EP2789900A2 - Lichtmodul für eine Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung - Google Patents

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EP2789900A2
EP2789900A2 EP14160764.8A EP14160764A EP2789900A2 EP 2789900 A2 EP2789900 A2 EP 2789900A2 EP 14160764 A EP14160764 A EP 14160764A EP 2789900 A2 EP2789900 A2 EP 2789900A2
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EP
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light
reflector
light module
module
lens
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EP14160764.8A
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English (en)
French (fr)
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EP2789900B1 (de
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Matthias Brendle
Emil P. Stefanov
Armin Austerschulte
Hubert Zwick
Hermann Kellermann
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Marelli Automotive Lighting Reutlingen Germany GmbH
Original Assignee
Automotive Lighting Reutlingen GmbH
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Publication date
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    • F21S45/48—Passive cooling, e.g. using fins, thermal conductive elements or openings with means for conducting heat from the inside to the outside of the lighting devices, e.g. with fins on the outer surface of the lighting device

Definitions

  • the present invention relates to a light module of a lighting device of a motor vehicle.
  • the light module comprises a light source arrangement having a plurality of separately controllable light sources combined to form an array for emitting light, a plurality of primary optics grouped into a primary optic array in the form of converging lenses each having a light entrance surface and a light exit surface and also a secondary optics system for imaging the emitted light on a roadway the motor vehicle as the resulting total light distribution of the light module.
  • the primary optics elements are designed to bundle at least part of the light emitted by the light sources and to generate an intermediate light distribution on the light exit surfaces.
  • the invention relates to a lighting device with one or more such light modules.
  • Reflector systems have advantages over lens systems because they have no chromatic aberrations, are easy and inexpensive to produce, especially when large optical surfaces are required, and do not cause stray light by Fresnel reflections.
  • a square light source is therefore not reproduced as a square but trapezoidally or mushroom-like deformed, whereby the size, position and orientation of the image can depend strongly on the position of the light source in the object field.
  • a system which is intended to generate several straight, sharply delimited light distributions with a defined position of the individual light-dark boundaries from a plurality of semiconductor light sources must in principle have imaging properties.
  • a corresponding total light distribution of the light module must therefore be constructed or assembled from identically sized and identically oriented light source images.
  • the known matrix high-beam modules usually use single-chip LEDs, in particular SMD (Surface Mounted Device) LEDs, in conjunction with a primary optics array.
  • the primary optics array generates intermediate images on the light exit surfaces of the primary optics elements of the optics array), which are then projected onto the roadway by the secondary optics downstream in the beam path.
  • the areas of the intermediate images are quite large due to the distances between the LEDs, which requires projection lenses with a very large focal length.
  • the resulting light modules are therefore relatively bulky, which is disadvantageous for use in motor vehicles, since there is only a relatively limited installation space for the light modules or equipped with these lighting devices available.
  • the present invention has the object, to design a light module for generating a resulting total light distribution from the light of light-like arranged matrix-like light sources and further that a particularly homogeneous overall light distribution can be achieved.
  • Particular emphasis should be placed on a compact size and a short overall length of the light module.
  • the projections of one or more Intermediate light distributions deliberately removed from the areas of total light distribution, where other road users are.
  • a light module of a motor vehicle lighting device having all the features of patent claim 1.
  • the secondary optics system for imaging the intermediate light distributions on the road ahead of the motor vehicle is focused on at least one of the light exit surfaces of the converging lenses as the resulting total light distribution of the light module.
  • the light module comprises a plurality of primary optics elements combined to form a primary optic array, each having a light entry surface and a light exit surface.
  • the primary optics elements are designed to bundle at least part of the light emitted by the light sources and to generate intermediate light distributions on the light exit surfaces of the primary optics elements.
  • the secondary optics system is focused on at least one of the light exit surfaces for imaging the intermediate light distributions on the roadway in front of the motor vehicle as the resulting total light distribution of the light module. It is conceivable that the secondary optics not only have one focal point, but a plurality of focal points, wherein a plurality of the focal points may be focused on a plurality of the light exit surfaces. It is not necessary (and in practice also difficult to realize) that the focal point or points of secondary optics are focused on the exit surfaces of all primary optic elements.
  • the light module thus comprises a semiconductor light source array and a primary optics array, wherein the intermediate light distributions generated on the light exit surfaces of the optical array are projected onto the roadway by the secondary optics system. So there are no images of the Light sources, but only illuminated areas projected onto the road.
  • the combination of the light source array with the primary optics array is also referred to below as a replacement light source array.
  • a light source and the primary optics element associated therewith is also referred to as a substitute light source, wherein a plurality of substitute light sources can be arranged directly next to or above one another to form an array.
  • the primary optic elements arranged side by side in one or more rows form the primary optic array. Since the primary optic elements are generally larger than the light sources respectively associated with the primary optics elements, relatively large distances between the individual light sources result for a replacement light source array.
  • the converging lenses in the object-side Petzval surface of the secondary optics do not produce any images of the light sources.
  • the light exit surfaces of the converging lenses are merely illuminated.
  • the secondary optics are focused on one or more of these illuminated areas.
  • the collecting lens array has a uniform luminance on the light exit surfaces without maxima. This applies in particular to the light distribution in the sections perpendicular to the light-dark boundaries or pixel boundaries. Secondary optics thus focuses on the exit pupil of the primary optic array.
  • the shaping of the light distribution ie the vertical and / or horizontal course of the pixels, to realize the total light distribution of the light module at least partially by the secondary optics.
  • the shaping of the light distribution takes place completely or almost completely by the secondary optics. This is in particular in the case of a primary optic array in the form of a collecting lens array, since no appreciable illuminance differences can be produced in the exit pupil of the primary optics. In this case, the light shaping can thus be almost completely by an example. Toric secondary optics.
  • the light sources are advantageously designed as semiconductor light sources, in particular as LED light sources, LED arrays, as single-chip LEDs or as SMD LEDs.
  • the image-side focal point, the primary optics in the emission direction coincides with the object-side focal point of the subsequent secondary optics.
  • Both optics have the same optical axes (axes of rotation of lenses and reflectors).
  • a secondary optic with several reflectors or mirrors connected in series allows the optical path to be folded, which considerably shortens the overall length of the light module.
  • the focal point of the secondary optics is preferably located on a light exit surface of the replacement light source array and forms this on the roadway.
  • the secondary optics are designed so that all optical paths between the focal point and the (infinitely distant) pixel are the same length.
  • the light source or replacement light source array radiates at an acute angle, preferably counter to the direction of travel of the vehicle or obliquely in the reflector, ie, the beam path is folded by the reflector at an acute angle.
  • the reflector is preferably faceted such that all facet surfaces have approximately equal distances to a common focal point of the reflector. All facet edges facing away from the optical axis (rotation axis) of the light module have greater distances to the common reflector focal point than the facet inner edges, which lie on the side of the optical axis.
  • the facet edges are perpendicular to the light-dark boundaries of the resulting total light distribution (eg vertical cut-off for the stripline ⁇ horizontal facet edges).
  • Also concentric about the optical axis arranged annular reflector facets are advantageous.
  • the present invention relates to a light module, which is designated in the figures in its entirety and by the reference numeral 1.
  • the light module 1 is provided for installation in a lighting device (not shown) of a motor vehicle.
  • the illumination device is preferably designed as a motor vehicle headlight. But it can also be designed as a motor vehicle light. It usually comprises a housing with a light exit opening, which is closed by means of a transparent cover.
  • the light module 1 can be arranged rigidly or movably in the housing. By moving the light module 1 relative to the housing, a headlight range control and / or a cornering light function can be realized.
  • Several light modules 1 according to the invention can be arranged in the housing. However, it is also conceivable that the light module 1 according to the invention is arranged in the housing together with other light modules not according to the invention.
  • the light module 1 comprises a light source arrangement 15 (cf. FIG. 2 ) with at least two light sources 16, which are preferably designed as semiconductor light sources, and a common secondary optics 4.
  • the light module 1 may comprise a primary optics array 17 with a plurality of primary optics elements 18 which focus the light emitted by the light sources 16.
  • the light source arrangement is also referred to as a spare light source array 2.
  • the secondary optics 4 preferably focuses on the light exit surfaces 25 of the replacement light source array 2 and the primary optics elements 18.
  • the intermediate light distributions generated by the light sources on the light exit surfaces 25 of the primary optics array 17 are preferably combined with each other such that the individual light distributions 6 'are at least partially superimposed or add and thus form the resulting total light distribution 5 of the light module 1.
  • the total light distribution 5 is, for example, a so-called glare-free high beam.
  • the secondary optics 4 is not focused on images of the light sources 16, but on the light exit surfaces 25 of the primary optics elements 18.
  • FIG. 15 shows a section of a replacement light source assembly 2 for use in a light module according to the invention 1. It is exemplified one of a plurality of semiconductor light sources 16 in the form of an LED chip. In the light exit direction after the LED chip 16, one of a plurality of converging lenses 18 of the collecting lens array 17 is shown by way of example. A pitch of the lens array 17 is designated T. The division T corresponds the width of the individual collecting lenses 18 and the distance of the centers of adjacent LED chips 16. With B LED an edge length of the LED chip 16 is designated. A virtual LED chip is designated 16 '. The edge length of the virtual LED chip 16 'is denoted by B' LED .
  • An object-side focal point of the condenser lens 18 is F and a major point of the lens 18 is H.
  • the principal point H of a lens is defined as the intersection of a principal plane of the lens with the optical axis.
  • the secondary optics 4 of the light module 1 according to the invention is preferably focused on a main point H of one of the converging lenses 18, preferably on the main point H of the converging lens 18 located in the vicinity of an optical axis 7 of the light module 1.
  • the reference f denotes the focal length of the lens 18 and S F a cross-sectional width of the lens 18.
  • a distance between the LED chip 16 and the light entrance surface of the condenser lens 18 is S 1 and a distance between the virtual chip image 16 'and the light entrance surface the lens 18 designated S 2 .
  • the LED chip 16 is located between the lens 18 and its object-side focal point F.
  • the LED chip 16 is enlarged by the lens 18 so that the (upright) virtual image 16 'of the chip (in the light exit direction in front of the object-side lens focal point F) is the same size as the lens 18, ie B ' LED ⁇ T.
  • the collecting lenses 18 of the lens array 17 are not used to produce real intermediate images of the light sources 16, but form only an illuminated surface on the Light exit side 25 of the converging lenses 18.
  • the light sources 16 are arranged between the light entry surfaces of the lenses 18 and the object focal points F of the lenses 18, that the edges of the light sources 16 are on geometric connections from the focal points F to the lens edges.
  • the emission surfaces of the light sources 16 are arranged perpendicular to the optical axes of the lenses 18. This results in a very uniform illumination of the lenses 18 and on the light exit surfaces 25 of the lenses 18 a particularly homogeneous light distribution, the so-called. Intermediate light distribution.
  • the optical axes of the individual lenses 18 of the array 17 all run in one plane, preferably they are parallel to one another.
  • the axis of the secondary optics 4 is on the side facing the primary optics 17, parallel to the axis of at least one of the lenses 18th
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a light module according to the invention 1.
  • the light module 1 has a plurality of separately controllable, combined into an array semiconductor light sources 16 (see. FIG. 2 ) to emit light.
  • a plurality of LEDs 16 are arranged in a row next to one another.
  • the LEDs 16 may be arranged in a plurality of rows one above the other like a matrix.
  • Each of the semiconductor light sources 16 is a primary optic element 18 (see FIG. FIG. 3 ) for bundling at least part of the light emitted by the light source 16 and for generating an intermediate light distribution on the light exit surface 25.
  • the primary optic elements 18 are combined to form a primary optic array 17.
  • the primary optics elements 18 are preferably designed as collecting lenses, which are combined to form a collecting lens array.
  • the primary optics array 17 or the individual primary optics elements 18 may also be referred to as intent optics become.
  • the intermediate light distributions are generated on light exit surfaces of the primary optics elements 18.
