EP3368820A1 - Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere für ein kraftfahrzeug - Google Patents

Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere für ein kraftfahrzeug

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EP3368820A1
EP3368820A1 EP16782049.7A EP16782049A EP3368820A1 EP 3368820 A1 EP3368820 A1 EP 3368820A1 EP 16782049 A EP16782049 A EP 16782049A EP 3368820 A1 EP3368820 A1 EP 3368820A1
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EP
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light
lighting device
distribution
light distribution
spatial phase
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EP16782049.7A
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Helmut Erdl
Abdelmalek Hanafi
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Bayerische Motoren Werke AG
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Publication date
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    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/30—Semiconductor lasers

Definitions

  • Lighting device in particular for a motor vehicle
  • the invention relates to a lighting device, in particular for a motor vehicle.
  • Scanning lighting devices have the disadvantage that very high luminances are needed to meet the requirements of a headlight illumination when used in motor vehicles.
  • the increase in the spatial resolution of the scanner is possible only when increasing the luminance of the corresponding light source. High luminances lead to high requirements with regard to eye safety when using the scanning lighting device in motor vehicles.
  • the object of the invention is to provide a lighting device with which efficiently freely shapable light distributions can be generated.
  • the lighting device is preferably provided for a motor vehicle, such as a car or a truck.
  • the lighting device comprises one or more light sources.
  • these light sources are monochromatic and / or coherent.
  • the light source or light sources comprise one or more laser light sources, whereby larger gradients or higher resolutions can be achieved. Nonetheless, the light source or light sources may also include one or more LEDs.
  • the illumination device further comprises an optical device, which is configured such that a first light distribution in an intermediate image plane is generated from one or more light bundles whose light originates from respective light sources, and that from the first light distribution a second light distribution is generated in front of the lighting device. This second light distribution is the target distribution to be generated by the lighting device.
  • This light distribution is in particular the light distribution in the so-called optical far field, whose distance from the illumination device is substantially greater than corresponding focal lengths of the optical device.
  • the lighting device according to the invention is characterized in that the optical device comprises one or more spatial (i.e., spatially addressable) phase modulators on each of which at least one light beam falls and which are electrically controllable to variably set a phase modulation of the at least one light beam falling thereon.
  • the spatial phase modulator (s) are controlled in such a way that only one phase modulation of the light beam or bundles is carried out and substantially all of the light flux is contained on the respective phase modulator after passing the at least one light beam in the first light distribution.
  • the lighting device according to the invention comprises a control unit with which the activation of the phase modulator (s) described above is achieved.
  • the luminous flux which is present at the phase modulator is retained in the first light distribution after the corresponding light bundle has passed the phase modulator.
  • the term of passing here and below includes both a reflection on the phase modulator and a transmission through the phase modulator.
  • the illumination device has the advantage that, regardless of the shape of the target light distribution, light losses due to the use of spatial phase modulators are avoided.
  • no scanning movement of a light beam is performed to generate the variable light distribution, so that significantly higher light intensities in the target light distribution can be achieved with significantly lower luminances of the light source or light sources.
  • the variable generation of various Light distributions are ensured by the electrical control of the phase modulator or modulators.
  • the optical device incorporated therein comprises exit optics, in particular in the form of one or more lenses, which images the first light distribution into the second light distribution.
  • the illumination device is configured such that each light source is associated with a collimator lens, which generates from the light of the respective light source a collimated light beam of substantially parallel beams.
  • phase modulators for generating the phase-modulated light distribution can be used.
  • LCoS-SLMs Liquid Crystal on Silicon
  • SLM Spatial Light Modulator
  • special LCoS SLMs from Hamamatsu are used. Suitable such LCoS SLMs can be found at http://www.hamamatsu.com/us/en/product/application/1512/1574/1558/4015/index.html. Nonetheless, it is also possible to use phase modulators transmitting spatial phase modulators.
  • the intermediate image plane whose image is imaged in the target light distribution is a real or a virtual intermediate image plane.
  • the illumination device comprises a single spatial phase modulator and a single monochromatic light source, wherein in the real intermediate image plane, a conversion element is arranged which the monochromatic light beam of each light source in a different color spectrum (ie without the wavelength of the monochromatic light beam) and / or converted to white light.
  • a conversion element a conversion element known per se can be used. ment be used.
  • a phosphorus conversion element made of nitride-phosphorus or oxide-nitride-phosphorus or cerium-doped YAG-phosphorus can be used to generate white light.
