuchtungseinrichtung aufgrund der Verwendung von punktförmigen Lichtquellen mit hoher Leuchtdichte kompakte Abmessungen aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist dabei die maximale Ausdehnung der optischen Einrichtung in Draufsicht (d.h. gesehen in der Hauptstrahlrichtung mit größter Intensität) 50 mm oder weniger, insbesondere 30 mm oder weniger.As already mentioned above, the lighting device can have compact dimensions due to the use of point light sources with high luminance. In a preferred embodiment, the maximum extent of the optical device in plan view (i.e. viewed in the main beam direction with the greatest intensity) is 50 mm or less, in particular 30 mm or less.

Neben der oben beschriebenen Beleuchtungseinrichtung umfasst die Erfindung ferner ein Kraftfahrzeug, welches eine oder mehrere der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtungen umfasst.In addition to the lighting device described above, the invention also includes a motor vehicle which includes one or more of the lighting devices according to the invention.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Fig. 1 beschrieben. Diese Figur zeigt in schematischer Darstellung den Aufbau einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug.Embodiments of the invention are described below with reference to the attached Fig. 1 described. This figure shows a schematic representation of the structure of a lighting device according to the invention for a motor vehicle.

Im Folgenden wird die Erfindung basierend auf einer Beleuchtungseinrichtung in der Form eines Frontscheinwerfers eines Kraftfahrzeugs beschrieben, mit dem aktiv die Umgebung ausgeleuchtet wird. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Frontscheinwerfer um das Abblendlicht oder um das Fernlicht des Fahrzeugs. Nichtsdestotrotz kann die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung ggf. auch als Signalleuchte im Kraftfahrzeug, wie z.B. als Bremslicht, Blinker und dergleichen realisiert sein.In the following, the invention is described based on a lighting device in the form of a headlight of a motor vehicle, with which the surroundings are actively illuminated. The headlight is preferably the low beam or the high beam of the vehicle. Nonetheless, the lighting device according to the invention can optionally also be implemented as a signal light in the motor vehicle, such as, for example, a brake light, blinker and the like.

In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung wird eine Mehrzahl von mit Bezugszeichen 1 bezeichneten Beleuchtungseinheiten verwendet, wobei nur eine der Beleuchtungseinheiten wiedergegebenen ist und die anderen Einheiten neben bzw. oberhalb oder unterhalb der dargestellten Beleuchtungseinheiten angeordnet sein können. Die Beleuchtungseinheit umfasst eine Laserdiode 2 mit einer Laserstrahl-Austrittsfläche 201, eine als Linse angedeutete Vorsatzoptik 3 sowie eine Phosphorkonvertierungsschicht 4. Für die Beleuchtungseinheit ist dabei eine Freiformfläche 6 vorgesehen, welche in der Ausführungsform der Fig. 1 als ein spiegelnder Reflektor ausgebildet ist. Es können dabei separate Freiformflächen für jede Beleuchtungseinheit vorgesehen sein. Ebenso ist es möglich, dass eine zusammenhängende Freiformfläche für alle Beleuchtungseinheiten gebildet wird.In the in Fig. 1 The embodiment of the lighting device shown here uses a plurality of lighting units designated by reference numeral 1, only one of the lighting units being shown and the other units being able to be arranged next to or above or below the lighting units shown. The lighting unit comprises a laser diode 2 with a laser beam exit surface 201, an auxiliary optics 3 indicated as a lens, and a phosphor conversion layer 4. For the lighting unit, a free-form surface 6 is provided, which in the embodiment of FIG Fig. 1 is designed as a specular reflector. Separate free-form surfaces can be provided for each lighting unit. It is also possible that a coherent free-form surface is formed for all lighting units.