  • the intermediate light distributions are imaged by the secondary optics system 4 on the road ahead of the motor vehicle as individual light distributions 6 'for generating the resulting total light distribution 5 of the light module 1.
  • the combination of the semiconductor light source array 15 and the primary optics array 17 is subsequently also referred to as a replacement light source array 2.
  • the semiconductor light sources 16 are arranged on a heat sink 3 for thermal stabilization, in particular for dissipating waste heat arising during the operation of the semiconductor light sources 16, directly or indirectly via a printed circuit board 19 or the like.
  • the secondary optics system 4 is formed in the illustrated example as a horizontally faceted reflector, in particular parabolic reflector. That in a vertical section of the reflector 4 comprises a plurality of superimposed facets.
  • the secondary optics system 4 focuses on the light exit surfaces 25 of the primary optics elements 18 and the replacement light source array 2.
  • a resulting total light distribution 5 of the light module 1 is shown by way of example on a measuring screen 6 which is arranged at a defined distance from the light module 1.
  • the total light distribution 5 comprises a plurality of individual light distributions 6 ', which are generated by the individual elements 16, 18 of the replacement light source array 2 in cooperation with the secondary optics system 4.
  • an optical axis 7 of the light module 1 located.
  • a sagittal plane 8 has a substantially horizontal surface extension and comprises the optical axis 7.
  • a meridional plane 9 has a substantially vertical extension and likewise comprises the optical axis 7.
  • a section line between the sagittal plane 8 and the measuring screen 6 forms a horizontal HH 10, and a cut line between the meridional plane 9 and the measuring screen 6 forms a vertical VV 11.
  • the optical axis 7 passes through the intersection HV of the horizontal 10 and the vertical 11. It can be clearly seen that the resulting total light distribution 5 both below the horizontal 10 and above the horizontal 10 extends.
  • the total light distribution 5 may be, for example, a so-called matrix main beam or a so-called strip main beam or a part thereof. However, the total light distribution 5 can also form a particularly bright illuminated central area of a high beam (high beam spot).
  • a focal point of the faceted parabolic reflector 4 is in FIG. 1 denoted by the reference numeral 12.
  • the focal point 12 is located on a light exit surface 25 of the replacement light source array 2 or on a light exit surface 25 of the primary optic array 17, in particular on a centroid of the Editlichtánnarrays 2.
  • the beam path of a main beam is denoted by the reference numeral 13 and the beam path of a secondary beam by the reference numeral 14.
  • the main beam 13 results from a substantially in Hauptabstrahlraum 29 (see. FIG. 8 ) of the light sources 16 emitted light beam, by shaping and possibly deflection by one of the light source 16 associated primary optics 18 and by deflection at the secondary optics system 4.
  • the secondary beam 14 results accordingly by an obliquely to the main emission direction 29 emitted light beam 29 '.
  • FIG. 2 shows an enlarged view of a light source array 15 of the light module according to the invention 1, which comprises a plurality of, in the illustrated embodiment, five side by side in a straight line arranged LED chips 16.
  • the individual light sources 16 in other ways than in FIG. 2 be shown, for example. Matrix-like in several rows and columns.
  • the light source array 15 may have a different number of Single light sources 16 have as in FIG. 2 shown.
  • the light source array includes a light source array 15 and a primary optics array 17.
  • the light source array 15 includes a plurality of SMD (Surface Mounted Device) LEDs 16, which in the illustrated example are disposed immediately adjacent to one another in a straight line.
  • the primary optics array 17 comprises a plurality of, in the illustrated example, five juxtaposed collecting lenses 18.
  • the LEDs 16 of the light source array 15 are arranged and contacted in a common plane, preferably on a common printed circuit board 19.
  • the combination of the light source array 15 and the primary optics array 17 forms the replacement light source array 2.
  • Each primary optics element 18 is assigned at least one light source 16.
  • each primary optics element 18 is associated with exactly one semiconductor light source 16.
  • the arrangement of the collecting lenses 18 in the collecting lens array 17 thus corresponds to the arrangement of the light sources 16 in the light source array 15.
  • the light exit surfaces 25 of the primary optics elements 18 preferably directly adjoin one another.
  • the primary optics elements 18 are larger than the LED chips or SMD LEDs 16 assigned to them, two distances between the individual semiconductor light sources 16 result in the replacement light source array.
  • FIG. 4 shows the spare light source array 2 FIG. 3 in different views.
  • the individual primary optics elements 18 are designed as plano-convex converging lenses.
  • the primary optics array 17 is thus a lens array, which is preferably constructed of plano-convex lenses.
  • the lens array 17 may be made of organic or inorganic glass or of silicone rubber (LSR, Liquid Silicone Rubber).
  • Organic glasses are, for example, polymethyl methacrylate (PMMA), cycloolefin copolymer (COC), Cycloolefin polymer (COP), polycarbonate (PC), polysulfone (PSU) or polymethacrylmethylimide (PMMI).
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • COC cycloolefin copolymer
  • COP Cycloolefin polymer
  • PC polycarbonate
  • PSU polysulfone
  • PMMI polymethacrylmethylimide
  • a total of six LEDs 16 are associated with six primary optics elements 18.
  • FIG. 4 a focal plane of the secondary optics (not shown) designated by the reference numeral 20.
  • a focal point of the secondary optics 4 is designated by the reference numeral 21.
  • a division between two adjacent individual light sources 16 or between two adjacent primary optics elements 18 is denoted by T. In this case, the division T from the center of a light source 16 or a primary optics element 18 to the center of the adjacent light source 16 or of the adjacent primary optics element 18 is indicated.
  • FIG. 5 Another example of a replacement light source array 2 for use in a light module 1 is shown in various views.
  • the primary optics elements 18 are designed as reflectors. These have a square cross-section in the example shown.
  • the light exit surfaces 25 of the individual reflectors 18 line up seamlessly and limit the luminous surface with sharp, straight edges.
  • Each light source 16 (comprising at least one LED) is preferably associated with a reflector element 18.
  • a (perforated) heat shield 22 can be provided between the reflector array 17 and the light source array 15, which protects the back of the reflector array 17 from radiation. The heat shield 22 prevents thermal overload of the reflector material.
  • the reflectors 18 extend conically from the light entrance to the light exit 25 out. Perpendicular to an optical axis 23 or to the main radiation direction 29 of the light sources 16 (see. FIG. 8a ), the reflectors 18 preferably have triangular, square or rectangular cross sections. Particularly preferably, the reflectors 18 have the geometry of a truncated pyramid.
  • the reflecting surface of the reflectors 18 is preferably made of cylindrical hyperboloids or plane mirrors as a special case of the hyperboloid.
  • the reflector array 17 consists of a metallized, high temperature resistant plastic, in particular of a thermoplastic material. High-temperature-resistant thermoplastics which are suitable are, for example, polyether ether ketone, polyether imide or polysulfone.
  • the metallization consists for example of aluminum, silver, platinum, gold, nickel, chromium, copper, tin or alloys containing at least one of these metals.
  • the metallization is preferably sealed by a transparent layer after application to the reflective surface.
  • a multilayer coating can also be applied to the plastic body. Multilayer coating alternately combines several low- and high-index layers.
  • a further metal layer may be provided as a radiation barrier.
  • This metal layer is deposited, for example as a copper or nickel layer on the plastic body of the reflector array 17 and thus forms a protection against the thermal stress by the radiation of the LEDs 16.
  • This metal layer is also capable of heat to the reflector edge in the region of the light exit surface 25 out derive.
  • this metal layer is thicker than the metallized mirror layers on the reflective surfaces.
  • the reflector edges, ie the light exit surfaces 25 of the individual reflector elements 18 follow the course of a Petzval surface of the secondary optics 4 and are thus on a convexly curved shell (if the projection optics 4 is designed as a reflector) or on a concave curved Shell (when the projection optics 4 is designed as a lens).
  • FIG. 6 a further example of a replacement light source array 2 is shown, in which the primary optics elements 18 are formed as optical fibers.
  • the light guide array 17 comprises in a straight line juxtaposed light guide 18, each of which widens conically towards the light exit 25.
  • the light guides 18 are preferably triangular, square or rectangular cross-sections.
  • the light guide elements 18 have a rectangular or square cross-section.
  • the light guides 18 have the geometry of a truncated pyramid.
  • the light entry surface of the individual light guide elements 18 is preferably flat and runs parallel to a chip surface of the associated light source 16 (comprising at least one LED).
  • the light exit surface 25 of the individual light guides 18 is preferably convex.
  • the light guide array 17 is made of organic or inorganic glass or silicone rubber (LSR).
  • Organic glasses are for example PMMA, COC, COP, PC, PSU or PMMI.
  • the light exit surfaces 25 of the conical light guides 18 follow a Petzval products the secondary optics system 4 and are thus on a convexly curved shell (in a projection optics 4 with reflector) or on a concave curved shell (in a projection optics 4 with lens).
  • the replacement light source array 2 includes a primary optics array 17 composed of a plurality of disk-shaped light guides 18.
  • the individual light guides 18 each have a light entry surface 24, a light exit surface 25, a reflector surface 26, and two transport surfaces 27, wherein the light entry and exit surfaces 24, 25 in combination with the reflector surface 26 form two focal lines that obey the imaging law:
  • the image-side focal line 30a is located on the light exit surface 25 of the light guide 18.
  • the lateral transport surfaces 27 of the light guide 18 extend to the light exit surface 25 towards steadily (see. FIG.
  • the reflector surface 26 is a control surface.
  • the light entry surface 24 of the light guide 18 is preferably flat and runs parallel to the chip surface of the associated LED light source 16. However, it is also conceivable that the light entry surface 24 is slightly inclined relative to the chip surface of the LED 16, so that both surfaces form a conical air gap, which preferably widens toward the trailing edge of the light guide 18. The trailing edge is the edge facing away from the light exit side 25.
  • the light exit surface 25 of the light guide 18 is slightly curved, in particular convex.
  • the light exit surface 25 of the disc light guides 18 follow the Petzval compounds 20a of the secondary optics system 4 and are thus on a convexly curved shell (at a secondary optics 4 with reflector) or on a concave curved shell (at a secondary optics 4 with lens).
  • the array 17 with optical waveguide disks 18 is preferably made of organic or inorganic glass or of silicone rubber LSR.
  • Organic glasses are for example PMMA, COC, COP, PC, PSU or PMMI.
  • the main emission direction of a light source 16 is representative of all light sources 16 of the light source array 15 by the reference numeral 29.
  • the main emission direction 29 coincides with the optical axis of the light source 16.
  • Reference numeral 30 denotes a focal line of the light guide 18.
  • FIGS. 10 to 14 show various embodiments of a light module 1 according to the invention in section.
  • a large part of the optical surface of the secondary optics 4 has a first object-side focal point and a common image-side focal point at infinity.
  • the secondary optics 4 thus generates an image of the replacement light source arrangement 2 or its light exit surfaces 25 at infinity.
  • the secondary optics system 4 may comprise, for example, a parabolic mirror, in particular a faceted parabolic mirror (cf. FIGS. 1 and 13 ), whose focal point 31 lies on the light exit surface 25 of the primary optic array 17.
  • the parabolic reflector 4 is faceted so that all facet surfaces have approximately the same distances from the common focal point 31.
  • All of the facet edges facing away from the optical axis (rotation axis) 7 of the light module 1 have greater distances from the common reflector focal point 31 than the facet inner edges lying on the side of the optical axis 7.
  • the facet edges are perpendicular to the light-dark boundary of the light distribution 5 (ie vertical light-dark boundary in the striplight ⁇ horizontal facet edges), as in FIG FIG. 1 shown.
  • the facet edges can also be circular and concentric around the optical axis 7 (axis of rotation) of the reflector 4, 4 'extend.
  • the secondary optics system 4 of the light module 1 can also comprise a converging lens, which is focused on the light exit surfaces 25 of the primary optics elements 18.
  • the converging lens may be formed as a toric (astigmatic) converging lens, which has different refractive powers in the meridional and sagittal sections 8, 9.