  • a single spatial phase modulator and a plurality of light sources of different color location are provided, wherein the spatial phase modulator is controlled in operation of the illumination device such that in the intermediate image plane a light distribution with a predetermined color spectrum, in particular a white light distribution, as the first light distribution without Using a conversion element is generated.
  • a light distribution with a predetermined color spectrum is achieved by a suitable superposition of different light sources without a conversion element.
  • three monochromatic light sources with red, green and blue emission wavelengths are used.
  • the light distribution with the predetermined color spectrum preferably contains regions of different color temperature.
  • the lighting device in turn comprises a single spatial phase modulator and a plurality of light sources of different color location, wherein the spatial phase modulator is controlled in the operation of the lighting device such that in the intermediate image plane light with spatially varying color distribution is generated, which in particular in the interior of a motor vehicle is emitted.
  • the lighting device preferably comprises an interior lighting and / or a head-up display and / or one or more display elements in the motor vehicle interior.
  • the light sources of different color loci are cyclically cyclically controlled during operation of the lighting device in such a way that the light sources of different color locations are switched on one after the other in one cycle and remain switched off otherwise. Since the phase modulation of the phase modulator is wavelength-dependent, the phase modulator is always suitably tuned to the wavelength of the currently switched-on light source and can represent color effects by a suitable choice of the differently colored light distributions. In the special case of the motor vehicle headlight These color effects are limited to the prescribed white range for motor vehicle headlights.
  • the illumination device comprises a plurality of light sources of different color loci, wherein each light source of a color locus is assigned a separate spatial phase modulator onto which the bundle of the associated light source falls, and wherein the separate spatial phase modulators are controlled in such a way during operation of the illumination device by all separate spatial phase modulators, a corresponding additive first light distribution with a predetermined color spectrum, in particular a white light distribution, is generated without the use of a conversion element.
  • the lighting device comprises a headlight of a motor vehicle.
  • a headlight is characterized by the fact that it actively illuminates the surroundings of the motor vehicle.
  • the lighting device according to the invention may also include a signal light of a motor vehicle, which is characterized in that it only serves to signal for other road users.
  • the lighting device may include an apron light and / or an interior light.
  • the illumination device is embodied as a headlight of a motor vehicle such that a low beam distribution and / or a high beam distribution in front of the motor vehicle is generated during operation as a target light distribution.
  • the invention relates to a motor vehicle, which comprises one or more of the lighting devices according to the invention.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a first embodiment of a lighting device according to the invention.
  • Fig. 2 is a schematic representation of a second embodiment of a lighting device according to the invention.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of such a headlamp, which is generally designated by reference numeral 1.
  • the headlamp comprises a monochromatic laser light source 2, which generates, for example, red, green or blue light.
  • the laser light source comprises a laser diode for this purpose.
  • monochromatic light is generated, which is converted via a collimator lens 3 in a collimated light beam, which is indicated in Fig. 1 by parallel dashed wavefronts L.
  • a spatial phase modulator 4 is used according to the invention, which is designed as a transmitting phase modulator in the embodiment of FIG.
  • This phase modulator is electrically controllable.
  • the collimated light beam is incident on the phase modulator and by means of a control unit (not shown), only the phase of this light beam is modulated by the phase modulator.
  • Corresponding phase modulators are known to the person skilled in the art. By only the phase is changed by the phase modulator, no light losses due to absorption.
  • a first light distribution LV1 is generated from phase-modulated light in the real intermediate image plane Z.
  • the phase-modulated wavefront is indicated by dashed lines L '.
  • the control of the phase modulator is carried out such that in the light distribution LV1 substantially the entire luminous flux of the laser light beam is contained immediately after passing through the phase modulator. As a result, a high light output is achieved.
  • the light distribution LV1 generated in the intermediate image plane Z is converted by means of exit optics in the form of a lens 5 into a target light distribution LV2 on the road in front of the spotlight.
  • a conversion element which is arranged in the intermediate image plane Z.
  • This conversion element converts the monochromatic laser light into white light.
  • three monochromatic laser light sources can be used, which generate red, green and blue light and are cyclically switched on and off sequentially in time.
  • Wavelength-dependent control of the phase modulator generates monochromatic light distributions in the intermediate image plane from the light bundles of the monochromatic light sources. These monochromatic light distributions are superimposed to form a whitish distribution. In this variant, it is possible to dispense with the use of a conversion element.
  • a plurality of separate phase modulators are used which respectively receive the light beam of an associated monochromatic light source.
  • the phase-modulated light beams generated by the individual phase modulators are then superimposed to form a common white light distribution.
  • Fig. 2 shows a second embodiment of a headlight according to the invention.