In der hier beschriebenen Ausführungsform der Erfindung macht man sich die Erkenntnis zunutze, dass Laserdioden sehr hohe Strahldichten aufweisen, wodurch mit hoher Lichteffizienz und Präzision Scheinwerferlichtverteilungen bei zugleich kleinem Bauraum des Scheinwerfers generiert werden können. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 wird dabei eine blaue Laserdiode mit einer Emissionswellenlänge von 450 nm eingesetzt, bei der die Strahldichte bei etwa 7×109 Watt/m2 liegt. Die Laserdiode stellt eine im Wesentlichen punktförmige Lichtquelle dar, deren Abstrahlcharakteristik A schematisch angedeutet ist. Punktförmig bedeutet hierbei, dass die Strahlfläche im Vergleich zu den restlichen Komponenten der Beleuchtungseinrichtung wesentlich kleiner ist, so dass in sehr guter Nährung davon ausgegangen werden kann, dass alle Lichtstrahlen der Laserdiode von einem Punkt ausgehen. In Fig. 1 beträgt die Abmessung L1 der Beleuchtungseinheit 1 in horizontaler Richtung in etwa 15 mm. Der Abstand L2 zwischen der Schicht 4 und der Freiformfläche 6 ist wesentlich größer als die Ausdehnung L1 und liegt zwischen 3und 10 cm. Dabei ist zu beachten, dass die Darstellung der Fig. 1 nicht maßstäblich ist. Demgegenüber wird beispielhaft durch die Laserdiode in Draufsicht entlang der optischen Achse O eine Leuchtfläche in der Form eines Rechtecks mit Kantenlängen von 10 µm und 15 µm generiert.In the embodiment of the invention described here, use is made of the knowledge that laser diodes have very high radiation densities, as a result of which headlight light distributions can be generated with high light efficiency and precision while at the same time the installation space of the headlight is small. In the embodiment of Fig. 1 a blue laser diode with an emission wavelength of 450 nm is used for which the radiation density is about 7 × 10 9 watt / m 2 . The laser diode represents an essentially point-shaped light source, the emission characteristic A of which is indicated schematically. In this context, point-shaped means that the beam area is significantly smaller in comparison to the remaining components of the lighting device, so that it can be assumed in a very good approximation that all light beams of the laser diode emanate from a point. In Fig. 1 the dimension L1 of the lighting unit 1 in the horizontal direction is approximately 15 mm. The distance L2 between the layer 4 and the free-form surface 6 is significantly greater than the dimension L1 and is between 3 and 10 cm. It should be noted that the representation of the Fig. 1 is not to scale. In contrast, the laser diode generates, for example, a light area in the form of a rectangle with edge lengths of 10 μm and 15 μm in plan view along the optical axis O.

Wie in Fig. 1 angedeutet ist, wird durch die Vorsatzoptik 3 die Strahlung der Laserdiode auf ein Phosphorkonvertierungsschicht 4 fokussiert. Phosphorkonvertierungsschichten sind dabei an sich aus dem Stand der Technik bekannt und dienen dazu, aus monochromatischem Laserlicht Weißlicht zu generieren. Bei der Verwendung einer blauen Laserdiode wird vorzugsweise als Material der Phosphorkonvertierungsschicht Ce:YAG-Phosphor eingesetzt. Je nach Emissionswellenlänge der Laserdiode können auch andere Materialien verwendet werden. Wird beispielsweise eine violette Laserdiode mit einer Emissionswellenlänge von 405 nm eingesetzt, kommt in einer bevorzugten Variante das Phosphormaterial aus Cerium-dotiertem Nitrid oder Cerium-dotiertem Oxinitrid zum Einsatz.As in Fig. 1 is indicated, the optical system 3 focuses the radiation from the laser diode onto a phosphor conversion layer 4. Phosphorus conversion layers are known per se from the prior art and are used to convert monochromatic Laser light to generate white light. When using a blue laser diode, Ce: YAG phosphorus is preferably used as the material for the phosphorus conversion layer. Other materials can also be used depending on the emission wavelength of the laser diode. If, for example, a violet laser diode with an emission wavelength of 405 nm is used, in a preferred variant the phosphor material made of cerium-doped nitride or cerium-doped oxynitride is used.

