Technisches Gebiet
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Scheinwerfermodul gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
Stand der Technik
[0002] Ein derartiges Scheinwerfermodul ist beispielsweise in der
WO 2010/000610 A1 offenbart. Diese Schrift beschreibt eine Beleuchtungseinheit für Fahrzeugscheinwerfer,
wobei die Beleuchtungseinheit als Lichtquelle Leuchtdiodenchips besitzt, die mit einer
Leuchtstoffbeschichtung (Chip-Layer-Coating) versehen sind, um das von den Leuchtdiodenchips
generierte blaue Licht in weißes Licht zu konvertieren. Diese Beleuchtungseinheit
ist als Bestandteil eines Fahrzeugscheinwerfers ausgebildet und kann somit als Scheinwerfermodul
angesehen werden. Der Begriff Scheinwerfermodul bezeichnet in dieser Patentanmeldung
ein Modul, das zum Einsatz in einem Scheinwerfer vorgesehen oder als Bestandteil eines
Scheinwerfers ausgebildet ist. Dieses Modul kann im Sinn der Erfindung als Baueinheit,
die als Ganzes in einem Scheinwerfer eingesetzt wird, oder als ein System von einzelnen,
zusammenwirkenden Komponenten eines Scheinwerfers ausgebildet sein.
[0003] Das erfindungsgemäße Scheinwerfermodul ist vornehmlich ebenfalls für den Einsatz
in einem Fahrzeugscheinwerfer vorgesehen, wenngleich auch andere Einsatzgebiete möglich
sind.
[0004] Hochwertige Fahrzeugscheinwerfer erzeugen derzeit neben dem gesetzlich vorgeschriebenen
Abblend- und Fernlicht zusätzlich variable Lichtverteilungen wie Kurvenlicht und Abbiegelicht
basierend auf den Vorgaben der ECE-Regelung 123. In naher Zukunft wird auch adaptives
Fernlicht erlaubt sein. Hierbei werden Teile des Fernlichts ausgeblendet, um den vorausfahrenden
Verkehr oder Gegenverkehr nicht zu blenden. Zusätzlich müssen alle gegenwärtigen Scheinwerfersysteme
um eine horizontale Achse, quer zur Fahrtrichtung schwenkbar ausgebildet sein, um
die Reichweiten-Einstellung des Scheinwerfers gewährleisten zu können. In sehr leistungsfähigen
Scheinwerfern muss diese Einstellung sogar automatisch in Abhängigkeit vom Beladungszustand
des Fahrzeugs vorgenommen werden. Insbesondere bei den in jüngerer Zeit eingesetzten
LED-Scheinwerfern bedeutet dies, dass das gesamte System inklusive eines schweren
Kühlsystems geschwenkt werden muss.
[0005] Hierzu werden üblicherweise mechanische Systeme mit Schrittmotoren verwendet, um
das Scheinwerfermodul um eine horizontale Achse zu schwenken. Zur Realisierung eines
dynamischen Kurvenlichts ist es auch bekannt, das Scheinwerfermodul um eine vertikale
Achse zu schwenken.
[0006] Für das adaptive Fernlicht und andere variable Lichtverteilungen werden weiterhin
mechanische Systeme mit klappbaren Blenden oder Walzen eingesetzt, mittels derer das
Licht von Entladungslampen oder auch Halogenlampen gezielt ausgeblendet wird.
[0007] Bekannt sind überdies so genannte Matrixscheinwerfer auf der Basis von Entladungslampen,
welche ein bildgebendes Element enthalten und bei denen jedes Pixel für ein bestimmtes
Raumwinkelelement zuständig ist. Diese Scheinwerfer sind unter der Bezeichnung Pixel-
oder Matrix-AFS (adaptive front lighting system)-Scheinwerfer bekannt. Sie benötigen
einerseits eine hohe Leuchtdichte, um die optischen Komponenten klein zu halten, und
weiterhin einen hohen Lichtstrom, der anschließend - je nach gewünschter Lichtverteilung
- zu einem großen Teil wieder ausgeblendet wird, so dass nur ein kleiner Teil des
hohen Lichtstroms tatsächlich genutzt wird.
[0008] Die Vorteile eines solchen intensitätsmodulierten Matrixscheinwerfers sind seine
hohe Auflösung und damit die Möglichkeit, ohne Stellmotoren und bewegliche Komponenten
auszukommen, während der Nachteil einerseits in den hohen Realisierungskosten, andererseits
in der geringen Effizienz aufgrund der Bauart bedingten Lichtvernichtung liegt.