  • the same components are denoted by the same reference numerals as in Fig. 1.
  • a transmitting phase modulator a reflecting phase modulator is used.
  • phase modulators are known per se.
  • one of the initially mentioned phase modulators from Hamamatsu is used.
  • a collimated light beam which has been generated via the collimator lens 3 is incident on the reflecting phase modulator 4.
  • the light of the light beam in turn comes from a single monochromatic light source 2.
  • phase modulation wherein the phase-modulated light is indicated by dashed L 'occurs.
  • intermediate image plane Z analogous to FIG. 1, a conversion element is arranged. net that generates white light from the monochromatic light, which is imaged via the imaging lens 5 in the target light distribution LV2 on the road.
  • the luminance of the light source by a factor of 5000 compared to a scanning system can be reduced because no scanning movement is performed
  • the use of an electrically controllable phase modulator allows the light field of a light source to be modified in a freely programmable manner, whereby the phase modulator fulfills the function of a freely programmable free-form lens which can be electrically adjusted to any desired light distribution
  • a largely lossless Phasenmodulat achieved so that the lighting device works very efficiently.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine oder mehrere Lichtquellen (2) sowie eine optischen Einrichtung (4, 5), welche derart ausgestaltet ist, dass aus einem oder mehreren Lichtbündeln, deren Licht von jeweiligen Lichtquellen (2) stammt, eine erste Lichtverteilung (LV1) in einer Zwischenbildebene (Z) erzeugt wird und dass aus der ersten Lichtverteilung (LV1) eine zweite Lichtverteilung (LV2) in der Form einer Ziellichtverteilung vor der Beleuchtungsvorrichtung (1) generiert wird. Die optische Einrichtung (4, 5) umfasst einen oder mehrere räumliche Phasenmodulatoren (4), auf welche jeweils zumindest ein Lichtbündel fällt und welche elektrisch ansteuerbar sind, um eine Phasenmodulation des zumindest einen darauf fallenden Lichtbündels variabel einzustellen, wobei der oder die räumlichen Phasenmodulatoren (4) im Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung derart angesteuert werden, dass ausschließlich eine Phasenmodulation des oder der Lichtbündel durchgeführt wird und im Wesentlichen der gesamte Lichtstrom am jeweiligen Phasenmodulator (4) nach Passieren des zumindest einen darauf fallenden Lichtbündels in der ersten Lichtverteilung (LV1) enthalten ist.

Description

Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, zur Erzeugung von frei formbaren Lichtverteilungen scannende Beleuchtungsvorrichtungen einzusetzen, welche das Lichtbündel einer Lichtquelle mittels eines Scanners in eine gewünschte Lichtverteilung wandeln. Eine scannende Beleuchtungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug ist beispielsweise in dem Dokument DE 10 2012 205 437 A1 beschrieben.
Scannende Beleuchtungsvorrichtungen weisen den Nachteil auf, dass sehr hohe Leuchtdichten benötigt werden, um bei deren Verwendung in Kraftfahrzeugen den Anforderungen einer Scheinwerferbeleuchtung gerecht zu werden. Darüber hinaus ist die Erhöhung der Ortsauflösung des Scanners nur bei Vergrößerung der Leuchtdichte der entsprechenden Lichtquelle möglich. Hohe Leuchtdichten führen bei der Verwendung der scannenden Beleuchtungsvorrichtung in Kraftfahrzeugen zu hohen Anforderungen im Hinblick auf die Augensicherheit.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Beleuchtungsvorrichtung zu schaffen, mit der effizient frei formbare Lichtverteilungen generiert werden können.
Diese Aufgabe wird durch die Beleuchtungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung ist vorzugsweise für ein Kraftfahrzeug, wie z.B. einen PKW oder einen LKW, vorgesehen. Die Beleuchtungsvorrichtung umfasst eine oder mehrere Lichtquellen. Vorzugsweise sind diese Lichtquellen monochromatisch und/oder kohärent. In einer Variante umfassen die Lichtquelle oder Lichtquellen eine oder mehrere Laserlichtquellen, wodurch sich größere Gradienten bzw. höhere Auflösungen erzielen lassen. Nichtsdestotrotz können die Lichtquelle oder Lichtquellen auch eine oder mehrere LEDs umfassen. Die Beleuchtungsvorrichtung umfasst ferner eine optische Einrichtung, welche derart ausgestaltet ist, dass aus einem oder mehreren Lichtbündeln, deren Licht von jeweiligen Lichtquellen stammt, eine erste Lichtverteilung in einer Zwischenbildebene erzeugt wird und dass aus der ersten Lichtverteilung eine zweite Lichtverteilung vor der Beleuchtungsvorrichtung generiert wird. Diese zweite Lichtverteilung ist die Ziellich tverteilung, die durch die Beleuchtungsvorrichtung erzeugt werden soll. Diese Lichtverteilung ist insbesondere die Lichtverteilung im sog. optischen Fernfeld, dessen Abstand von der Beleuchtungsvorrichtung wesentlich größer als entsprechende Brennweiten der optischen Einrichtung ist.