  • the condenser lens can also be designed as an astigmatic condenser lens.
  • the secondary optics system 4 may also comprise a color correcting two-lingual system (achromat): a low dispersion color condensing lens and a large color dispersion dispersing lens.
  • the secondary optics system 4 comprises a reflector in the form of a hyperboloid 4 'or a plane mirror as a special case of the hyperboloid with a reflector arranged behind it in the form of a paraboloid 4 ", in particular a facetted paraboloid Hyperboloids 4 'lies on the light exit surface 25 of the replacement light source array 2 and forms the object-side focal point of the entire secondary optical system 4.
  • the light module 1 is - as stated - shown with a two-part secondary optics system 4, consisting of a plane mirror 4 'and a paraboloid of revolution 4 "The resulting secondary optics system 4 has an optical axis 32 (axis of rotation)
  • the paraboloid 4" focuses on the virtual image 2 'the light exit surface 25 of the Spare light source arrays 2, in particular on the centroid of the light exit surface 25 of the replacement light source array. 2
  • FIG. 11 Also, there is provided a two-piece secondary optical system 4 having two reflectors 4 ', 4 ".
  • the first reflector 4' of the secondary optics system 4 is formed as a concave (collecting) hyperboloid, thereby resulting in an enlarged virtual image of the substitute light source 2 than in the embodiment FIG. 10 , Furthermore, in FIG. 11 the image-side focal point 21 'of the hyperboloid 4' coincides with the focal point of the paraboloid 4 "and marks the position of the virtual intermediate image 2 'of the light exit surface 25 of the replacement light source array 2.
  • the secondary optics system 4 is likewise designed in several parts, in particular in two parts.
  • the light module 1 comprises a convex hyperboloid 4 '''and a paraboloid 4''.
  • the resulting secondary optical system 4 has the optical axis 32 (rotation axis).
  • the image-side focal point 21 'of the hyperbola mirror 4'" coincides with the focal point of the paraboloid 4" .
  • the paraboloid 4 "focuses on the reduced virtual image 2 'of the light exit surface 25 of the replacement light source array 2.
  • the secondary optics system 4 according to the embodiments of the FIGS. 10 to 12 Thus, two reflectors that are not based on conic sections and no sharp, undistorted intermediate image 2 'of the light exit surface 25 of the spare light source array 2 supply. Rather, the secondary optics system 4 only forms the illuminated area 25 on the roadway.
  • the hyperboloid reflector 4 ', 4' " may also be faceted.
  • the image 21 'of the object-side focal point 21 is not at infinity. Therefore, the arrangement of the reflector facets would differ from a spherical surface.
  • the facets are preferably arranged so that the respective distances to the object and image-side focal points (hyperbola: virtual image) for all reflector facets have the same conditions as possible, so that the same possible image scales are achieved for all reflector zones.
  • the secondary optics system 4 comprises a hyperboloid reflector 4 'and a converging lens 4''''arranged behind the beam path.
  • the hyperboloid reflector 4 ' is preferably designed as a horizontally faceted hyperboloid.
  • An object-side focal point of the reflector 4 ' is designated by the reference numeral 31 and is located on the light exit surface 25 of the replacement light source assembly 2 or on the centroid thereof.
  • the secondary optics system 4 has an ellipsoidal reflector 4 "" and a diverging lens 4 ""'arranged behind it.
  • An image-side focal point 32 of the elliptical mirror 4 "" coincides with a virtual object-side focal point of the diverging lens 4 """.
  • the diverging lens 4 ''''''' focuses on the enlarged image 2 'of the spare light source array 2.
  • the ellipsoidal reflector 4 ''''' is preferably formed as a faceted ellipsoid, in particular with horizontal faceting.
  • the image 32 of the object-side focal point 31 is not at infinity. Therefore, the arrangement of the reflector facets deviates from a spherical surface.
  • the facets are preferably arranged so that the respective distances to the object and image-side focal points (ellipse: real image) for all reflector facets have the same conditions as possible, so that the same possible image scales are achieved for all reflector zones.
  • the secondary optics system 4 has a common optical axis 7.
  • the light module 1 is intended to provide dynamic cornering light, partial high beam, marker light or the like. to realize as resulting total light distribution 5 by selectively activating or deactivating individual light sources 16 or groups of light sources 16 without mechanically movable parts in the illumination device.
  • the light module 1 consisting of the Light source array 15, the primary optics array 17 and the secondary optics system 4, motorized about a vertical and / or horizontal axis relative to the housing of the illumination device in which the light module 1 is arranged, can be pivoted.
  • a dynamic cornering light can be pivoted into the curve.
  • a sectionfernlicht has a high beam distribution from the targeted specific areas are cut out, in which other road users are.
  • a marker light has a dimmed light distribution with a horizontal light-dark boundary, wherein targeted at least a narrow area above the cut-off line is illuminated to illuminate other road users or objects in this area targeted and the driver's attention with The motor vehicle equipped with the light module 1 can be directed to these other road users or objects.
  • the light module 1 can rotate about the vertical Axis be formed horizontally pivotable. To adjust a vertical cut-off line, the light module 1 can also be pivoted horizontally about the vertical axis and can be fixed in the adjusted position. Likewise, the light module for adjusting a horizontal cut-off line around a horizontal axis can be pivoted vertically and set in the adjusted position. The adjusted position of the cut-off line then forms the zero point for a curve light function and / or headlight range control function to be performed during the operation of the light module 1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lichtmodul (1) einer Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung. Es umfasst mehrere separat ansteuerbare, zu einem Array (15) zusammengefasste Lichtquellen (16) zum Aussenden von Licht, mehrere zu einem Primäroptikarray (17) zusammengefasste Primäroptikelemente (18) in Form von Sammellinsen jeweils mit einer Lichteintrittsfläche (24) und einer Lichtaustrittsfläche (25), wobei die Primäroptikelemente (18) zum Bündeln zumindest eines Teils des von den Lichtquellen (16) ausgesandten Lichts und zum Erzeugen von Zwischenlichtverteilungen auf den Lichtaustrittsflächen (25) ausgebildet sind, und ein Sekundäroptiksystem (4) zum Abbilden des ausgesandten Lichts auf einer Fahrbahn vor dem Kraftfahrzeug als resultierende Gesamtlichtverteilung (5) des Lichtmoduls (1). Zur Verbesserung des Lichtmoduls (1) wird vorgeschlagen, dass das Sekundäroptiksystem (4) zum Abbilden der Zwischenlichtverteilungen auf der Fahrbahn vor dem Kraftfahrzeug als resultierende Gesamtlichtverteilung (5) des Lichtmoduls (1) auf mindestens eine der Lichtaustrittsflächen (25) der Sammellinsen (18) fokussiert ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lichtmodul einer Beleuchtungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs. Das Lichtmodul umfasst eine Lichtquellenanordnung mit mehreren separat ansteuerbaren, zu einem Array zusammengefassten Lichtquellen zum Aussenden von Licht, mehrere zu einem Primäroptikarray zusammengefasste Primäroptikelemente in Form von Sammellinsen jeweils mit einer Lichteintrittsfläche und einer Lichtaustrittsfläche und ferner ein Sekundäroptiksystem zum Abbilden des ausgesandten Lichts auf einer Fahrbahn vor dem Kraftfahrzeug als resultierende Gesamtlichtverteilung des Lichtmoduls. Die Primäroptikelemente sind zum Bündeln zumindest eines Teils des von den Lichtquellen ausgesandten Lichts und zum Erzeugen einer Zwischenlichtverteilung auf den Lichtaustrittsflächen ausgebildet. Außerdem betrifft die Erfindung eine Beleuchtungseinrichtung mit einem oder mehreren solcher Lichtmodule.
  • Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ansätze bekannt, ein blendungsfreies Fernlicht mit Hilfe spezieller Lichtmodule, die als Projektionssysteme ausgebildet sind, ohne Verstellmotoren zu realisieren. Hierbei werden aus vielen Halbleiterlichtquellen (z.B. LEDs) mit Hilfe eines Primäroptikarrays Zwischenbilder erzeugt, die über ein Linsensystem auf die Fahrbahn vor das Kraftfahrzeug zur Erzeugung der resultierenden Lichtverteilung des Lichtmoduls projiziert werden. Ein entsprechendes Lichtmodul ist beispielsweise aus der DE 2008 013 603 A1 bekannt.
  • Da bei derzeitigen Projektionsmodulen nicht nur Hell-Dunkel-Grenzen, sondern auch Dunkel-Hell-Grenzen erzeugt werden, d.h. es gibt keine Festlegung, welche Fahrbahnseite ausgeleuchtet werden soll, können einlinsige Projektionssysteme aufgrund ihrer Farbfehler nur bedingt eingesetzt werden. Zur Lösung dieses Problems ist es beispielsweise aus der DE 10 2010 029 176 A1 bekannt, achromatische, zweilinsige Systeme einzusetzen.
  • Das Problem einer chromatischen Aberration bei Linsensystemen kann umgangen werden, indem als Sekundär- oder Projektionsoptik ein Reflektor verwendet wird. Reflektorsysteme haben gegenüber Linsensystemen Vorteile, da sie keine Farbfehler aufweisen, einfach und kostengünstig herstellbar sind, insbesondere wenn große optische Flächen gefordert sind, und kein Streulicht durch Fresnelreflexionen verursachen. Nachteilig ist bei Reflektorsystemen dagegen, dass bei größeren numerischen Aperturen Aperturfehler auftreten, d.h. unterschiedliche Reflektorzonen weisen verschiedene Vergrößerungen auf. Darüber hinaus kommt es bei Reflektorsystemen bei achsfernen Strahlen zu einem Versatz (sog. Koma). Eine quadratische Lichtquelle wird also nicht als Quadrat, sondern trapez- oder pilzartig deformiert wiedergegeben, wobei Größe, Lage und Orientierung des Bildes stark von der Lage der Lichtquelle im Objektfeld abhängen können. Ein System, das aus mehreren Halbleiterlichtquellen mehrere gerade, scharf begrenzte Lichtverteilungen mit definierter Lage der einzelnen Hell-Dunkel-Grenzen erzeugen soll, muss jedoch prinzipiell abbildende Eigenschaften aufweisen. Eine entsprechende Gesamtlichtverteilung des Lichtmoduls muss also aus gleich großen und gleich orientierten Lichtquellenbildern aufgebaut bzw. zusammengesetzt werden.
  • Darüber hinaus setzen die bekannten Matrix-Fernlichtmodule in der Regel Single-Chip-LEDs, insbesondere SMD (Surface Mounted Device)-LEDs, in Verbindung mit einem Primäroptikarray ein. Das Primäroptikarray erzeugt Zwischenbilder auf den Lichtaustrittsflächen der Primäroptikelemente des Optikarrays), die dann durch die im Strahlengang nachgeordnete Sekundäroptik auf die Fahrbahn projiziert werden. Die Flächen der Zwischenbilder (sog. Pixel) sind bedingt durch die Abstände zwischen den LEDs recht groß, was Projektionslinsen mit sehr großer Brennweite erforderlich macht. Die resultierenden Lichtmodule sind deshalb relativ großbauend, was für den Einsatz in Kraftfahrzeugen nachteilig ist, da dort nur ein relativ beschränkter Einbauraum für die Lichtmodule bzw. die mit diesen ausgestatteten Beleuchtungseinrichtungen zur Verfügung steht.
  • Außer auf die beiden bereits genannten Druckschriften wird noch auf folgende Druckschriften zum Stand der Technik verwiesen: DE 10 2008 005 488 A1 , DE 10 2007 052 742 A1 , DE 10 2009 053 581 B3 , DE 10 2010 023 360 A1 , EP 2 045 515 A1 , EP 2 388 512 A2 , US 6,758,582 B1 und US 7,055,991 B2 .
  • Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Lichtmodul zur Erzeugung einer resultierenden Gesamtlichtverteilung aus dem Licht von matrixartig angeordneten Lichtquellen dahingehend auszugestalten und weiterzubilden, dass eine besonders homogene Gesamtlichtverteilung erzielt werden kann. Dabei soll besonderer Wert auf eine kompakte Baugröße und eine geringe Baulänge des Lichtmoduls gelegt werden. Zudem soll es durch Umschalten (gezieltes Einschalten und Ausschalten) der verschiedenen Lichtquellen möglich sein, zwischen den verschiedenen aneinandergrenzenden Zwischenlichtverteilungen auf den Lichtaustrittsflächen der Primäroptikelemente umzuschalten, um auf einfache Weise ein blendungsfreies Fernlicht als resultierende Gesamtlichtverteilung erzielen können. Dabei werden die Projektionen von einem oder mehreren Zwischenlichtverteilungen gezielt aus den Bereichen der Gesamtlichtverteilung herausgenommen, wo sich andere Verkehrsteilnehmer befinden.
  • Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein Lichtmodul einer Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung mit sämtlichen Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Insbesondere wird ausgehend von dem Lichtmodul der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass das Sekundäroptiksystem zum Abbilden der Zwischenlichtverteilungen auf der Fahrbahn vor dem Kraftfahrzeug als resultierende Gesamtlichtverteilung des Lichtmoduls auf mindestens eine der Lichtaustrittsflächen der Sammellinsen fokussiert ist.
  • Das Lichtmodul umfasst mehrere zu einem Primäroptikarray zusammengefasste Primäroptikelemente jeweils mit einer Lichteintrittsfläche und einer Lichtaustrittsfläche. Die Primäroptikelemente sind zum Bündeln zumindest eines Teils des von den Lichtquellen ausgesandten Lichts und zum Erzeugen von Zwischenlichtverteilungen auf den Lichtaustrittsflächen der Primäroptikelemente ausgebildet. Das Sekundäroptiksystem ist zum Abbilden der Zwischenlichtverteilungen auf der Fahrbahn vor dem Kraftfahrzeug als resultierende Gesamtlichtverteilung des Lichtmoduls auf mindestens eine der Lichtaustrittsflächen fokussiert. Es ist denkbar, dass die Sekundäroptik nicht nur einen Brennpunkt, sondern mehrere Brennpunkte aufweist, wobei mehrere der Brennpunkte auf mehrere der Lichtaustrittsflächen fokussiert sein können. Es ist nicht erforderlich (und in der Praxis auch schwer realisierbar), dass der oder die Brennpunkte der Sekundäroptik auf die Austrittflächen aller Primäroptikelemente fokussiert sind.
  • Das Lichtmodul umfasst also ein Halbleiterlichtquellenarray sowie ein Primäroptikarray, wobei die auf den Lichtaustrittsflächen des Optikarrays erzeugten Zwischenlichtverteilungen von dem Sekundäroptiksystem auf die Fahrbahn projiziert werden. Es werden also keine Abbilder der Lichtquellen, sondern lediglich beleuchtete Flächen auf die Fahrbahn projiziert. Die Kombination des Lichtquellenarrays mit dem Primäroptikarray wird nachfolgend auch als Ersatzlichtquellenarray bezeichnet. Eine Lichtquelle und das dieser zugeordnete Primäroptikelement wird auch als Ersatzlichtquelle bezeichnet, wobei mehrere Ersatzlichtquellen unmittelbar neben- bzw. übereinander zu einem Array angeordnet werden können. Dabei bilden die in einer oder mehreren Zeilen nebeneinander angeordneten Primäroptikelemente das Primäroptikarray. Da die Primäroptikelemente in der Regel größer als die den Primäroptikelementen jeweils zugeordneten Lichtquellen sind, ergeben sich bei einem Ersatzlichtquellenarray relativ große Abstände zwischen den einzelnen Lichtquellen.
  • Im Gegensatz zu herkömmlichen Projektionssystemen erzeugen bei dem erfindungsgemäßen Lichtmodul die Sammellinsen in der objektseitigen Petzvalfläche der Sekundäroptik keine Abbilder der Lichtquellen. Bei dem erfindungsgemäßen Lichtmodul werden die Lichtaustrittsflächen der Sammellinsen lediglich ausgeleuchtet. Auf eine oder mehrere dieser ausgeleuchteten Flächen ist die Sekundäroptik fokussiert. Das Sammellinsenarray weist auf den Lichtaustrittsflächen eine gleichmäßige Leuchtdichte ohne Maxima auf. Dies gilt insbesondere für die Lichtverteilung in den Schnitten senkrecht zu den Helldunkelgrenzen bzw. Pixelgrenzen. Die Sekundäroptik fokussiert also auf die Austrittspupille des Primäroptikarrays.
  • Vorteilhafterweise erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Lichtmodul - im Unterschied zu den herkömmlichen Projektionssystemen - die Formung der Lichtverteilung, d.h. den vertikalen und/oder horizontalen Verlauf der Pixel, zur Realisierung der Gesamtlichtverteilung des Lichtmoduls zumindest teilweise durch die Sekundäroptik. Vorzugsweise erfolgt die Formung der Lichtverteilung vollständig oder nahezu vollständig durch die Sekundäroptik. Dies ist insbesondere bei einem Primäroptikarray in Form eines Sammellinsenarrays möglich, da hier keine nennenswerten Beleuchtungsstärkeunterschiede in der Austrittspupille der Primäroptik erzeugt werden können. Dabei kann die Lichtformung also nahezu vollständig durch eine bspw. torische Sekundäroptik erfolgen.
  • Die Lichtquellen sind vorteilhafterweise als Halbleiterlichtquellen, insbesondere als LED-Lichtquellen, LED-Arrays, als Single-Chip-LEDs oder als SMD-LEDs ausgebildet.
  • Die Sekundäroptik kann gemäß verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wie folgt ausgebildet sein:
    1. 1. als Parabelreflektor, insbesondere als ein facettierter Parabelreflektor,
    2. 2. als eine Sammellinse, insbesondere als eine aplanatische Sammellinse,
    3. 3. als ein Achromat mit einer Kombination aus einer Sammellinse mit kleiner Farbdispersion und einer Zerstreuungslinse mit großer Farbdispersion,
    4. 4. als eine Kombination eines hyperbolischen Reflektors mit einer Sammellinse, wobei ein objektseitiger Brennpunkt der Sammellinse und ein bildseitiger Brennpunkt des Hyperbelreflektors zusammenfallen, oder
    5. 5. als eine Kombination eines elliptischen Reflektors mit einer Zerstreuungslinse, wobei ein objektseitiger Brennpunkt der Zerstreuungslinse und ein bildseitiger Brennpunkt des Ellipsoidreflektors zusammenfallen.
  • Das Primäroptikarray kann wie folgt ausgebildet sein:
    1. 1. Als ein Sammellinsenarray, insbesondere als ein Array aus Plankonvexlinsen. Besonders vorteilhaft ist ein Linsenarray mit torischen Linsenflächen.
    2. 2. Als ein Reflektorarray, insbesondere mit mehreckiger Querschnittsfläche, vorzugsweise mit quadratischem, rechteckigem oder dreieckigem Reflektorquerschnitt. Die Reflektorflächen werden vorzugsweise als ebene Spiegelflächen oder als zylindrische Hyperboloidflächen ausgebildet.
    3. 3. Als ein Lichtleiterarray, wobei die einzelnen Lichtleiter vorzugsweise als konische Lichtleiter mit einer von ihrer Lichteintrittsfläche zu ihrer Lichtaustrittsfläche hin zunehmenden Querschnittsfläche. Die Lichtleiter haben vorzugsweise einen mehreckigen, vorzugsweise einen dreieckigen, rechteckigen oder quadratischen Querschnitt. Eine Lichteintrittsfläche eines Lichtleiters wird vorteilhafterweise als ebene Fläche ausgebildet, die orthogonal zur Hauptabstrahlrichtung der ihr zugeordneten Halbleiterlichtquelle, insbesondere parallel zur Flächenerstreckung eines Halbleiterchips, angeordnet ist. Eine Lichtaustrittsfläche eines Lichtleiters weist vorzugsweise eine konvexe Wölbung auf.
    4. 4. Als ein Lichtleiterarray mit mehreren scheibenförmigen Lichtleitern. Die Lichtleiterscheiben weisen jeweils eine Lichteintrittsfläche, eine Lichtaustrittsfläche, eine Reflektorfläche und zwei Transportflächen auf, an denen in den Lichtleiter eingekoppeltes Licht mittels Totalreflexion zu der Lichtaustrittsfläche transportiert wird. Die Reflektorfläche ist vorzugsweise zwischen den Lichteintritts- und Lichtaustrittsflächen angeordnet. Die Lichteintritts- und Lichtaustrittsflächen bilden vorteilhafterweise in Verbindung mit der Reflektorfläche zwei Brennlinien, die dem Abbildungsgesetz gehorchen. Das bedeutet, dass die optischen Wege zwischen der objektseitigen und der bildseitigen Brennlinie gleiche optische Weglängen aufweisen: Die Summei (si x ni) = konstant.
  • Wenn zwei- oder mehrteilige Sekundäroptiken zum Einsatz kommen, fällt der bildseitige Brennpunkt, der in Abstrahlrichtung vorangestellten Primäroptik mit dem objektseitigen Brennpunkt der nachfolgenden Sekundäroptik zusammen. Beide Optiken haben gleiche optische Achsen (Rotationsachsen von Linsen und Reflektoren). Eine Sekundäroptik mit mehreren hintereinander geschalteten Reflektoren oder Spiegeln erlaubt es, den Strahlengang zu falten, wodurch sich die Baulänge des Lichtmoduls entscheidend verkürzt.
  • Der Brennpunkt der Sekundäroptik liegt vorzugsweise auf einer Lichtaustrittsfläche des Ersatzlichtquellenarrays und bildet diese auf die Fahrbahn ab. Um eine gute Abbildungsqualität zu erzielen, wird die Sekundäroptik so ausgestaltet, dass alle optischen Wege zwischen dem Brennpunkt und dem (unendlich entfernten) Bildpunkt gleich lang sind. Bei Verwendung von Reflektoren als Primäroptik und/oder Sekundäroptik (Paraboloid-, Hyperboloid- oder Ellipsoidreflektoren) erreicht man dies bspw. mit folgenden Maßnahmen:
  • Das Lichtquellen- bzw. Ersatzlichtquellenarray strahlt unter einem spitzen Winkel vorzugsweise entgegen der Fahrtrichtung des Fahrzeugs oder schräg dazu in den Reflektor, d.h. der Strahlengang wird durch den Reflektor in einem spitzen Winkel gefaltet. Ferner ist der Reflektor vorzugsweise derart facettiert, dass alle Facettenflächen etwa gleich große Abstände zu einem gemeinsamen Brennpunkt des Reflektors aufweisen. Alle von der optischen Achse (Rotationsachse) des Lichtmoduls abgewandten Facettenkanten haben größere Abstände zu dem gemeinsamen Reflektorbrennpunkt als die Facetteninnenkanten, die auf der Seite der optischen Achse liegen. Vorzugsweise verlaufen die Facettenkanten senkrecht zu den Hell-Dunkel-Grenzen der resultierenden Gesamtlichtverteilung (z.B. vertikale Hell-Dunkel-Grenze beim Streifenfernlicht → horizontale Facettenkanten). Auch konzentrisch um die optische Achse angeordnete kreisringförmige Reflektorfacetten sind vorteilhaft.