Über die Phosphorkonvertierungsschicht wird schließlich eine Weißlichtquelle 5 generiert, welche wiederum als punktförmig im Vergleich zu den Abmessungen der Beleuchtungseinrichtung angesehen werden kann, d.h. die von der Lichtquelle ausgehende Strahlung geht in sehr guter Nährung von einem einzigen Punkt aus. Die Abstrahlcharakteristik der punktförmigen Lichtquelle 5 ist in Fig. 1 schematisch angedeutet und mit Bezugszeichen A' bezeichnet. Die Ausdehnung der Strahlfläche der punktförmigen Lichtquelle 5 in Draufsicht entlang der optischen Achse O ist aufgrund von Streueffekten im Phosphorkonvertierungsmaterial größer als die Ausdehnung der Strahlfläche der Laserdiode 2. Es wird in etwa eine Strahlfläche mit Kantenlängen im Bereich von 500 µm gebildet. Aufgrund der sehr hohen Leuchtdichte der Laserdiode ergibt sich für die Weißlichtquelle 5 eine wesentlich höhere Leuchtdichte, als wie bei herkömmlichen LEDs erreicht werden kann. Insbesondere liegt die Leuchtdichte bei in etwa 2×108 Cd/m2. Ggf. können auch noch höhere Leuchtdichten im Bereich von 109 Cd/m2 und höher erreicht werden.Finally, a white light source 5 is generated via the phosphor conversion layer, which in turn can be viewed as point-shaped compared to the dimensions of the lighting device, ie the radiation emanating from the light source is very close to a single point. The emission characteristic of the point light source 5 is shown in FIG Fig. 1 indicated schematically and denoted by reference character A '. The extent of the beam area of the point light source 5 in plan view along the optical axis O is greater than the extent of the beam area of the laser diode 2 due to scattering effects in the phosphor conversion material. A beam area with edge lengths in the range of 500 μm is approximately formed. Because of the very high luminance of the laser diode, the white light source 5 has a significantly higher luminance than can be achieved with conventional LEDs. In particular, the luminance is approximately 2 × 10 8 Cd / m 2 . Possibly. Even higher luminance levels in the range of 10 9 Cd / m 2 and higher can also be achieved.

Das Licht der punktförmigen Weißlichtquelle 5 fällt schließlich auf den Reflektor 6, der im Abstand L2 von der Weißlichtquelle angeordnet ist. Die Reflektorfläche 6 ist lediglich schematisch angedeutet und weist eine asymmetrische Struktur auf. Hierdurch wird zum Ausdruck gebracht, dass in Kombination mit der Laser-Beleuchtungseinheit 1 beliebige Freiformflächen verwendet werden können, über welche je nach Anwendungsfall die erwünschte Lichtverteilung im Fernfeld, z.B. Abblendlicht oder Fernlicht, generiert werden kann. Dabei ist es von Vorteil, dass aufgrund der hohen Leuchtdichte der punktförmigen Weißlichtquelle 5 sehr wenig Bauraum zur Erzeugung einer gewünschten Lichtverteilung benötigt wird. Insbesondere liegt bei der Generierung von Fernlicht die maximale Ausdehnung der Freiformfläche 6 in der Ebene senkrecht zur optischen Achse O lediglich Im Bereich von 30 bis 50 mm, was deutlich geringer als bei herkömmlichen Scheinwerfern ist. Die Verwendung der punktförmigen Weißlichtquelle weist den weiteren Vorteil auf, dass algorithmisch einfach und hochgenau die Form der Freiformfläche 6 zur Erzeugung der gewünschten Lichtverteilung berechnet werden kann, z.B. mit dem eingangs erwähnten ITWM-Algorithmus. Es ist daher nicht erforderlich, dass als Freiformfläche 6 immer ein Reflektor eingesetzt werden muss, vielmehr kann auch eine beliebige andere Freiformoptik in der Form einer Linse bzw. einer Kombination aus Linse und Reflektor verwendet werden.The light from the point-like white light source 5 finally falls on the reflector 6, which is arranged at a distance L2 from the white light source. The reflector surface 6 is only indicated schematically and has an asymmetrical structure. This expresses that, in combination with the laser lighting unit 1, any free-form surfaces can be used, via which the desired light distribution in the far field, eg low beam or high beam, can be generated depending on the application. It is advantageous that, due to the high luminance of the point-like white light source 5, very little installation space is required to generate a desired light distribution. In particular, when high beam is generated, the maximum extent of the free-form surface 6 in the plane perpendicular to the optical axis O is only in the range from 30 to 50 mm, which is significantly less than in the case of conventional headlights. The use of the point-like white light source has the further advantage that the shape of the free-form surface 6 for generating the desired light distribution can be calculated algorithmically simply and with high precision, for example with the ITWM algorithm mentioned at the beginning. It is therefore not necessary that a reflector always has to be used as the free-form surface 6; instead, any other free-form optics in the form of a lens or a combination of lens and reflector can also be used.