Die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die optische Einrichtung einen oder mehrere räumliche (d.h. räumlich adressierbare) Phasenmodulatoren umfasst, auf welche jeweils zumindest ein Lichtbündel fällt und welche elektrisch ansteuerbar sind, um eine Phasenmodulation des zumindest einen darauf fallenden Lichtbündels variabel einzustellen. Der oder die räumlichen Phasenmodulatoren werden im Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung derart angesteuert, dass ausschließlich eine Phasenmodulation des oder der Lichtbündel durchgeführt wird und im Wesentlichen der gesamte Lichtstrom am jeweiligen Phasenmodulator nach Passieren des zumindest einen darauf fallenden Lichtbündels in der ersten Lichtverteilung enthalten ist. Die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung umfasst in diesem Sinne eine Steuereinheit, mit der die soeben beschriebene Ansteuerung des oder der Phasenmodulatoren erreicht wird. Erfindungsgemäß bleibt in der ersten Lichtverteilung der Lichtstrom erhalten, der am Phasenmodulator vorhanden ist, nachdem das entsprechende Lichtbündel den Phasenmodulator passiert hat. Der Begriff des Passierens umfasst hier und im Folgenden sowohl eine Reflexion am Phasenmodulator als auch eine Transmission durch den Phasenmodulator hindurch.
Die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung weist den Vorteil auf, dass unabhängig von der Form der Ziellichtverteilung Lichtverluste durch die Verwendung von räumlichen Phasenmodulatoren vermieden werden. Dadurch, dass der oder die Phasenmodulatoren ausschließlich eine Phasenmodulation durchführen, kommt es nicht zu einer Absorption von Licht, wie dies bei einer Amplitudenmodulation der Fall ist. Dabei bleibt im Wesentlichen der gesamte Lichtstrom des auf den jeweiligen Phasenmodulator fallenden Lichtbündels erhalten, so dass unerwünschte Lichtverluste vermieden werden. Im Vergleich zu scannenden Beleuchtungssystemen wird zur Generierung der variablen Lichtverteilung keine scannende Bewegung eines Lichtbündels durchgeführt, so dass mit wesentlich geringeren Leuchtdichten der Lichtquelle bzw. Lichtquellen deutlich höhere Lichtintensitäten in der Ziellichtverteilung erreicht werden können. Die variable Generierung verschiedener Lichtverteilungen wird durch die elektrische Ansteuerung des oder der Phasenmodulatoren sichergestellt.
In einer bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung umfasst die darin verbaute optische Einrichtung eine Austrittsoptik, insbesondere in der Form von einer oder mehreren Linsen, welche die erste Lichtverteilung in die zweite Lichtverteilung abbildet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Beleuchtungsvorrichtung derart ausgestaltet, dass jeder Lichtquelle eine Kollimatorlinse zugeordnet ist, welche aus dem Licht der jeweiligen Lichtquelle ein kollimiertes Lichtbündel aus im Wesentlichen parallelen Strahlen erzeugt.
In der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung können an sich bekannte Phasenmodulatoren zur Erzeugung der phasenmodulierten Lichtverteilung eingesetzt werden. In einer Variante werden ein oder mehrere reflektierende Phasenmodulatoren verwendet, vorzugsweise LCoS-SLMs (LCoS = Liquid Crystal on Silicon, SLM = Spatial Light Modulator). Insbesondere kommen spezielle LCoS-SLMs der Fa. Hamamatsu zum Einsatz. Geeignete solcher LCoS-SLMs finden sich unter http://www.hamamatsu.com/us/en/product/ application/1512/1574/1558/4015/index.html. Nichtsdestotrotz besteht auch die Möglichkeit, als räumliche Phasenmodulatoren transmittierende Phasenmodulatoren zu verwenden.