  • Es folgt eine Aufstellung mit verschiedenen Kombinationen von Lichtquellen, Primäroptiken und Sekundäroptiken. All diejenigen Kombinationen, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung sein sollen, sind durch ein X gekennzeichnet. Diejenigen Kombinationen, die sowohl aus technischer Sicht als auch vom erzielbaren Ergebnis her ebenfalls interessante Lösungen darstellen, sind mit X' gekennzeichnet:
    Lichtquelle bzw. Ersatzlichtquelle LED-Array ohne Vorsatzoptik LEDs mit Linsenarray LEDs mit Reflektorarray LEDs mit Lichtleiterarray LEDs mit Lichtleiterscheiben
    Sekundäroptik
    Projektionslinse X X'
    Achromat (Zweilinser) X X'
    Parabelreflektor X X' X' X'
    Ellipsoid und Zerstreuungslinse X' X X' X' X'
    Hyperboloid/ Planspiegel und Sammellinse X' X X' X' X'
    Hyperboloid/ Planspiegel und Paraboloid X' X X' X' X'
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich unter Bezugnahme auf die Figuren aus der nachfolgenden Beschreibung. Dabei kann das erfindungsgemäße Lichtmodul die bezüglich der verschiedenen Ausführungsformen angegebenen Merkmale und Vorteile auch jeweils einzeln oder in einer beliebig anderen Kombination als in den Ausführungsbeispielen erläutert aufweisen. Es zeigen:
    • Fig. 1
    ein erfindungsgemäßes Lichtmodul gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform;
    Fig. 2
    Lichtquellen zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Lichtmodul gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
    Fig. 3
    Ersatzlichtquellen zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Lichtmodul gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
    Fig. 4
    verschiedene Ansichten von Ersatzlichtquellen nach Fig. 3;
    Fig. 5
    verschiedene Ansichten von alternativen Ersatzlichtquellen zur Verwendung in einem alternativen Lichtmodul;
    Fig. 6
    verschiedene Ansichten von alternativen Ersatzlichtquellen zur Verwendung in einem alternativen Lichtmodul ;
    Fig. 7
    verschiedene Ansichten von alternativen Ersatzlichtquellen zur Verwendung in einem alternativen Lichtmodul;
    Fig. 8
    eine Seitenansicht und eine Draufsicht auf eine Ersatzlichtquelle vom Typ der in Figur 7 gezeigten Ersatzlichtquellen;
    Fig. 9
    einen Ausschnitt aus Fig. 8a mit beispielhaft eingezeichneten Strahlverläufen;
    Fig. 10
    ein erfindungsgemäßes Lichtmodul gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in einer Seitenansicht mit beispielhaft eingezeichneten Strahlverläufen;
    Fig. 11
    ein erfindungsgemäßes Lichtmodul gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in einer Seitenansicht mit beispielhaft eingezeichneten Strahlverläufen;
    Fig. 12
    ein erfindungsgemäßes Lichtmodul gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in einer Seitenansicht mit beispielhaft eingezeichneten Strahlverläufen;
    Fig. 13
    ein erfindungsgemäßes Lichtmodul gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in einer Seitenansicht mit beispielhaft eingezeichneten Strahlverläufen;
    Fig. 14
    ein erfindungsgemäßes Lichtmodul gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in einer Seitenansicht mit beispielhaft eingezeichneten Strahlverläufen; und
    Fig. 15
    einen Ausschnitt aus einer Ersatzlichtquellenanordnung zur Verwendung in einem Lichtmodul gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lichtmodul, das in den Figuren in seiner Gesamtheit und mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist. Das Lichtmodul 1 ist zum Einbau in einer Beleuchtungseinrichtung (nicht dargestellt) eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Die Beleuchtungseinrichtung ist vorzugsweise als ein Kraftfahrzeugscheinwerfer ausgebildet. Sie kann aber auch als eine Kraftfahrzeugleuchte ausgebildet sein. Sie umfasst üblicherweise ein Gehäuse mit einer Lichtaustrittsöffnung, die mittels einer transparenten Abdeckscheibe verschlossen ist. Das Lichtmodul 1 kann starr oder beweglich in dem Gehäuse angeordnet sein. Durch Bewegen des Lichtmoduls 1 relativ zu dem Gehäuse kann eine Leuchtweitenregelung und/oder eine Kurvenlichtfunktion realisiert werden. Es können mehrere erfindungsgemäße Lichtmodule 1 in dem Gehäuse angeordnet sein. Es ist aber auch denkbar, dass das erfindungsgemäße Lichtmodul 1 zusammen mit anderen nicht erfindungsgemäß ausgebildeten Lichtmodulen in dem Gehäuse angeordnet ist.
  • Das erfindungsgemäße Lichtmodul 1 umfasst eine Lichtquellenanordnung 15 (vgl. Figur 2) mit mindestens zwei Lichtquellen 16, die vorzugsweise als Halbleiterlichtquellen ausgebildet sind, und eine gemeinsame Sekundäroptik 4. Zusätzlich kann das Lichtmodul 1 ein Primäroptikarray 17 mit mehreren Primäroptikelementen 18 umfassen, welche das von den Lichtquellen 16 ausgesandte Licht bündeln. In diesem Fall wird die Lichtquellenanordnung auch als Ersatzlichtquellenarray 2 bezeichnet. Auf den Lichtaustrittsflächen 25 (vgl. Figur 3) der Primäroptikelemente 18 werden Zwischenlichtverteilungen erzeugt, welche die Sekundäroptik 4 zur Erzeugung einer resultierenden Gesamtlichtverteilung 5 des Lichtmoduls 1 auf der Fahrbahn vor dem Fahrzeug abbildet.
  • Die Sekundäroptik 4 fokussiert vorzugsweise auf die Lichtaustrittsflächen 25 des Ersatzlichtquellenarrays 2 bzw. der Primäroptikelemente 18. Bei dem Lichtmodul 1 werden die von den Lichtquellen auf den Lichtaustrittsflächen 25 des Primäroptikarrays 17 erzeugten Zwischenlichtverteilungen vorzugsweise derart miteinander kombiniert, dass sich die Einzellichtverteilungen 6' zumindest partiell überlagern bzw. addieren und so die resultierende Gesamtlichtverteilung 5 des Lichtmoduls 1 bilden. Die Gesamtlichtverteilung 5 ist bspw. ein sog. blendungsfreies Fernlicht. Bei dem erfindungsgemäßen Lichtmodul 1 werden also lediglich die Zwischenlichtverteilungen auf den Lichtaustrittsflächen 25 der Primäroptikelemente 18, d.h. die beleuchteten Flächen 25, und nicht Abbilder der Lichtquellen 16 von der Sekundäroptik 4 auf der Fahrbahn abgebildet. Zu diesem Zweck ist die Sekundäroptik 4 nicht auf Abbilder der Lichtquellen 16, sondern auf die Lichtaustrittsflächen 25 der Primäroptikelemente 18 fokussiert.
  • Figur 15 zeigt einen Ausschnitt einer Ersatzlichtquellenanordnung 2 zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Lichtmodul 1. Es ist beispielhaft eine von mehreren Halbleiterlichtquellen 16 in Form eines LED-Chips dargestellt. In Lichtaustrittsrichtung nach dem LED-Chip 16 ist beispielhaft eine von mehreren Sammellinsen 18 des Sammellinsenarrays 17 dargestellt. Eine Teilung des Linsenarrays 17 ist mit T bezeichnet. Die Teilung T entspricht der Breite der einzelnen Sammellinsen 18 sowie dem Abstand der Mittelpunkte benachbarter LED-Chips 16. Mit BLED ist eine Kantenlänge des LED-Chips 16 bezeichnet. Ein virtueller LED-Chip ist mit 16' bezeichnet. Die Kantenlänge des virtuellen LED-Chips 16' ist mit B'LED bezeichnet. Ein objektseitiger Brennpunkt der Sammellinse 18 ist mit F und ein Hauptpunkt der Linse 18 ist mit H bezeichnet. Der Hauptpunkt H einer Linse ist als Schnittpunkt einer Hauptebene der Linse mit der optischen Achse definiert. Die Sekundäroptik 4 des erfindungsgemäßen Lichtmoduls 1 ist vorzugsweise auf einen Hauptpunkt H einer der Sammellinsen 18, vorzugsweise auf den Hauptpunkt H der in der Nähe einer optischen Achse 7 des Lichtmoduls 1 befindlichen Sammellinse 18, fokussiert. Das Bezugszeichen f bezeichnet die Brennweite der Linse 18 und SF eine Schnittweite der Linse 18. Ein Abstand zwischen dem LED-Chip 16 und der Lichteintrittsfläche der Sammellinse 18 ist mit S1 und ein Abstand zwischen dem virtuellen Chip-Bild 16' und der Lichteintrittsfläche der Linse 18 mit S2 bezeichnet.
  • Der LED-Chip 16 liegt zwischen der Linse 18 und deren objektseitigem Brennpunkt F. Der LED-Chip 16 wird durch die Linse 18 so vergrößert, dass das (aufrechte) virtuelle Bild 16' des Chips (in Lichtaustrittsrichtung vor dem objektseitigen Linsenbrennpunkt F) etwa gleich groß ist wie die Linse 18, d.h. B'LED ≈ T. Für die angegebenen Größen gelten näherungsweise folgende Zusammenhänge: S F - S 1 S F ≈ B LED T ≈ B LED Bʹ LED
    Figure imgb0001
     0 , 1 mm ≤ S 1 ≤ 2 mm
    Figure imgb0002
     1 x B LED ≤ T ≤ 4 x B LED
    Figure imgb0003
  • Die Sammellinsen 18 des Linsenarrays 17 dienen nicht zur Erzeugung reeller Zwischenbilder der Lichtquellen 16, sondern bilden lediglich eine ausgeleuchtete Fläche auf der Lichtaustrittsseite 25 der Sammellinsen 18. Die Lichtquellen 16 sind derart zwischen den Lichteintrittsflächen der Linsen 18 und den objektseitigen Brennpunkten F der Linsen 18 angeordnet, dass die Ränder der Lichtquellen 16 auf geometrischen Verbindungen von den Brennpunkten F zu den Linsenrändern liegen. Die Abstrahlflächen der Lichtquellen 16 sind senkrecht zu den optischen Achsen der Linsen 18 angeordnet. Dadurch ergibt sich eine sehr gleichmäßige Ausleuchtung der Linsen 18 und auf den Lichtaustrittsflächen 25 der Linsen 18 eine besonders homogene Lichtverteilung, die sog. Zwischenlichtverteilung. Diese Zwischenlichtverteilungen werden durch die Sekundäroptikanordnung 4 zur Erzeugung der resultierenden Gesamtlichtverteilung des Lichtmoduls 1 auf der Fahrbahn vor dem Fahrzeug abgebildet. Die optischen Achsen der Einzellinsen 18 des Arrays 17 verlaufen alle in einer Ebene, bevorzugt sind sie parallel zueinander. Die Achse der Sekundäroptik 4 ist auf der Seite, die der Primäroptik 17 zugewandt ist, parallel zu der Achse mindestens einer der Linsen 18.
  • Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lichtmoduls 1. Das Lichtmodul 1 weist mehrere separat ansteuerbare, zu einem Array zusammengefasste Halbleiterlichtquellen 16 (vgl. Figur 2) zum Aussenden von Licht auf. In dem dargestellten Beispiel sind mehrere LEDs 16 in einer Reihe nebeneinander angeordnet. Selbstverständlich können die LEDs 16 auch in mehreren Reihen übereinander matrixartig angeordnet sein. Jeder der Halbleiterlichtquellen 16 ist ein Primäroptikelement 18 (vgl. Figur 3) zum Bündeln zumindest eines Teils des von der Lichtquelle 16 ausgesandten Lichts und zum Erzeugen einer Zwischenlichtverteilung auf der Lichtaustrittsfläche 25 zugeordnet. Die Primäroptikelemente 18 sind zu einem Primäroptikarray 17 zusammengefasst. Die Primäroptikelemente 18 sind vorzugsweise als Sammellinsen ausgebildet, die zu einem Sammellinsenarray zusammengefasst sind. Das Primäroptikarray 17 bzw. die einzelnen Primäroptikelemente 18 können auch als Vorsatzoptik bezeichnet werden. Die Zwischenlichtverteilungen werden auf Lichtaustrittsflächen der Primäroptikelemente 18 erzeugt. Die Zwischenlichtverteilungen werden von dem Sekundäroptiksystem 4 auf der Fahrbahn vor dem Kraftfahrzeug als Einzellichtverteilungen 6' zur Erzeugung der resultierenden Gesamtlichtverteilung 5 des Lichtmoduls 1 abgebildet. Die Kombination aus dem Halbleiterlichtquellen-Array 15 und dem Primäroptikarray 17 wird nachfolgend - wie gesagt - auch als Ersatzlichtquellenarray 2 bezeichnet. Die Halbleiterlichtquellen 16 sind zur thermischen Stabilisierung, insbesondere zum Abführen von während des Betriebs der Halbleiterlichtquellen 16 entstehender Abwärme, unmittelbar oder mittelbar über eine Leiterplatte 19 oder Ähnliches auf einem Kühlkörper 3 angeordnet.