Die im Vorangegangen erläuterten Ausführungsformen der Erfindung weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Durch die Verwendung von Laserlicht kann eine punktförmige Lichtquelle mit hoher Leuchtdichte generiert werden, wodurch nahezu perfekte Freiformflächen definiert werden können, über welche eine gewünschte Lichtverteilung mit hoher Genauigkeit generiert werden kann. Durch den Einsatz von Laserlicht wird ferner eine effiziente Beleuchtungseinrichtung mit geringem elektrischen Leistungsaufwand geschaffen. Ferner lässt sich der Bauraum der Beleuchtungseinrichtung reduzieren, was insbesondere bei der Generierung von Fahrzeug-Fernlicht von Vorteil ist.The embodiments of the invention explained above have a number of advantages. By using laser light, a point light source with high luminance can be generated, whereby almost perfect free-form surfaces can be defined, over which a desired light distribution can be generated with high accuracy. The use of laser light also creates an efficient lighting device with low electrical power consumption. Furthermore, the installation space of the lighting device can be reduced, which is particularly advantageous when generating vehicle high beam.

Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung ermöglicht insbesondere ein gezieltes Anleuchten mit über weite Feldbereiche guter Abbildungsqualität. Ferner kann mit der Beleuchtungseinrichtung ein blendfreies Fernlicht mit einer vertikalen Hell/Dunkel-Grenze mit sehr hohem Kontrast erreicht werden, so dass der Schattenbereich, in dem sich der Gegenverkehr befindet, möglichst schmal gemacht werden kann. Darüber hinaus können qualitativ hochwertige Abblendlichtverteilungen erreicht werden. Ferner können auch verschiedene andere Arten von Scheinwerfer- bzw. Signallicht mit der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung generiert werden. Insbesondere kann ein Markierungslicht, ein Abbiegelicht, ein Nebellicht, ein Blinklicht, ein Bremslicht, eine Heckleuchte, ein Rückfahrscheinwerfer, ein Abbiegelicht, ein dynamisches Spotlicht und dergleichen geschaffen werden. Die Erfindung ist dabei nicht auf die Erzeugung von Weißlicht beschränkt, sondern es kann ggf. auch das monochromatische Licht der Laserdiode direkt als punktförmige Lichtquelle eingesetzt werden. Diese Variante kommt insbesondere bei Signalleuchten zum Einsatz, welche üblicherweise in einer vorbestimmten Farbe (z.B. rot) Licht abgegeben. The lighting device according to the invention enables, in particular, targeted illumination with good image quality over wide field areas. Furthermore, a glare-free high beam with a vertical light / dark boundary with a very high contrast can be achieved with the lighting device, so that the shadow area in which the oncoming traffic is located can be made as narrow as possible. In addition, high quality low beam distributions can be achieved. Furthermore, various other types of headlights or signal light can also be generated with the lighting device according to the invention. In particular, a marker light, a turning light, a fog light, a turn signal light, a brake light, a tail light, a reversing light, a turning light, a dynamic spot light and the like can be created. The invention is not limited to the generation of white light, but the monochromatic light of the laser diode can optionally also be used directly as a point light source. This variant is used in particular for signal lights, which usually emit light in a predetermined color (e.g. red).