[0009] Multi-LED-Scheinwerfer schalten Licht nur dort, wo es benötigt wird, und können daher
prinzipbedingt effizienter sein. Aufgrund der begrenzten Anzahl von LEDs, die mit
erträglichen Kosten geschaltet werden können, bieten sie jedoch nicht genügend Auflösung,
um den Scheinwerferstrahl fein genug zu justieren. Sie benötigen daher immer noch
Stellmotoren und bewegliche Teile.
[0010] Zusammenfassend ist daher festzustellen, dass alle derzeit bekannten Systeme einen
Kompromiss aus Effizienz, Kosten und Einsatz von mechanischen Systemen und damit zwangsläufig
Zuverlässigkeit darstellen.
Darstellung der Erfindung
[0011] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Scheinwerfermodul
bereitzustellen, das eine dynamische Lichtverteilung für unterschiedliche Fahrsituationen
bei möglichst niedrigen Kosten, hoher Zuverlässigkeit und möglichst hoher Effizienz
ermöglicht, ohne mit der Notwendigkeit des Schwenkens des Scheinwerfermoduls einher
zu gehen.
[0012] Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Scheinwerfermodul mit den Merkmalen von Patentanspruch
1.
[0013] Das erfindungsgemäße Scheinwerfermodul besitzt mindestens einen Leuchtstoff oder
ein Leuchtstoffgemisch, der bzw. das mittels elektromagnetischer Strahlung zur Lichtemission
anregbar ist und mindestens eine Strahlungsquelle zur Anregung des mindestens einen
Leuchtstoffs bzw. Leuchtstoffgemisches. Das Scheinwerfermodul weist zusätzlich mindestens
eine Strahllenkungsvorrichtung auf, wobei die mindestens eine Strahllenkungsvorrichtung
derart angeordnet oder ausgebildet ist, dass sie von der mindestens einen Strahlungsquelle
abgegebene elektromagnetische Strahlung auf den mindestens einen Leuchtstoff bzw.
auf das Leuchtstoffgemisch lenkt. Die mindestens eine Strahllenkungsvorrichtung eröffnet
die Möglichkeit, den Leuchtstoff bzw. das Leuchtstoffgemisch nur an den Positionen
anzuregen, die einer aktuell einzustellenden dynamischen Lichtverteilung im Sichtfeld
des Fahrers, beispielsweise auf der Fahrbahn, entsprechen. Dabei wird, ähnlich wie
bei einem Abtastverfahren eines Scanners, die von der Strahlungsquelle emittierte
elektromagnetische Strahlung mittels der Strahllenkungsvorrichtung über die gesamte
oder nur über einen Teil der mit Leuchtstoff versehenen Oberfläche der Trägervorrichtung
geführt. Es werden somit nur die Bereiche des Leuchtstoffs bzw. Leuchtstoffgemisches
zur Lichtemission angeregt, über welche die elektromagnetische Strahlung geführt wurde.
Die Strahlführung erfolgt dabei ausreichend schnell, so dass das menschliche Auge
ihr nicht folgen kann. Auf diese Weise wird auf der mit Leuchtstoff versehenen Oberfläche
der Trägervorrichtung eine Lichtverteilung erzeugt, die mittels einer Projektionsoptik
beispielsweise auf die auszuleuchtende Fahrbahn projiziert wird.
[0014] Bei der mindestens einen Strahlungsquelle handelt es sich vorzugsweise um einen Laser,
beispielsweise um eine Laserdiode oder eine Anordnung mehrerer Laserdioden oder eine
oder mehrere Leuchtdioden, insbesondere Super-Lumineszenzdioden. Mittels dieser Strahlungsquellen
kann auf hoch effiziente Weise elektromagnetische Strahlung aus dem Spektralbereich
des sichtbaren Lichts und des Ultravioletten sowie Infraroten Bereichs erzeugt und
zur Anregung des Leuchtstoffes bzw. Leuchtstoffgemisches erzeugt werden. Vorzugsweise
wird als Strahlungsquelle eine Ultraviolette Strahlung oder blaues Licht emittierende
Leuchtdiodenanordnung und besonders bevorzugt Laserdiodenanordnung verwendet, und
mittels des Leuchtstoffs bzw. des Leuchtstoffgemisches daraus weißes Licht generiert,
um beispielsweise einen weißes Licht emittierenden Fahrzeugscheinwerfer zu ermöglichen.