Je nach Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung ist die Zwischenbildebene, deren Bild in die Ziellichtverteilung abgebildet wird, eine reelle oder eine virtuelle Zwischenbildebene.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Beleuchtungsvorrichtung einen einzelnen räumlichen Phasenmodulator und eine einzelne monochromatische Lichtquelle, wobei in der reellen Zwischenbildebene ein Konvertierungselement angeordnet ist, welches das monochromatische Lichtbündel der einzelnen Lichtquelle in ein anderes Farbspektrum (d.h. ohne die Wellenlänge des monochromatischen Lichtbündels) und/oder in Weißlicht konvertiert. In dieser Ausführungsform der Erfindung wird eine geringe Anzahl von Bauteilen benötigt. Als Konvertierungselement kann ein an sich bekanntes Konvertierungsele- ment verwendet werden. Beispielsweise kann bei blauem/violettem Licht mit einer Emissionswellenlänge von 450nm/405nm ein Phosphorkonvertierungselement aus Nitrid- Phosphor oder Oxidnitrid-Phosphor oder Cerium-dotiertem YAG-Phosphor zur Generierung von Weißlicht eingesetzt werden.
In einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung sind ein einzelner räumlicher Phasenmodulator und mehrere Lichtquellen unterschiedlichen Farborts vorgesehen, wobei der räumliche Phasenmodulator im Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung derart angesteuert wird, dass in der Zwischenbildebene eine Lichtverteilung mit einem vorbestimmten Farbspektrum, insbesondere eine Weißlichtverteilung, als erste Lichtverteilung ohne Verwendung eines Konvertierungselements generiert wird. Mit dieser Variante wird durch geeignete Überlagerung von verschiedenen Lichtquellen eine Lichtverteilung mit einem vorbestimmten Farbspektrum auch ohne ein Konvertierungselement erreicht. Vorzugsweise werden drei monochromatische Lichtquellen mit roter, grüner und blauer Emissionswellenlänge eingesetzt. Die Lichtverteilung mit dem vorbestimmten Farbspektrum enthält vorzugsweise Bereiche unterschiedlicher Farbtemperatur.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Beleuchtungsvorrichtung wiederum einen einzelnen räumlichen Phasenmodulator und mehrere Lichtquellen unterschiedlichen Farborts, wobei der räumliche Phasenmodulator im Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung jedoch derart angesteuert wird, dass in der Zwischenbildebene Licht mit räumlich variierender Farbverteilung erzeugt wird, welches insbesondere in den Innenraum eines Kraftfahrzeugs abgestrahlt wird. Vorzugsweise umfasst die Beleuchtungsvorrichtung dabei eine Interieur-Beleuchtung und/oder ein Headup-Display und/oder ein oder mehrere Anzeigeelemente im Kraftfahrzeuginnenraum.
In einer bevorzugten Variante der soeben beschriebenen Ausführungsformen werden die Lichtquellen unterschiedlichen Farborts im Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung zeitlich zyklisch derart angesteuert, dass in einem Zyklus die Lichtquellen unterschiedlichen Farborts aufeinander folgend einzeln angeschaltet werden und ansonsten abgeschaltet bleiben. Da die Phasenmodulation des Phasenmodulators wellenlängenabhängig ist, wird der Phasenmodulator immer geeignet auf die Wellenlänge der gerade eingeschalteten Lichtquelle abgestimmt und kann durch geeignete Wahl der farblich verschiedenen Lichtverteilungen Farbeffekte darstellen. Im speziellen Fall des Kraftfahrzeugscheinwerfers sind diese Farbeffekte auf den vorgeschriebenen Weißbereich für Kraftfahrzeugscheinwerfer einzuschränken.
In einer weiteren Variante umfasst die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung mehrere Lichtquellen unterschiedlichen Farborts, wobei jeder Lichtquelle eines Farborts ein separater räumlicher Phasenmodulator zugeordnet ist, auf den das Bündel der zugehörigen Lichtquelle fällt, und wobei die separaten räumlichen Phasenmodulatoren im Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung derart angesteuert werden, so dass durch alle separaten räumlichen Phasenmodulatoren eine entsprechende additive erste Lichtverteilung mit einem vorbestimmten Farbspektrum, insbesondere eine Weißlichtverteilung, ohne Verwendung eines Konvertierungselements generiert wird.