Claims (22)

  1. Illumination device for a motor vehicle, comprising
    - one or more illumination units (1), wherein a respective illumination unit (1) produces a light source (5) during operation by means of laser light,
    - an optical device (6), which is designed and arranged with respect to the illumination unit or illumination units (1) such that a predetermined light distribution is generated from the light of the light source (5) after it passes through the optical device (6),
    characterized in that
    the light source (5) is a point-type light source (5) that has, in plan view, a maximum extent of 500 µm or less and has a luminance of 109 Cd/m2 or more.
  2. Illumination device according to Claim 1, characterized in that the point-type light source (5) has, in plan view, a maximum extent of 100 µm or less and with particular preference of 20 µm or less.
  3. Illumination device according to Claim 1 or 2, characterized in that the point-type light source has, in plan view, an emitting surface area of 0.5 mm2 or less, in particular of 0.01 mm2 or less and with particular preference of 0.0002 mm2 or less.
  4. Illumination device according to one of the preceding claims, characterized in that the point-type light source (5) has, in plan view, an emitting angular surface area, the edges of which have in each case a length of 500 µm or less and preferably of 20 µm or less.
  5. Illumination device according to one of the preceding claims, characterized in that the point-type light source (5) is designed such that it generates a luminous flux of 100 lm or more and in particular of 200 lm or more and/or has a radiant flux of 1 watt or more.
  6. Illumination device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one illumination unit (1) produces a point-type white light source (5) during operation.
  7. Illumination device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one illumination unit (1) comprises one or more laser diodes (2), in particular one or more monochromatic laser diodes (2) .
  8. Illumination device according to Claim 6 or 7, characterized in that at least one illumination unit (1) comprises a converter that generates white light from the monochromatic light of the laser diode (2) or laser diodes (2).
  9. Illumination device according to Claim 7 or 8, characterized in that the converter comprises a phosphor conversion layer (4) onto which the laser light of the laser diode (2) or of the laser diodes (2) is focused by means of an optical unit (3), as a result of which the point-type white light source (5) is generated on the phosphor conversion layer.
  10. Illumination device according to Claim 7 and 8 or Claim 9, characterized in that the converter comprises a light guide in which the monochromatic laser light from a plurality of monochromatic laser diodes (2) is combined to generate white light.
  11. Illumination device according to one of Claims 7 to 10, characterized in that at least one illumination unit (1) comprises an individual monochromatic laser diode (2) representing the point-type light source (5).
  12. Illumination device according to one of Claims 7 to 11, characterized in that the laser diode (2) or laser diodes (2) have a radiant flux of at least 1 watt and in particular of between 1.5 and 3.0 watts or between 1.5 and 5 watts.
  13. Illumination device according to one of the preceding claims, characterized in that the illumination device has 10 illumination units (1) or less, in particular has 3 to 6 illumination units (1).
  14. Illumination device according to one of the preceding claims, characterized in that the illumination device comprises a vehicle headlamp.
  15. Illumination device according to one of the preceding claims, characterized in that the illumination device comprises a vehicle signal lamp.
  16. Illumination device according to one of the preceding claims, characterized in that the illumination device is designed such that it can generate a dipped-light characteristic as a predetermined light distribution during operation.
  17. Illumination device according to one of the preceding claims, characterized in that the illumination device is designed such that it can generate a main-light characteristic as a predetermined light distribution during operation.
  18. Illumination device according to one of the preceding claims, characterized in that one or more of the illumination units (1) further comprise one or more LEDs, wherein the illumination device can generate a light characteristic that is composed of the light from the LED or LEDS and the light from the point-type light source (5).
  19. Illumination device according to one of the preceding claims, characterized in that the illumination device is designed such that is can generate one or more specified structures, in particular one or more surface shapes and/or one or more stripes and/or one or more spots and/or one or more arrows and/or one or more symbols and/or one or more characters as predetermined light distribution during operation.
  20. Illumination device according to one of the preceding claims, characterized in that the optical device (5) comprises at least one reflector and/or at least one lens.
  21. Illumination device according to one of the preceding claims, characterized in that the maximum extent of the optical device (5) has, in plan view, 50 mm or less, in particular 30 mm or less.
  22. Motor vehicle, comprising one or more illumination devices according to one of the preceding claims.
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