[0015] Auf der Basis der vorliegenden Erfindung lassen sich eine Vielzahl von Vorteilen
erzielen:
Dadurch, dass die Strahlung in der Anregungsstrahlungsquelle moduliert werden kann,
wird über das oben angedeutete Abtastverfahren der Leuchtstoff nur dort angeregt,
wo es benötigt wird. Dies resultiert in einer hohen Effizienz. Eine Effizienzverschlechterung,
wie aus dem Stand der Technik bekannt, durch eine nachgeschaltete Modulation und Ausblendung
von Strahlung ist nicht nötig. Dies trägt zur Reduktion des Benzinverbrauchs und der
CO2-Emission des Fahrzeugs bei.
[0016] Durch die vorliegende Erfindung lässt sich eine hohe Auflösung erzielen. Durch die
Strahllenkungsvorrichtung, die beispielsweise als Mikrospiegelvorrichtung (MEMS, MOEMS,
DMD) realisiert sein kann, lässt sich eine Auflösung im Bereich von 1000 x 1000 Pixel
erzeugen und damit die gesetzlich verlangte Einstellung der Lichtverteilung ohne Schrittmotoren
realisieren. Weiterhin kann über eine dynamische Veränderung der Lichtverteilung Kurvenlicht,
adaptives Fernlicht und andere variable Lichtverteilungen gemäß ECE-Regelung 123 erzeugt
werden, ohne das komplette Scheinwerfermodul mechanisch zu bewegen. Die Bewegung der
Mikrospiegel ist aufgrund ihrer geringen Masse problemlos zu realisieren.
[0017] Mittels der vorliegenden Erfindung lässt sich ein beliebiges Aspektverhältnis einstellen.
Die von der Strahllenkungsvorrichtung überstrichene Fläche des Leuchtstoffs und der
Leuchtstoff selbst können bei geringen Kosten in einem beliebigen Längen-Breiten-Verhältnis
(am Stück oder gestückelt) erzeugt werden. Damit kann den besonderen Eigenschaften
einer Strahlverteilung eines Scheinwerfers Rechnung getragen werden.
[0018] Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in ihrer hohen Flexibilität.
Die gewünschte Lichtverteilung kann durch Software in beliebiger Form programmiert
werden. Damit können mit demselben Scheinwerfermodul hochfunktionale Scheinwerfer,
aber auch einfache Lichtverteilungen erzeugt werden. Verwendet man als Anregungsstrahlungsquelle
einen Laser, so kann durch Einsatz einer kleineren Laserklasse, das heißt mit geringerer
Leistungsaufnahme, eine Lichtquelle für ein genügsames Elektroauto erzeugt werden,
während mit höheren Laserleistungen oder mehreren Austrittsflächen, realisiert durch
Linsen und Reflektoren, sehr aufwändige und designgetriebene Scheinwerfer möglich
sind.
[0019] In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Scheinwerfermodul weiterhin mindestens
eine zumindest teilweise transparente optische Vorrichtung, die im Strahlengang der
von dem mindestens einen Leuchtstoff bzw. Leuchtstoffgemisch abgegebenen Strahlung
angeordnet ist. Dabei kann es sich bevorzugt um eine asphärische Linse und/oder eine
Freiformlinse handeln. Hierdurch lässt sich eine Vergrößerung oder eine Projektion
des Zwischenbilds auf dem Leuchtstoff ins Unendliche - für Automobilscheinwerfer ist
dies typischerweise ab einer Entfernung größer 25 m der Fall - realisieren. Durch
Freiformlinsen kann eine gewollte Verzerrung erzielt werden, beispielsweise um eine
Streckung der Lichtverteilung in periphere Bereiche zu erzeugen. Dadurch lässt sich
die Leuchtstoff-Fläche klein halten und dennoch eine Ausdehnung der Lichtverteilung
auf größere Bereiche erzielen.
[0020] Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine Trägervorrichtung transparent
ausgebildet und auf einer optischen Filtervorrichtung aufgebracht, die ausgelegt ist,
von dem mindestens einen Leuchtstoff abgegebene Strahlung zumindest teilweise zu reflektieren.