  • Das Sekundäroptiksystem 4 ist in dem dargestellten Beispiel als ein horizontal facettierter Reflektor, insbesondere Parabelreflektor, ausgebildet. D.h. in einem Vertikalschnitt umfasst der Reflektor 4 mehrere übereinander angeordnete Facetten. Das Sekundäroptiksystem 4 fokussiert auf die Lichtaustrittsflächen 25 der Primäroptikelemente 18 bzw. des Ersatzlichtquellenarrays 2. Eine resultierende Gesamtlichtverteilung 5 des Lichtmoduls 1 ist beispielhaft auf einem Messschirm 6 abgebildet, der in einem definierten Abstand zu dem Lichtmodul 1 angeordnet ist. Die Gesamtlichtverteilung 5 umfasst eine Vielzahl von Einzellichtverteilungen 6', die von den einzelnen Elementen 16, 18 des Ersatzlichtquellenarrays 2 im Zusammenwirken mit dem Sekundäroptiksystem 4 erzeugt werden.
  • Ferner ist in Figur 1 eine optische Achse 7 des Lichtmoduls 1 eingezeichnet. Eine Sagittalebene 8 hat eine im Wesentlichen horizontale Flächenerstreckung und umfasst die optische Achse 7. Eine Meridionalebene 9 hat eine im Wesentlichen vertikale Erstreckung und umfasst ebenfalls die optische Achse 7. Eine Schnittlinie zwischen der Sagittalebene 8 und dem Messschirm 6 bildet eine Horizontale HH 10, und eine Schnittlinie zwischen der Meridionalebene 9 und dem Messschirm 6 bildet eine Vertikale VV 11. Die optische Achse 7 verläuft durch den Schnittpunkt HV der Horizontalen 10 und der Vertikalen 11. Es ist deutlich zu erkennen, dass sich die resultierende Gesamtlichtverteilung 5 sowohl unterhalb der Horizontalen 10 als auch oberhalb der Horizontalen 10 erstreckt. Bei der Gesamtlichtverteilung 5 kann es sich beispielsweise um ein sog. Matrix-Fernlicht bzw. ein sog. Streifen-Fernlicht oder um einen Teil davon handeln. Die Gesamtlichtverteilung 5 kann aber auch einen besonders hell ausgeleuchteten zentralen Bereich eines Fernlichts (Fernlichtspot) bilden.
  • Ein Brennpunkt des facettierten Parabelreflektors 4 ist in Figur 1 mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet. Der Brennpunkt 12 liegt auf einer Lichtaustrittsfläche 25 des Ersatzlichtquellenarrays 2 bzw. auf einer Lichtaustrittsfläche 25 des Primäroptikarrays 17, insbesondere auf einem Flächenschwerpunkt des Ersatzlichtquellenarrays 2. Der Strahlengang eines Hauptstrahls ist mit dem Bezugszeichen 13 und der Strahlengang eines Nebenstrahls mit dem Bezugszeichen 14 bezeichnet. Der Hauptstrahl 13 ergibt sich aus einem im Wesentlichen in Hauptabstrahlrichtung 29 (vgl. Figur 8) einer der Lichtquellen 16 ausgesandten Lichtstrahl, durch Formung und eventuell Umlenkung durch ein der Lichtquelle 16 zugeordnetes Primäroptikelement 18 sowie durch Umlenkung an dem Sekundäroptiksystem 4. Der Nebenstrahl 14 ergibt sich dementsprechend durch einen schräg zur Hauptabstrahlrichtung 29 ausgesandten Lichtstrahl 29'.
  • Figur 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Lichtquellenarrays 15 des erfindungsgemäßen Lichtmoduls 1, das mehrere, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel fünf nebeneinander in einer geraden Linie angeordnete LED-Chips 16 umfasst. Selbstverständlich können die Einzellichtquellen 16 auch auf andere Weise als in Figur 2 gezeigt angeordnet sein, bspw. matrixartig in mehreren Reihen und Spalten. Außerdem kann das Lichtquellenarray 15 eine andere Anzahl von Einzellichtquellen 16 aufweisen als in Figur 2 gezeigt. Ferner wäre es denkbar, die Lichtquellen 16 statt auf einer geraden Linie auf einem Bogen oder beliebig anders anzuordnen.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel aus Figur 3 umfasst die Lichtquellenanordnung ein Lichtquellenarray 15 und ein Primäroptikarray 17. Das Lichtquellenarray 15 weist mehrere SMD (Surface Mounted Device)-LEDs 16 auf, die in dem dargestellten Beispiel unmittelbar nebeneinander in einer geraden Linie angeordnet sind. Das Primäroptikarray 17 umfasst mehrere, in dem dargestellten Beispiel fünf nebeneinander angeordnete Sammellinsen 18. Die LEDs 16 des Lichtquellenarrays 15 sind in einer gemeinsamen Ebene, vorzugsweise auf einer gemeinsamen Leiterplatte 19 angeordnet und kontaktiert. Die Kombination des Lichtquellenarrays 15 und des Primäroptikarrays 17 bildet das Ersatzlichtquellenarray 2. Jedem Primäroptikelement 18 ist mindestens eine Lichtquelle 16 zugeordnet. Vorzugsweise ist jedem Primäroptikelement 18 genau eine Halbleiterlichtquelle 16 zugeordnet. Die Anordnung der Sammellinsen 18 in dem Sammellinsenarray 17 entspricht somit der Anordnung der Lichtquellen 16 in dem Leichtquellenarray 15. Die Lichtaustrittsflächen 25 der Primäroptikelemente 18 grenzen vorzugsweise unmittelbar aneinander. Da bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 3 die Primäroptikelemente 18 größer als die ihnen zugeordneten LED-Chips bzw. SMD-LEDs 16 sind, ergeben sich bei dem Ersatzlichtquellenarray 2 Abstände zwischen den einzelnen Halbleiterlichtquellen 16.
  • Figur 4 zeigt das Ersatzlichtquellenarray 2 aus Figur 3 in verschiedenen Ansichten. Die einzelnen Primäroptikelemente 18 sind dabei als plankonvexe Sammellinsen ausgebildet. In diesem Fall ist das Primäroptikarray 17 also ein Linsenarray, das vorzugsweise aus Plankonvexlinsen aufgebaut ist. Das Linsenarray 17 kann aus organischem oder anorganischem Glas oder aus Silikonkautschuk (LSR, Liquid Silicone Rubber) bestehen. Organische Gläser sind beispielsweise Polymethylmethacrylat (PMMA), Cycloolefines Copolymer (COC), Cycloolefines Polymer (COP), Polycarbonat (PC), Polysulfon (PSU) oder Polymethacrylmethylimid (PMMI). In dem dargestellten Beispiel sind insgesamt sechs LEDs 16 sechs Primäroptikelementen 18 zugeordnet. Die dargestellte Primäroptik 17 umfasst zwar acht Primäroptikelemente 18, allerdings sind die äußeren beiden Primäroptikelemente 18 keiner LED 16 zugeordnet.
  • Ferner ist in Figur 4 eine Fokusebene der Sekundäroptik (nicht dargestellt) mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet. Ein Brennpunkt der Sekundäroptik 4 ist mit dem Bezugszeichen 21 bezeichnet. Eine Teilung zwischen zwei benachbarten Einzellichtquellen 16 bzw. zwischen zwei benachbarten Primäroptikelementen 18 ist mit T bezeichnet. Dabei wird die Teilung T vom Mittelpunkt einer Lichtquelle 16 bzw. eines Primäroptikelements 18 zu dem Mittelpunkt der benachbarten Lichtquelle 16 bzw. des benachbarten Primäroptikelements 18 angegeben.
  • In Figur 5 ist ein anderes Beispiel für ein Ersatzlichtquellenarray 2 zur Verwendung in einem Lichtmodul 1 in verschiedenen Ansichten dargestellt. Dabei sind die Primäroptikelemente 18 als Reflektoren ausgebildet. Diese haben in dem gezeigten Beispiel einen quadratischen Querschnitt. Die Lichtaustrittsflächen 25 der einzelnen Reflektoren 18 reihen sich lückenlos aneinander und begrenzen die leuchtende Fläche mit scharfen, geraden Kanten. Jeder Lichtquelle 16 (umfassend mindestens eine LED) ist vorzugsweise ein Reflektorelement 18 zugeordnet. Falls gewünscht, kann zwischen Reflektorarray 17 und dem Lichtquellenarray 15 ein (durchbrochenes) Wärmeschutzblech 22 vorgesehen sein, das die Rückseite des Reflektorarrays 17 vor Strahlung schützt. Das Wärmeschutzblech 22 verhindert eine thermische Überlastung des Reflektormaterials.
  • Die Reflektoren 18 erweitern sich konisch vom Lichteintritt zum Lichtaustritt 25 hin. Senkrecht zu einer optischen Achse 23 bzw. zur Hauptabstrahlrichtung 29 der Lichtquellen 16 (vgl. Figur 8a) weisen die Reflektoren 18 vorzugsweise dreieckige, quadratische oder rechteckige Querschnitte auf. Besonders bevorzugt haben die Reflektoren 18 die Geometrie eines Pyramidenstumpfes. Die Reflexionsfläche der Reflektoren 18 besteht vorzugsweise aus zylindrischen Hyperboloiden oder ebenen Spiegeln als Spezialfall des Hyperboloids. Das Reflektorarray 17 besteht aus einem metallisierten, hochtemperaturfesten Kunststoff, insbesondere aus einem thermoplastischen Kunststoff. Gut geeignete hochtemperaturfeste Thermoplaste sind beispielsweise Polyetheretherketon, Polyetherimid oder Polysulfon. Die Metallisierung besteht beispielsweise aus Aluminium, Silber, Platin, Gold, Nickel, Chrom, Kupfer, Zinn oder aus Legierungen, die zumindest eines dieser Metalle beinhalten. Die Metallisierung wird nach dem Aufbringen auf die Reflexionsfläche vorzugsweise durch eine transparente Schicht versiegelt. Anstelle einer Metallisierung kann auch eine Multilagenbeschichtung auf den Kunststoffkörper aufgebracht werden. Bei der Multilagenbeschichtung werden abwechselnd mehrere niedrig- und hochbrechende Schichten kombiniert. Unter der spiegelnden Metall- oder Multilagenschicht kann eine weitere Metallschicht als Strahlungsbarriere vorgesehen sein. Diese Metallschicht wird beispielsweise als eine Kupfer- oder Nickelschicht auf dem Kunststoffkörper des Reflektorarrays 17 abgeschieden und bildet so einen Schutz gegen die thermische Belastung durch die Strahlung der LEDs 16. Diese Metallschicht ist auch in der Lage, Wärme zum Reflektorrand im Bereich der Lichtaustrittsfläche 25 hin abzuleiten. Vorzugsweise ist diese Metallschicht dicker als die metallisierten Spiegelschichten auf den Reflexionsflächen.
  • Die Reflektorränder, d.h. die Lichtaustrittsflächen 25 der einzelnen Reflektorelemente 18 folgen dem Verlauf einer Petzvalfläche der Sekundäroptik 4 und liegen damit auf einer konvex gekrümmten Schale (wenn die Projektionsoptik 4 als Reflektor ausgebildet ist) oder auf einer konkav gekrümmten Schale (wenn die Projektionsoptik 4 als Linse ausgebildet ist).