Je nach Anwendungsfall kann die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung verschiedene Funktionalitäten übernehmen. In einer Ausführungsform umfasst die Beleuchtungsvorrichtung einen Scheinwerfer eines Kraftfahrzeugs. Ein Scheinwerfer zeichnet sich dadurch aus, dass er aktiv die Umgebung des Kraftfahrzeugs ausleuchtet. Gegebenenfalls kann die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung auch eine Signalleuchte eines Kraftfahrzeugs umfassen, welche sich dadurch auszeichnet, dass sie lediglich zur Signalgebung für andere Verkehrsteilnehmer dient. Ferner kann die Beleuchtungsvorrichtung eine Vorfeldleuchte und/oder eine Innenraumleuchte umfassen. In einer bevorzugten Variante ist die Beleuchtungsvorrichtung als Scheinwerfer eines Kraftfahrzeugs derart ausgestaltet, dass im Betrieb als Ziellichtverteilung eine Abblendlichtverteilung und/oder eine Fernlichtverteilung vor dem Kraftfahrzeug generiert wird.
Neben der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, welches eine oder mehrere der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtungen umfasst.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung; und
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung.
Nachfolgend werden Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung anhand eines Scheinwerfers für ein Kraftfahrzeug beschrieben. Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines solchen Scheinwerfers, der allgemein mit Bezugszeichen 1 bezeichnet ist. Der Scheinwerfer umfasst eine monochromatische Laserlichtquelle 2, welche beispielsweise rotes, grünes oder blaues Licht erzeugt. Die Laserlichtquelle umfasst hierzu eine Laserdiode. Mittels der Laserlichtquelle wird monochromatisches Licht erzeugt, das über eine Kollimatorlinse 3 in ein kollimiertes Lichtbündel gewandelt wird, was in Fig. 1 durch parallel verlaufende gestrichelte Wellenfronten L angedeutet ist.
Um mittels des kollimierten Lichtbündels die Lichtverteilung des Scheinwerfers in der Form einer Abblendlichtverteilung oder einer Fernlichtverteilung auf der Straße zu erzeugen, wird erfindungsgemäß ein räumlicher Phasenmodulator 4 verwendet, der in der Ausführungsform der Fig. 1 als transmittierender Phasenmodulator ausgestaltet ist. Dieser Phasenmodulator ist elektrisch ansteuerbar. Auf den Phasenmodulator fällt das kollimierte Lichtbündel und mittels einer (nicht gezeigten) Steuereinheit wird ausschließlich die Phase dieses Lichtbündels durch den Phasenmodulator moduliert. Entsprechende Phasenmodulatoren sind dem Fachmann bekannt. Indem durch den Phasenmodulator nur die Phase verändert wird, entstehen keine Lichtverluste aufgrund von Absorption.
Mittels des Phasenmodulators wird in der reellen Zwischenbildebene Z eine erste Lichtverteilung LV1 aus phasenmoduliertem Licht generiert. Das phasenmodulierte Wellenfront ist durch gestrichelte Linien L' angedeutet. Die Ansteuerung des Phasenmodulators erfolgt dabei derart, dass in der Lichtverteilung LV1 im Wesentlichen der gesamte Lichtstrom des Laserlichtbündels unmittelbar nach Passieren des Phasenmodulators enthalten ist. Hierdurch wird eine hohe Lichtausbeute erreicht. Die in der Zwischenbildebene Z generierte Lichtverteilung LV1 wird mittels einer Austrittsoptik in der Form einer Linse 5 in eine Ziellichtverteilung LV2 auf der Straße vor dem Scheinwerfer gewandelt. Durch geeignete Ansteuerung des Phasenmodulators kann sowohl eine Abblendlichtverteilung als auch eine Fernlichtverteilung erzeugt werden, Ferner können auch unterschiedliche Arten von Abblendlichtverteilung und Fernlichtverteilung erzeugt werden.
Um in der Ausführungsform der Fig. 1 sicherzustellen, dass der Scheinwerfer Weißlicht generiert, wird ein Konvertierungselement eingesetzt, dass in der Zwischenbildebene Z angeordnet ist. Dieses Konvertierungselement wandelt das monochromatische Laserlicht in Weißlicht. Alternativ können in der Ausführungsform der Fig. 1 auch drei monochromatische Laserlichtquellen verwendet werden, welche rotes, grünes und blaues Licht erzeugen und zeitlich zyklisch aufeinander folgend an- und abgeschaltet werden. Durch wellenlängenabhängige Ansteuerung des Phasenmodulators werden aus den Lichtbündeln der monochromatischen Lichtquellen jeweilige einfarbige Lichtverteilungen in der Zwischenbildebene generiert. Diese einfarbigen Lichtverteilungen überlagern sich zu einer Weißlich tverteilung. In dieser Variante kann auf die Verwendung eines Konvertierungselements verzichtet werden.