Bevorzugt ist dabei die mindestens eine Strahllenkungsvorrichtung derart angeordnet,
dass von der mindestens einen Anregungsstrahlungsquelle abgegebene Strahlung, bevor
sie auf den Leuchtstoff auftrifft, die optische Filtervorrichtung und die Trägervorrichtung
durchläuft. Durch diese Ausführungsform trifft von der Anregungsstrahlungsquelle abgegebene
Strahlung den Leuchtstoff in einem kleinen Winkel, wodurch nur äußerst geringe Verzerrungen
entstehen. Die Maßnahmen für Verzerrungskorrekturen fallen daher sehr gering aus.
Der Raum zwischen dem Leuchtstoff und der gegebenenfalls vorgesehenen, zumindest teilweise
transparenten optischen Vorrichtung kann frei von weiteren Elementen gehalten werden.
[0021] Bei einer alternativen Realisierung ist mindestens eine Trägervorrichtung reflektierend
für von dem mindestens einen Leuchtstoff abgegebene Strahlung und/oder für von der
mindestens einen Anregungsstrahlungsquelle abgegebene Strahlung ausgebildet. Dabei
ist die mindestens eine Strahllenkungsvorrichtung bevorzugt derart angeordnet, dass
von der mindestens einen Anregungsstrahlungsquelle abgegebene Strahlung auf der von
der Trägervorrichtung des Leuchtstoffs abgewandten Seite des Leuchtstoffs auftrifft.
Eine derartige Variante resultiert in einer besonders geringen Bautiefe. Sie lässt
sich überdies äußerst kostengünstig realisieren, da keine transparente Trägervorrichtung
und keine optische Filtervorrichtung gebraucht wird.
[0022] Bevorzugt ist die mindestens eine Trägervorrichtung an einer Kühlvorrichtung thermisch
angebunden, wobei die Kühlvorrichtung einen Kühlkörper darstellt. Alternativ kann
der Kühlkörper die mindestens eine Trägervorrichtung darstellen. Wird der Kühlkörper
reflektierend ausgebildet, beispielsweise durch eine Beschichtung mit Aluminium, Aluminium-
oder Titan-Oxid, so kann der Leuchtstoff besonders kostengünstig unmittelbar auf den
Kühlkörper aufgebracht sein.
[0023] Die mit dem mindestens einen Leuchtstoff bzw. Leuchtgemisch versehene Oberfläche
der Trägervorrichtung kann zumindest bereichsweise planar oder gekrümmt ausgebildet
sein. Durch diese Maßnahmen kann eine höhere Bildschärfe erzielt werden, da durch
eine gegebenenfalls vorzusehende Krümmung der Oberfläche des mindestens einen Leuchtstoffs
erreicht werden kann, dass nahezu alle Bereiche des Leuchtstoffs im Brennpunkt der
gegebenenfalls vorzusehenden zumindest teilweise transparenten optischen Vorrichtung
liegen. Dies kann durch entsprechende Ausbildung der Oberfläche des Leuchtstoffs oder
durch die Ausbildung der Trägervorrichtung erzielt werden.
[0024] Das Scheinwerfermodul umfasst bevorzugt mindestens eine Strahlteilervorrichtung,
die zwischen der mindestens einen Anregungsstrahlungsquelle und der mindestens einen
Strahllenkungsvorrichtung angeordnet ist. Dies eröffnet die Möglichkeit, mehrere Leuchtstoffbereiche,
die örtlich voneinander getrennt angeordnet sein können, durch jeweils eine Strahllenkungsvorrichtung
optimiert anzustrahlen. Dabei kann für jeden der Leuchtstoffbereiche eine eigene optische
Vorrichtung vorgesehen sein, so dass das Licht, das das Scheinwerfermodul verlässt,
aus dem Licht mehrerer sich überlagernder Einzellichtverteilungen zusammengesetzt
ist.
[0025] In einer weiteren Ausführungsform sind mehrere Leuchtstoffbereiche mit unterschiedlichen
Leuchtstoffen vorhanden, wobei die Leuchtstoffe so gewählt sind, dass sie unterschiedliche
Sekundärfarben erzeugen. Bevorzugt sind letztere so gewählt, dass sie bei einer anschließenden
Überlagerung weiß ergeben. Eine solche Kombination von Leuchtstoffen kann bevorzugt
auf Rot-Grün-Blau (RGB)-Farbkoordinaten beruhen; es sind jedoch auch andere, dem Fachmann
einschlägig bekannte Farbsysteme möglich.
[0026] Die mindestens eine Strahllenkungsvorrichtung kann eine Mikrospiegelvorrichtung umfassen.