  • In Figur 6 ist ein weiteres Beispiel eines Ersatzlichtquellenarrays 2 dargestellt, bei dem die Primäroptikelemente 18 als Lichtleiter ausgebildet sind. Das Lichtleiterarray 17 umfasst in einer geraden Linie nebeneinander angeordnete Lichtleiter 18, die sich jeweils zum Lichtaustritt 25 hin konisch erweitern. Senkrecht zur optischen Achse 23 bzw. zur Hauptabstrahlrichtung 29 der Lichtquellen 16 (vgl. Figur 8a) weisen die Lichtleiter 18 vorzugsweise dreieckige, quadratische oder rechteckige Querschnitte auf. In dem dargestellten Beispiel weisen die Lichtleiterelemente 18 einen rechteckigen bzw. quadratischen Querschnitt auf. Vorzugsweise haben die Lichtleiter 18 die Geometrie eines Pyramidenstumpfes. Die Lichteintrittsfläche der einzelnen Lichtleiterelemente 18 ist vorzugsweise eben und verläuft parallel zu einer Chipfläche der zugeordneten Lichtquelle 16 (umfassend mindestens eine LED).
  • Die Lichtaustrittsfläche 25 der einzelnen Lichtleiter 18 ist vorzugsweise konvex gewölbt. Das Lichtleiterarray 17 besteht aus organischem oder anorganischem Glas oder aus Silikonkautschuk (LSR). Organische Gläser sind beispielsweise PMMA, COC, COP, PC, PSU oder PMMI. Die Lichtaustrittsflächen 25 der konischen Lichtleiter 18 folgen einer Petzvalfläche des Sekundäroptiksystems 4 und liegen damit auf einer konvex gekrümmten Schale (bei einer Projektionsoptik 4 mit Reflektor) oder auf einer konkav gekrümmten Schale (bei einer Projektionsoptik 4 mit Linse).
  • Bei dem Beispiel aus Figur 7 umfasst das Ersatzlichtquellenarray 2 ein Primäroptikarray 17, das sich aus mehreren scheibenförmigen Lichtleitern 18 zusammensetzt. Die einzelnen Lichtleiter 18 weisen jeweils eine Lichteintrittsfläche 24, eine Lichtaustrittsfläche 25, eine Reflektorfläche 26, sowie zwei Transportflächen 27 auf, wobei die Lichteintritts- und Lichtaustrittsflächen 24, 25 in Verbindung mit der Reflektorfläche 26 zwei Brennlinien bilden, die dem Abbildungsgesetz gehorchen: Die optischen Wege zwischen der objektseitigen und der bildseitigen Brennlinie 30a, 30b weisen gleiche optische Weglängen auf → Summei (si x ni) = konstant (vgl. Figur 9). Die bildseitige Brennlinie 30a liegt auf der Lichtaustrittsfläche 25 des Lichtleiters 18. Die seitlichen Transportflächen 27 des Lichtleiters 18 erweitern sich zur Lichtaustrittsfläche 25 hin stetig (vgl. Figur 7c). Die Reflektorfläche 26 ist eine Regelfläche. Die Lichteintrittsfläche 24 des Lichtleiters 18 ist vorzugsweise eben und verläuft parallel zur Chipfläche der zugeordneten LED-Lichtquelle 16. Es ist aber auch denkbar, dass die Lichteintrittsfläche 24 gegenüber der Chipfläche der LED 16 leicht geneigt ist, so dass beide Flächen einen konischen Luftspalt bilden, der sich vorzugsweise zur Hinterkante des Lichtleiters 18 hin erweitert. Als Hinterkante wird die von der Lichtaustrittsseite 25 abgewandte Kante bezeichnet. Die Lichtaustrittsfläche 25 des Lichtleiters 18 ist leicht gewölbt, insbesondere konvex gewölbt. Die Lichtaustrittsfläche 25 der Scheibenlichtleiter 18 folgen der Petzvalfläche 20a des Sekundäroptiksystems 4 und liegen damit auf einer konvex gekrümmten Schale (bei einer Sekundäroptik 4 mit Reflektor) oder auf einer konkav gekrümmten Schale (bei einer Sekundäroptik 4 mit Linse). Das Array 17 mit Lichtleiterscheiben 18 besteht vorzugsweise aus organischem oder anorganischem Glas oder aus Silikonkautschuk LSR. Organische Gläser sind beispielsweise PMMA, COC, COP, PC, PSU oder PMMI.
  • In Figur 8 ist die Hauptabstrahlrichtung einer Lichtquelle 16 stellvertretend für alle Lichtquellen 16 des Lichtquellenarrays 15 mit dem Bezugszeichen 29 bezeichnet. Die Hauptabstrahlrichtung 29 fällt mit der optischen Achse der Lichtquelle 16 zusammen. Mit dem Bezugszeichen 30 ist eine Brennlinie des Lichtleiters 18 bezeichnet.
  • Wie man anhand der Figur 9 gut erkennen kann, ist der scheibenförmige Lichtleiter 18 derart ausgebildet, dass sich gleiche optische Weglängen zwischen den beiden Brennlinien (bildseitige Brennlinie 30a und objektseitige Brennlinie 30b) des Lichtleiters 18 ergeben: Summei (si x ni) = konstant für alle optischen Wege, wobei ni die Brechungsindices der verschiedenen durchlaufenen Medien sind (n1 = 1 der Luft und n2, n3: Brechungsindex des Lichtleiters 18). Exemplarisch sind in Figur 9 drei optische Wege eingezeichnet: s, s' und s". Die bildseitige Brennlinie 30a liegt auf der Lichtaustrittsfläche 25 des Lichtleiters 18, die objektseitige Brennlinie 30b fokussiert auf die Lichtaustrittsfläche des zugeordneten LED-Chips 16.
  • Die Figuren 10 bis 14 zeigen verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Lichtmoduls 1 im Schnitt. Ein Großteil der optischen Fläche der Sekundäroptik 4 besitzt einen ersten objektseitigen Brennpunkt und einen gemeinsamen bildseitigen Brennpunkt im Unendlichen. Die Sekundäroptik 4 erzeugt damit eine Abbildung der Ersatzlichtquellenanordnung 2 bzw. deren Lichtaustrittsflächen 25 im Unendlichen. Das Sekundäroptiksystem 4 kann beispielsweise einen Parabolspiegel, insbesondere einen facettierter Parabolspiegel, umfassen (vgl. Figuren 1 und 13), dessen Brennpunkt 31 auf der Lichtaustrittsfläche 25 des Primäroptikarrays 17 liegt. Der Parabelreflektor 4 ist so facettiert, dass alle Facettenflächen etwa gleiche Abstände zum gemeinsamen Brennpunkt 31 aufweisen. Alle von der optischen Achse (Rotationsachse) 7 des Lichtmoduls 1 abgewandten Facettenkanten haben größere Abstände zu dem gemeinsamen Reflektorbrennpunkt 31 als die Facetteninnenkanten, die auf der Seite der optischen Achse 7 liegen. Die Facettenkanten verlaufen senkrecht zu der Hell-Dunkel-Grenze der Lichtverteilung 5 (d.h. vertikale Hell-Dunkel-Grenze beim Streifenfernlicht → horizontale Facettenkanten), wie in Figur 1 gezeigt. Die Facettenkanten können auch kreisringförmig sein und konzentrisch um die optische Achse 7 (Rotationsachse) des Reflektors 4, 4' verlaufen.
  • Das Sekundäroptiksystem 4 des erfindungsgemäßen Lichtmoduls 1 kann auch eine Sammellinse umfassen, die auf die Lichtaustrittsflächen 25 der Primäroptikelemente 18 fokussiert ist. Die Sammellinse kann als eine torische (astigmatische) Sammellinse ausgebildet sein, die in Meridional- und Sagittalschnitt 8, 9 unterschiedliche Brechkräfte aufweist. Die Sammellinse kann ferner auch als eine astigmatische Sammellinse ausgebildet sein. Schließlich kann das Sekundäroptiksystem 4 auch ein farbkorrigierendes zweilinsiges System (Achromat) umfassen: eine Sammellinse mit kleiner Farbdispersion und eine Zerstreuungslinse mit großer Farbdispersion.
  • In dem in Figur 10 gezeigten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lichtmoduls 1 umfasst das Sekundäroptiksystem 4 einen Reflektor in der Form eines Hyperboloids 4' oder eines ebenen Spiegels als Spezialfall des Hyperboloids mit einem dahinter angeordneten Reflektor in der Form eines Paraboloids 4", insbesondere eines facettierten Paraboloids. Ein objektseitiger Brennpunkt 21 des Hyperboloids 4' liegt auf der Lichtaustrittsfläche 25 des Ersatzlichtquellenarrays 2 und bildet den objektseitigen Brennpunkt des gesamten Sekundäroptiksystems 4. Ein bildseitiger Brennpunkt 21' des Hyperboloids 4' fällt mit dem Brennpunkt des Paraboloids 4" zusammen und markiert die Lage eines virtuellen Zwischenbildes 2' der Lichtaustrittsfläche 25 des Ersatzlichtquellenarrays 2.
  • In Figur 10 ist das Lichtmodul 1 - wie gesagt - mit einem zweiteiligen Sekundäroptiksystem 4 gezeigt, bestehend aus einem Planspiegel 4' und einem Rotationsparaboloid 4". Das resultierende Sekundäroptiksystem 4 hat eine optische Achse 32 (Rotationsachse). Das Paraboloid 4" fokussiert auf das virtuelle Bild 2' der Lichtaustrittsfläche 25 des Ersatzlichtquellenarrays 2, insbesondere auf den Flächenschwerpunkt der Lichtaustrittsfläche 25 des Ersatzlichtquellenarrays 2.
  • In dem Ausführungsbeispiel aus Figur 11 ist ebenfalls ein zweiteiliges Sekundäroptiksystem 4 mit zwei Reflektoren 4', 4" vorgesehen. Der erste Reflektor 4' des Sekundäroptiksystems 4 ist als ein konkaves (sammelndes) Hyperboloid ausgebildet. Dadurch ergibt sich ein vergrößertes virtuelles Bild der Ersatzlichtquelle 2 als bei dem Ausführungsbeispiel aus Figur 10. Ferner ist in Figur 11 der objektseitige Brennpunkt 21 des Hyperboloids 4' der objektseitige Brennpunkt der gesamten Sekundäroptik 4. Der bildseitige Brennpunkt 21' des Hyperboloids 4' fällt mit dem Brennpunkt des Paraboloids 4" zusammen und markiert die Lage des virtuellen Zwischenbildes 2' der Lichtaustrittsfläche 25 des Ersatzlichtquellenarrays 2.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel aus Figur 12 ist das Sekundäroptiksystem 4 ebenfalls mehrteilig, insbesondere zweiteilig ausgestaltet. Das Lichtmodul 1 umfasst ein konvexes (zerstreuendes) Hyperboloid 4'''und ein Paraboloid 4''. Das resultierende Sekundäroptiksystem 4 hat die optische Achse 32 (Rotationsachse). Der bildseitige Brennpunkt 21' des Hyperbelspiegels 4''' fällt mit dem Brennpunkt des Paraboloids 4" zusammen. Das Paraboloid 4" fokussiert auf das verkleinerte virtuelle Bild 2' der Lichtaustrittsfläche 25 des Ersatzlichtquellenarrays 2.
  • Das Sekundäroptiksystem 4 besteht gemäß der Ausführungsbeispiele aus den Figuren 10 bis 12 somit aus zwei Reflektoren, die nicht auf Kegelschnitten basieren und kein scharfes, unverzerrtes Zwischenbild 2' der Lichtaustrittsfläche 25 des Ersatzlichtquellenarrays 2 liefern. Vielmehr bildet das Sekundäroptiksystem 4 lediglich die beleuchtete Fläche 25 auf der Fahrbahn ab. Das optische System 1 weist einen objektseitigen und einen bildseitigen Brennpunkt auf, wobei der bildseitige Brennpunkt im Unendlichen liegt. Zwischen den beiden Brennpunkten findet man gleiche optische Weglängen (Summe si = konstant).