In einer weiteren abgewandelten Variante der Beleuchtungsvorrichtung aus Fig. 1 werden mehrere separate Phasenmodulatoren verwendet, welche jeweils das Lichtbündel einer zugeordneten monochromatischen Lichtquelle empfangen. Die durch die einzelnen Phasenmodulatoren erzeugten phasenmodulierten Lichtbündel werden dann zu einer gemeinsamen Weißlichtverteilung überlagert.
Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Scheinwerfers. Gleiche Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 bezeichnet. Der Unterschied der Ausführungsform der Fig. 2 zur Ausführungsform der Fig. 1 besteht darin, dass anstatt eines transmittierenden Phasenmodulators ein reflektierender Phasenmodulator eingesetzt wird. Solche Phasenmodulatoren sind an sich bekannt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird einer der eingangs genannten Phasenmodulatoren der Firma Hamamatsu verwendet. Wie in Fig. 2 durch parallele Linien L angedeutet ist, fällt auf den reflektierenden Phasenmodulator 4 ein kollimiertes Lichtbündel, das über die Kollimatorlinse 3 erzeugt wurde. Das Licht des Lichtbündels stammt wiederum von einer einzelnen monochromatischen Lichtquelle 2. Über den Phasenmodulator 4 erfolgt die Phasenmodulation, wobei das phasenmodulierte Licht durch gestrichelte L' angedeutet ist. In der Zwischenbildebene Z ist analog zu Fig. 1 ein Konvertierungselement angeord- net, dass aus dem monochromatischen Licht Weißlicht erzeugt, das über die Abbildungslinse 5 in die Ziellichtverteilung LV2 auf der Straße abgebildet wird.
Die im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Im Vergleich zu einer Beleuchtungsvorrichtung, welche eine Lichtverteilung über einen Scanner generiert, sind wesentlich geringere Leuchtdichten für die Lichtquellen erforderlich. Bei einer scannenden Beleuchtungsvorrichtung vergrößern sich die erforderlichen Leuchtdichten in Abhängigkeit von der zu erzielenden Auflösung und Größe des auszuleuchtenden Feldes um den Faktor Feldgröße/Auflösung. Dies bedeutet bei einer Feldgröße von -10° bis +10 horizontal und -5" bis +5° vertikal und einer Spotgröße (Auflösung) von 0,2 x 0,2 einen Faktor von (20 x 10 )/(0.2 x 0,2°) = 5000. Bei der Verwendung einer Beleuchtungsvorrichtung mit dem oben beschriebenen Phasenmodulator kann bei gleicher Ziellichtverteilung und Bauraum des Scheinwerfers die Leuchtdichte der Lichtquelle um den Faktor 5000 gegenüber einem scannenden System verringert werden, da keine Scanbewegung ausgeführt wird. Dies hat Vorteile in Bezug auf die erreichbaren Auflösungen sowie die Sicherstellung der erforderlichen Augensicherheit. Durch die Verwendung eines elektrisch ansteuerbaren Phasenmodulators kann ferner das Lichtfeld einer Lichtquelle frei programmierbar modifiziert werden. Der Phasenmodulator erfüllt dabei die Funktion einer frei programmierbaren Freiformlinse, welche auf beliebige Lichtverteilungen elektrisch eingestellt werden kann. Darüber hinaus wird eine weitgehend verlustfreie Phasenmodulation erreicht, so dass die Beleuchtungsvorrichtung sehr effizient arbeitet.
Bezugszeichenliste
1 Beleuchtungsvorrichtung
2 Laserlichtquelle
3 Kollimatorlinse
4 räumlicher Phasenmodulator
5 Austrittslinse
L, L' Wellenfronten
Z Zwischenbildebene
LV1 Lichtverteilung in der Zwischenbildebene
LV2 Ziellichtverteilung

Claims

Patentansprüche
Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine oder mehrere Lichtquellen (2) sowie eine optischen Einrichtung (4, 5), welche der art ausgestaltet ist, dass aus einem oder mehreren Lichtbündeln, deren Licht von jeweiligen Lichtquellen (2) stammt, eine erste Lichtverteilung (LV1 ) in einer Zwischenbildebene (Z) erzeugt wird und dass aus der ersten Lichtverteilung (LV1 ) eine zweite Lichtverteilung (LV2) in der Form einer Ziellichtverteilung vor der Beleuchtungsvorrichtung (1 ) generiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung (4, 5) einen oder mehrere räumliche Phasenmodulatoren (4) umfasst, auf welche jeweils zumindest ein Lichtbündel fällt und welche elektrisch ansteuerbar sind, um eine Phasenmodulation des zumindest einen darauf fallenden Lichtbündels variabel einzustellen, wobei der oder die räumlichen Phasenmodulatoren (4) im Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung derart angesteuert werden, dass ausschließlich eine Phasenmodulation des oder der Lichtbündel durchgeführt wird und im Wesentlichen der gesamte Lichtstrom am jeweiligen Phasenmodulator (4) nach Passieren des zumindest einen darauf fallenden Lichtbündels in der ersten Lichtverteilung (LV1 ) enthalten ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle oder Lichtquellen (2) eine oder mehrere LEDs umfassen.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle oder Lichtquellen (2) eine oder mehrere Laserlichtquellen umfassen.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung eine Austrittsoptik (5) umfasst, wel che die erste Lichtverteilung (LV1 ) in die zweite Lichtverteilung (LV2) abbildet.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Lichtquelle (2) eine Kollimatorlinse (3) zugeordnet ist, welche aus dem Licht der jeweiligen Lichtquelle (2) ein kollimiertes Lichtbündel er zeugt.
6. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die räumlichen Phasenmodulatoren (4) einen oder mehrere reflektierende Phasenmodulatoren und insbesondere einen oder mehrere LCoS-SLMs umfassen.
7. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die räumlichen Phasenmodulatoren (4) einen oder mehrere transmittierende Phasenmodulatoren umfassen.
8. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenbildebene (Z) eine reelle Zwischenbildebene ist.
9. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenbildebene (Z) eine virtuelle Zwischenbildebene ist.
10. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsvorrichtung (1 ) einen einzelnen räumlichen Phasenmodulator (4) und eine einzelne monochromatische Lichtquelle (2) um- fasst, wobei in der reellen Zwischenbildebene (Z) ein Konvertierungselement angeordnet ist, welches das monochromatische Lichtbündel der einzelnen Lichtquelle (2) in ein anderes Farbspektrum und/oder in Weißlicht konvertiert.
1 1. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsvorrichtung (1 ) einen einzelnen räumlichen Phasenmodulator (4) und mehrere Lichtquellen (2) unterschiedlichen Farborts um- fasst, wobei der räumliche Phasenmodulator (4) im Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung derart angesteuert wird, dass in der Zwischenbildebene (Z) eine Lichtverteilung mit einem vorbestimmten Farbspektrum, insbesondere eine Weißlichtverteilung, als erste Lichtverteilung (LV1 ) ohne Verwendung eines Konvertierungselements generiert wird.
12. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtverteilung mit dem vorbestimmten Farbspektrum Bereiche unterschiedlicher Farbtemperatur enthält.
13. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsvorrichtung (1 ) einen einzelnen räumlichen Phasenmodulator (4) und mehrere Lichtquellen (2) unterschiedlichen Farborts um- fasst, wobei der räumliche Phasenmodulator (4) im Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung derart angesteuert wird, dass in der Zwischenbildebene (Z) Licht mit räumlich variierender Farbverteilung erzeugt wird, welches insbesondere in den Innenraum eines Kraftfahrzeugs abgestrahlt wird.
14. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (2) unterschiedlichen Farborts im Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung (1 ) zeitlich zyklisch derart angesteuert werden, dass in einem Zyklus die Lichtquellen (2) unterschiedlichen Farborts aufeinander folgend einzeln angeschaltet werden.
15. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsvorrichtung mehrere Lichtquellen (2) unterschiedlichen Farborts umfasst, wobei jeder Lichtquelle (2) eines Farborts ein separater räumlicher Phasenmodulator (4) zugeordnet ist, auf dem das Lichtbündel der zugehörigen Lichtquelle (2) fällt, und wobei die separaten räumlichen Phasenmodulatoren (4) im Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung derart angesteuert werden, dass durch alle separaten räumlichen Phasenmodulatoren (4) eine Lichtverteilung mit einem vorbestimmten Farbspektrum, insbesondere eine Weißlichtverteilung, als erste Lichtverteilung (LV1 ) ohne Verwendung eines Konvertierungselements generiert wird.
16. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsvorrichtung (1 ) eine Signalleuchte und/oder eine Rangierleuchte und/oder eine Vorfeldleuchte und/oder eine Innenraumleuchte und/oder einen Scheinwerfer eines Kraftfahrzeugs umfasst.
17. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsvorrichtung (1 ) einen Scheinwerfer eines Kraftfahrzeugs umfasst und derart ausgestaltet ist, dass im Betrieb als Ziellichtverteilung (LV2) eine Abblendlichtverteilung und/oder eine Fernlichtverteilung vor dem Kraftfahrzeug erzeugt wird.
18. Kraftfahrzeug, umfassend eine oder mehrere Beleuchtungsvorrichtungen (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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