Bevorzugt umfasst Mikrospiegelvorrichtung mindestens einen um zwei Achsen schwenkbaren
Mikrospiegel.
[0027] Das Scheinwerfermodul umfasst bevorzugt weiterhin eine Steuervorrichtung für die
mindestens eine Anregungsstrahlungsquelle oder bzw. und für die mindestens eine Strahllenkungsvorrichtung.
[0028] Die Steuervorrichtung ist vorzugsweise ausgelegt, mindestens einen Mikrospiegel der
Mikrospiegelanordnung derart anzusteuern, dass dieser vorgebbare räumliche Positionen
und Ausrichtungen einnimmt, wobei die Steuervorrichtung weiterhin ausgelegt ist, die
Strahlungsquelle in Abhängigkeit der Position oder Ausrichtung des mindestens einen
Mikrospiegels einzuschalten oder auszuschalten. Insbesondere kann die Steuervorrichtung
derart ausgebildet sein, dass die von der Strahlungsquelle emittierte elektromagnetische
Strahlung mittels des mindestens einen Mikrospiegels zeilenweise oder spaltenweise
über die mit Leuchtstoff versehene Oberfläche der Trägervorrichtung geführt wird.
[0029] Dabei kann die von der Strahlungsquelle emittierte elektromagnetische Strahlung mittels
des mindestens einen Mikrospiegels über die gesamte mit Leuchtstoff versehene Oberfläche
der Trägervorrichtung geführt und die Strahlungsquelle beim Erreichen bestimmter Positionen
oder Stellungen des Mikrospiegels ausgeschaltet oder eingeschaltet werden, um nur
einen Ausschnitt des mit Leuchtstoff versehenen Bereichs anzuregen und so eine gewünschte
Lichtverteilung zu erzeugen.
[0030] Alternativ kann die von der Strahlungsquelle emittierte elektromagnetische Strahlung
mittels des mindestens einen Mikrospiegels auch nur über Teil der mit Leuchtstoff
versehenen Oberfläche der Trägervorrichtung geführt werden, wobei die Strahlungsquelle
in diesem Fall ständig eingeschaltet bleibt, um ebenfalls nur einen Ausschnitt des
mit Leuchtstoff versehenen Bereichs anzuregen und eine gewünschte Lichtverteilung
zu erzeugen.
[0031] Im ersten Fall wird die Modulationsfähigkeit der Anregungsstrahlungsquelle ausgenutzt,
wodurch sich eine hohe Effizienz erzielen lässt, da Licht nicht unnötig vernichtet
bzw. ausgeblendet werden muss. Im zweiten Fall steht Strahlung der Anregungsstrahlungsquelle
länger für den Raumwinkel zur Verfügung, in dem eine Lichtabstrahlung gewünscht wird.
Dadurch kann die Anregungsstrahlungsquelle schwächer dimensioniert werden, was sich
ebenfalls in einer Erhöhung der Effizienz sowie in einer Reduktion der Realisierungskosten
widerspiegelt. Darüber hinaus wird dadurch eine homogenere Nutzung der Anregungsstrahlungsquelle
erzielt.
[0032] Die optische Vorrichtung kann mindestens eine Reflexionsvorrichtung umfassen, die
derart angeordnet ist, dass zumindest von dem mindestens einen Leuchtstoff abgegebene
Strahlung auf die mindestens eine Reflexionsvorrichtung auftrifft. Hierdurch lässt
sich eine bewusste Verzerrung zur Erzielung einer gewünschten Lichtverteilung auf
einfache Weise realisieren. Überdies können Vergrößerungseffekte erzielt werden. Reflexionsvorrichtungen
bieten den Vorteil, dass die Orientierung des Leuchtstoffs in Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs
oben, unten oder seitlich erfolgen kann, was einen größeren Freiheitsgrad bei der
Realisierung eines erfindungsgemäßen Scheinwerfermoduls ermöglicht. Überdies können
unterschiedliche Längen-Breiten-Verhältnisse der Austrittsfläche realisiert werden,
wodurch das Design eines Scheinwerfers mit einem erfindungsgemäßen Scheinwerfermodul
auf einfache Weise an Vorgaben von Endkunden angepasst werden können.