  • Der Hyperboloidreflektor 4', 4''' kann auch facettiert ausgebildet sein. Bei dem Hyperboloidreflektor 4', 4''' liegt das Bild 21' des objektseitigen Brennpunkts 21 nicht im Unendlichen. Deshalb würde die Anordnung der Reflektorfacetten von einer Kugelfläche abweichen. Die Facetten sind vorzugsweise so angeordnet, dass die jeweiligen Abstände zu den objekt- und bildseitigen Brennpunkten (Hyperbel: virtuelles Bild) für alle Reflektorfacetten möglichst gleiche Verhältnisse aufweisen, so dass für alle Reflektorzonen möglichst gleiche Abbildungsmaßstäbe erreicht werden.
  • Gemäß dem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lichtmoduls 1 aus Figur 13 umfasst das Sekundäroptiksystem 4 einen Hyperboloidreflektor 4' und eine im Strahlengang dahinter angeordnete Sammellinse 4''''. Der Hyperboloidreflektor 4' ist vorzugsweise als ein horizontal facettiertes Hyperboloid ausgebildet. Ein objektseitiger Brennpunkt 32 der Sammellinse 4'''' und ein bildseitiger (virtueller) Brennpunkt des Hyperbelreflektors 4' fallen zusammen. Ein objektseitiger Brennpunkt des Reflektors 4' ist mit dem Bezugszeichen 31 bezeichnet und liegt auf der Lichtaustrittsfläche 25 der Ersatzlichtquellenanordnung 2 bzw. auf deren Flächenschwerpunkt.
  • Schließlich ist es gemäß einer weiteren Ausführungsform gemäß der Figur 14 möglich, dass das Sekundäroptiksystem 4 einen Ellipsoidreflektor 4'''' und eine dahinter angeordnete Zerstreuungslinse 4'''''' aufweist. Ein bildseitiger Brennpunkt 32 des elliptischen Spiegels 4'''' fällt mit einem virtuellen objektseitigen Brennpunkt der Zerstreuungslinse 4'''''' zusammen. Ein objektseitiger Brennpunkt 31 des Ellipsoidreflektors 4''''' liegt auf der Lichtaustrittsfläche 25 der Ersatzlichtquellenanordnung 2 bzw. auf dem Flächenschwerpunkt. Die Zerstreuungslinse 4'''''' fokussiert auf das vergrößerte Bild 2'des Ersatzlichtquellenarrays 2.
  • Der Ellipsoidreflektor 4'''' ' ist vorzugsweise als facettiertes Ellipsoid, insbesondere mit horizontaler Facettierung, ausgebildet. Bei dem Ellipsoidreflektor 4''''' liegt das Bild 32 des objektseitigen Brennpunkts 31 nicht im Unendlichen. Deshalb weicht die Anordnung der Reflektorfacetten von einer Kugelfläche ab. Die Facetten sind vorzugsweise so angeordnet, dass die jeweiligen Abstände zu den objekt- und bildseitigen Brennpunkten (Ellipse: reelles Bild) für alle Reflektorfacetten möglichst gleiche Verhältnisse aufweisen, so dass für alle Reflektorzonen möglichst gleiche Abbildungsmaßstäbe erreicht werden. Das Sekundäroptiksystem 4 hat eine gemeinsame optische Achse 7. Es besteht aus mehreren Spiegeln und/oder Linsen, die kein scharfes, unverzerrtes Zwischenbild 2' des Ersatzlichtquellenarrays 2 liefern, die aber in der Summe einen objektseitigen Brennpunkt 31 haben, der in einen bildseitigen Brennpunkt im Unendlichen abgebildet wird. Das optische System 1 gehorcht also dem Abbildungsgesetz, nach dem alle optischen Wege zwischen den beiden Brennpunkten gleich lang sind: Summei (si x ni) = konstant, wobei si jeweils der Weg des Strahlengangs i und ni die Brechungsindices der verschiedenen durchlaufenen Medien sind (n1 = n2 = n4 = 1 für Luft; n3 ≠ 1 entsprechend dem Material der Linse 4''''''). In Figur 14 sind exemplarisch drei optische Wege s, s' und s" dargestellt.
  • Eigentlich ist bei dem erfindungsgemäßen Lichtmodul 1 daran gedacht, dynamisches Kurvenlicht, Teilfernlicht, Markierungslicht o.ä. als resultierende Gesamtlichtverteilung 5 durch gezieltes Aktivieren bzw. Deaktivieren von einzelnen Lichtquellen 16 bzw. von Gruppen von Lichtquellen 16 ohne mechanisch bewegbare Teile in der Beleuchtungseinrichtung zu realisieren.
  • Es ist aber auch denkbar, dass alternativ oder zusätzlich zu der gezielten Aktivierung bzw. Deaktivierung von Lichtquellen 16 zur Erzeugung von dynamischem Kurvenlicht, Teilfernlicht, Markierungslicht als resultierende Gesamtlichtverteilung 5 oder wahlweise zur Justage der Hell-Dunkel-Grenze das Lichtmodul 1, bestehend aus dem Lichtquellenarray 15, dem Primäroptikarray 17 und dem Sekundäroptiksystem 4, motorisch um eine vertikale und/oder horizontale Achse relativ zum Gehäuse der Beleuchtungseinrichtung, in der das Lichtmodul 1 angeordnet ist, geschwenkt werden kann. Dadurch kann beispielsweise ein dynamisches Kurvenlicht in die Kurve hinein geschwenkt werden. Ein Teilfernlicht weist eine Fernlichtverteilung auf, aus der gezielt bestimmte Bereiche herausgeschnitten sind, in denen sich andere Verkehrsteilnehmer befinden. Um einer Bewegung der anderen Verkehrsteilnehmer relativ zu dem mit dem Lichtmodul 1 ausgestatteten Kraftfahrzeug folgen zu können, ist es denkbar das Lichtmodul 1 um die vertikale Achse horizontal zu verschwenken, so dass der aus der Fernlichtverteilung ausgesparte Bereich stets der aktuellen Position der anderen Verkehrsteilnehmer folgt. Ein Markierungslicht weist eine abgeblendete Lichtverteilung mit einer horizontalen Hell-Dunkel-Grenze auf, wobei gezielt mindestens ein eng begrenzter Bereich oberhalb der Hell-Dunkel-Grenze ausgeleuchtet wird, um andere Verkehrsteilnehmer oder Objekte in diesem Bereich gezielt anzuleuchten und die Aufmerksamkeit des Fahrers des mit dem Lichtmodul 1 ausgestatteten Kraftfahrzeugs auf diese anderen Verkehrsteilnehmer oder Objekte zu richten. Um auch hier einer Bewegung der anderen Verkehrsteilnehmer oder der Objekte relativ zu dem Kraftfahrzeug folgen zu können, damit der ausgeleuchtete eng begrenzte Bereich oberhalb der Hell-Dunkel-Grenze stets auf den anderen Verkehrsteilnehmer oder das Objekt gerichtet ist, kann das Lichtmodul 1 um die vertikale Achse horizontal verschwenkbar ausgebildet sein. Zur Justage einer vertikalen Hell-Dunkel-Grenze kann das Lichtmodul 1 ebenfalls um die vertikale Achse horizontal verschwenkbar und in der justierten Position festlegbar sein. Ebenso kann das Lichtmodul zur Justage einer horizontalen Hell-Dunkel-Grenze um eine horizontale Achse vertikal verschwenkt werden und in der justierten Position festgelegt werden. Die justierte Position der Hell-Dunkel-Grenze bildet dann den Nullpunkt für eine während des Betriebs des Lichtmoduls 1 auszuführende Kurvenlichtfunktion und/oder Leuchtweitenregelungsfunktion.

Claims (13)

  1. Lichtmodul (1) einer Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung, umfassend eine Lichtquellenanordnung mit mehreren separat ansteuerbaren, zu einem Array (15) zusammengefassten Lichtquellen (16) zum Aussenden von Licht, mehrere zu einem Primäroptikarray (17) zusammengefasste Primäroptikelemente (18) in Form von Sammellinsen jeweils mit einer Lichteintrittsfläche (24) und einer Lichtaustrittsfläche (25), wobei die Primäroptikelemente (18) zum Bündeln zumindest eines Teils des von den Lichtquellen (16) ausgesandten Lichts und zum Erzeugen von Zwischenlichtverteilungen auf den Lichtaustrittsflächen (25) ausgebildet sind, und ferner umfassend ein Sekundäroptiksystem (4) zum Abbilden des ausgesandten Lichts auf einer Fahrbahn vor dem Kraftfahrzeug als resultierende Gesamtlichtverteilung (5) des Lichtmoduls (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (16) zwischen den Lichteintrittsflächen (24) der Sammellinsen (18) und objektseitigen Brennpunkten (F) der Sammellinsen (18) angeordnet sind und das Sekundäroptiksystem (4) zum Abbilden der Zwischenlichtverteilungen auf der Fahrbahn vor dem Kraftfahrzeug als resultierende Gesamtlichtverteilung (5) des Lichtmoduls (1) auf mindestens eine der Lichtaustrittsflächen (25) der Sammellinsen (18) fokussiert ist.
  2. Lichtmodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen der Lichtquellenanordnung als SMD-LEDs und/oder LED-Chips (16) ausgebildet sind.
  3. Lichtmodul (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Primäroptikelemente (18) als Plankonvexlinsen ausgebildet sind.
  4. Lichtmodul (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sekundäroptiksystem (4) einen Parabelreflektor, insbesondere einen facettierten Parabelreflektor, aufweist.
  5. Lichtmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sekundäroptiksystem (4) eine Sammellinse, insbesondere eine aplanatische Sammellinse, in der weder sphärische Aberration noch Koma auftreten, aufweist.
  6. Lichtmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sekundäroptiksystem (4) einen Achromat mit einer Kombination aus einer Sammellinse mit kleiner Farbdispersion und einer Zerstreuungslinse mit großer Farbdispersion aufweist.
  7. Lichtmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sekundäroptiksystem (4) eine Kombination eines hyperbolischen Reflektors (4') mit einer Sammellinse (4'') aufweist, wobei ein objektseitiger Brennpunkt (32) der Sammellinse (4'') und ein bildseitiger Brennpunkt des Hyperbelreflektors (4') zusammenfallen.
  8. Lichtmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sekundäroptiksystem (4) eine Kombination eines elliptischen Reflektors (4') mit einer Zerstreuungslinse (4'') aufweist, wobei ein objektseitiger Brennpunkt (33) der Zerstreuungslinse (4'') und ein bildseitiger Brennpunkt des Ellipsoidreflektors (4') zusammenfallen.
  9. Lichtmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sekundäroptiksystem (4) mindestens einen Reflektor (4; 4', 4'', 4''', 4'''') umfasst, wobei die Lichtquellen (16) derart in dem Lichtmodul (1) relativ zu dem Reflektor angeordnet und/ oder ausgerichtet sind, dass sie mit ihrer Hauptabstrahlrichtung unter einem spitzen Winkel entgegen der Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs in den Reflektor (4; 4', 4'', 4''', 4'''') strahlen und der Reflektor (4; 4', 4'', 4''', 4'''') den Strahlengang in einem spitzen Winkel faltet.
  10. Lichtmodul (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (4; 4', 4'''') facettiert ist, wobei alle Facettenflächen etwa gleiche Abstände zu einem gemeinsamen Brennpunkt (12) des Reflektors (4; 4', 4'''') aufweisen.
  11. Lichtmodul (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Facettenkanten des facettierten Reflektors (4; 4', 4'''') senkrecht zu Helldunkelgrenzen der durch das Licht der einzelnen Lichtquellen (16) auf der Fahrbahn vor dem Kraftfahrzeug erzeugten Einzellichtverteilungen (6') verlaufen.
  12. Beleuchtungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung mindestens ein Lichtmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
  13. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung mehrere Lichtmodule (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 umfasst, wobei sich die Gesamtlichtverteilungen (5) von mehreren Lichtmodulen (1) zur Bildung einer Gesamtlichtverteilung der Beleuchtungseinrichtung zumindest partiell überlagern und/ oder ergänzen.
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