[0033] Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0034] Im Nachfolgenden werden nunmehr Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
- Fig. 1
- in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Scheinwerfermoduls;
- Fig. 2
- in schematischer Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Scheinwerfermoduls;
- Fig. 3
- in schematischer Darstellung ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Scheinwerfermoduls;
- Fig. 4
- eine detailliertere Darstellung eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung
mit einem gekrümmten Leuchtstoffträger und einer optischen Vorrichtung;
- Fig. 5
- eine detailliertere Darstellung eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung
mit einem planen Leuchtstoffträger und einer Reflexionsvorrichtung; und
- Fig. 6
- eine CIE-Normfarbtafel zur Bestimmung der in einem erfindungsgemäßen Scheinwerfermodul
einzusetzenden Anregungsstrahlungsquellen und Leuchtstoffe.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
[0035] In den unterschiedlichen Figuren werden für gleiche und gleich wirkende Bauteile
dieselben Bezugszeichen verwendet. Diese werden deshalb nur einmal eingeführt.
[0036] Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Scheinwerfermoduls 10. Dieses umfasst mindestens eine Strahlungsquelle 12, die bevorzugt
als blaues Licht emittierender Laser, insbesondere als blaues Licht emittierende Laserdiode,
ausgebildet ist. Strahlung der Anregungsstrahlungsquelle 12 trifft auf eine Strahllenkungsvorrichtung
14, die bevorzugt als Mikrospiegelvorrichtung ausgebildet ist. Die von der Strahllenkungsvorrichtung
14 abgegebene Strahlung durchläuft zunächst eine optische Filtervorrichtung 16, anschließend
eine Trägervorrichtung 18 für den mindestens einen Leuchtstoff sowie schließlich den
mindestens einen Leuchtstoff 20. Die Trägervorrichtung 18 besteht vorzugsweise aus
hoch wärmeleitfähigem Material. Die optische Filtervorrichtung 16 ist derart ausgebildet,
dass sie Strahlung der Strahlungsquelle 12 passieren lässt, während sie vom Leuchtstoff
20 abgegebene Strahlung reflektiert. Die Strahllenkungsvorrichtung 14 ist ausgebildet,
die von der Strahlungsquelle 12 abgegebene Strahlung derart abzulenken, dass zeitlich
nacheinander unterschiedliche Bereiche des Leuchtstoffs 20 angeregt werden. Die Trägervorrichtung
18 besteht bevorzugt aus Keramik, beispielsweise aus polykristalliner Aluminiumoxidkeramik
(PCA) oder aus Saphir.
[0037] Der Leuchtstoff 20 kann sich aus mehreren unterschiedlichen Leuchtstoffkomponenten
zusammensetzen, welche die elektromagnetische Strahlung der Strahlungsquelle 12 in
Licht unterschiedlicher Wellenlänge oder Farbe konvertieren. Ferner kann es sich bei
dem Leuchtstoff 20 auch um ein Leuchtstoffgemisch handeln. Da im Leuchtstoff 20 ca.
20 % der Energie durch den Stokes-Shift verloren geht und in Wärme umgewandelt wird,
wird der Leuchtstoff 20 mittels einer Kühlvorrichtung 22 gekühlt. Diese kann beispielsweise
ein Gebläse sein. Eine optische Vorrichtung 24, beispielsweise eine Projektionslinse
mit einer Brennweite von 20 mm bis 100 mm, ermöglicht die Leuchtdichteverteilung verzerrungsfrei
ins Fernfeld abzubilden.
[0038] Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Scheinwerfermoduls
zeichnet sich dadurch aus, dass die Strahlung der Strahlungsquelle 12 den Leuchtstoff
20 unter einem kleinen Einfallswinkel trifft, wodurch die Spotgröße, das heißt der
Strahldurchmesser des auf den Leuchtstoff 20 auftreffenden Strahls, klein gehalten
und eine optimale Anregung des Leuchtstoffs gewährleistet wird. Typische Spotgrößen
sind 0,1 mm bis 0,2 mm, um die notwendige Auflösung für die Erzeugung unterschiedlicher
Lichtverteilungen zu gewährleisten. Der Leuchtstoff 20 und die Strahlungsquelle 12
sind so aufeinander abgestimmt, dass das von dem Scheinwerfermodul 10 abgegebene Licht
weiß mit einer Farbtemperatur im Bereich von 3000-6500 Kelvin ist.
[0039] Die in Fig. 2 schematisch dargestellte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Scheinwerfermoduls
10 zeichnet sich durch eine deutlich geringere Bautiefe aus als die in Fig. 1 dargestellte
Ausführungsform. Dabei ist die Kombination aus Strahlungsquelle 12 und Strahllenkungsvorrichtung
14 so angebracht, dass sie auf einer von der Trägervorrichtung 18 abgewandten Seite
des Leuchtstoffs 20 auftrifft. Die Trägervorrichtung 18 ist ausgebildet, von dem mindestens
einen Leuchtstoff 20 abgegebene Strahlung oder bzw. und von der mindestens einen Anregungsstrahlungsquelle
12 abgegebene Strahlung zu reflektieren. Die Trägervorrichtung 18 kann auch selbst
als Kühlkörper ausgebildet sein. Dadurch zeichnet sich die in Fig. 2 dargestellte
Ausführungsform durch äußerst geringe Herstellungskosten aus. Eingezeichnet ist überdies
die Hell-Dunkel-Grenze HDG. (auch in Fig. 1)
[0040] Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Scheinwerfermoduls
10 sind beispielhaft drei voneinander getrennte Leuchtstoffe 20a, 20b, 20c vorgesehen,
wobei jedem Leuchtstoff eine optische Vorrichtung 24a, 24b, 24c zugeordnet ist und
das von den optischen Vorrichtungen 24a, 24b, 24c abgegebene Licht zu einem Gesamtbild
26 überlagert wird. Beispielhaft ist eingezeichnet, dass der Strahlungsquelle 12 eine
optische Vorrichtung 28, beispielsweise eine Linse, nachgeschaltet werden kann. Die
die Linse 28 verlassende Strahlung wird mittels zweier Strahlteilervorrichtungen 30a,
30b drei Strahllenkungsvorrichtungen 14a, 14b und 14c zugeführt.
[0041] In Figur 3 ist der Einfachheit halber dargestellt, dass die Leuchtstoffe 20a, 20b,
20c nur von der Strahllenkungsvorrichtung bzw. dem Mikrospiegel 14a bedient werden.
Es ist aber auch möglich, dass die Leuchtstoffe 20a, 20b, 20c von jeweils einer Strahllenkungsvorrichtung
bzw. einem Mikrospiegel 14a, 14b, 14c bedient werden.
[0042] Wie deutlich zu sehen, ist die mit dem Leuchtstoff 20b versehene Oberfläche gekrümmt
ausgebildet, während die Leuchtstoffe 20a, 20c auf planaren Oberflächen angeordnet
sind. Eine Kühlvorrichtung 32 dient der Kühlung der Strahlungsquelle 12. Weiterhin
ist eine Steuervorrichtung 34 eingezeichnet, die der Steuerung der mindestens einen
Strahlungsquelle 12 sowie der Strahllenkungsvorrichtungen 14a bis 14c dient. Die Strahllenkungsvorrichtungen
14a bis 14c können insbesondere als um zwei Achsen schwenkbare Mikrospiegel ausgebildet
sein. Die Steuervorrichtung 34 ermöglicht eine Ansteuerung der Strahllenkungsvorrichtungen
14a bis 14c und der Strahlungsquelle 12 in einem festen Raster, um beispielsweise
eine Lichtverteilung des Scheinwerfers in Raumwinkelbereichen von horizontal plus/minus
50° und vertikal minus 15°/plus 10° zu erreichen. Sie ermöglicht überdies, die Strahlungsquelle
12 beim Überstreichen der Winkelbereiche, in denen aktuell kein Licht benötigt wird,
kurzfristig auszuschalten.
[0043] Eine derartige Ansteuerung ist einfach zu realisieren, weil die Horizontal/Vertikal-Ablenkeinheit
einer derartigen Steuervorrichtung 34, die zur horizontalen und vertikalen Ablenkung
des Mikrospiegels dient, um dadurch den von der Strahlungsquelle 12 stammenden Lichtstrahl
zeilenweise oder spaltenweise über den Leuchtstoff 20 zu führen, immer mit den gleichen
Frequenzen arbeitet und die Resonanzfrequenz der Strahllenkungsvorrichtung 14 auf
einfache Weise eingestellt werden kann. Da die typische Lichtverteilung aber immer
nur einen kleineren Raumwinkel ausfüllt, wird mit einer derartigen Anordnung "duty
cycle" verschenkt. Das heißt, die Strahlungsquelle 12 ist an vielen Stellungen des
Mikrospiegels bzw. der Strahllenkungsvorrichtung 14 ausgeschaltet und der Leuchtstoff
20 muss während der Einschaltdauer der Strahlungsquelle 12 hoch belastet werden, um
die notwendige Lichtmenge zu generieren.
[0044] Eine verbesserte Ansteuerung passt daher die Winkelbereiche für die horizontale und
vertikale Ablenkung des Mikrospiegels bzw. der Strahllenkungsvorrichtung 14 an die
aktuell gewünschte Lichtverteilung an. Beispielsweise benötigt man bei Abblendlicht
lediglich wenige Zeilen oberhalb der Hell-Dunkel-Grenze HDG für die Asymmetrie des
Bündels. Hier genügt also ein entsprechend kleinerer Winkelbereich für die zeilenweise
Führung des Mikrospiegels bzw. der Strahllenkungsvorrichtung. Dadurch kann die Strahlungsquelle
12 in einem Abtastzyklus länger im Abblendlicht-Raumwinkel verbleiben. Bei Kurvenlicht
werden weniger Spalten benötigt, das heißt die Strahlungsquelle 12 steht länger für
die Kernlichtverteilung zur Verfügung. Hier genügt also ein entsprechend kleinerer
Winkelbereich für die spaltenweise Führung des Mikrospiegels bzw. der Strahllenkungsvorrichtung
14.
[0045] Für die zuletzt genannte Ausführungsform der Ansteuerung muss die Strahllenkungsvorrichtung
14a, 14b, 14c mit unterschiedlichen Frequenzen für Zeilen und Spalten betrieben werden
und benötigt daher eine dynamische Abstimmung des Resonanzkreises. Daraus resultiert
zwar ein erhöhter technischer Aufwand, der jedoch zeitlich eine homogenere Nutzung
der Anregungsstrahlungsquelle 12 zur Folge hat.
[0046] Fig. 4 zeigt in größeren Detail eine Kombination aus Leuchtstoff 20 und optischer
Vorrichtung 24 eines erfindungsgemäßen Scheinwerfermoduls 10. Dabei ist beispielhaft
die Leuchtstoffoberfläche planar ausgebildet. Dies kann erzielt werden durch entsprechende
Ausbildung der Leuchtstoffoberfläche selbst oder durch entsprechende Ausbildung der
Trägervorrichtung 18. Die optische Vorrichtung 24 kann eine asphärische Linse sein,
um eine Vergrößerung zu erzielen und dadurch das Zwischenbild auf dem Leuchtstoff
20 ins Unendliche zu projizieren. Dies ist bei Automobilscheinwerfern ab einer Entfernung
größer 25 m der Fall. Die Fokalebene derartiger asphärischer Linsen, also die Ebene,
aus der scharf abgebildet wird, ist nicht plan, sondern typischerweise eine gekrümmte
Fläche. Daher ist es besonders bevorzugt, die Oberfläche des Leuchtstoffs 20, beziehungsweise
die Trägervorrichtung 18 für den Leuchtstoff 20, bevorzugt als Sphäre oder verallgemeinert
als Kegelschnitt auszubilden.
[0047] Die optische Vorrichtung 24 kann auch eine Freiformlinse darstellen, um die Abbildung
gewollt zu verzerren. Hierdurch lässt sich beispielsweise eine Streckung der Lichtverteilung
in periphere Bereiche erzeugen, um damit die eigentliche Leuchtstoff-Matrix, das heißt
die von der Steuervorrichtung 34 einzustellenden Zeilen und Spalten auf dem Leuchtstoff
20, klein zu halten, aber dennoch eine Ausdehnung der Lichtverteilung auf größere
Bereiche zu ermöglichen.
[0048] Fig. 5 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel, bei dem die optische
Vorrichtung 24 als Reflexionsvorrichtung ausgebildet ist. Die Reflexionsvorrichtung
kann parabolisch ausgeformt sein und erfüllt dann einen ähnlichen Zweck wie eine asphärische
Linse, das heißt von einem Punkt ausgehende Strahlen werden ins Unendliche abgebildet,
also parallel gemacht. Da der Leuchtstoff 20 nur in einen Halbraum abstrahlt, wird
maximal eine Viertel-Reflektor-Schale benötigt.
[0049] Freiformreflektoren können wiederum die Lichtverteilung bewusst verzerren, das heißt
man kann in den verschiedenen Bereichen der Reflexionsvorrichtung mit unterschiedlichen
Vergrößerungs- und Verzerrungsfaktoren arbeiten.
[0050] Reflexionsvorrichtungen haben zusätzlich den Vorteil, dass der Leuchtstoff 20 in
Fahrtrichtung oben, unten oder seitlich angebracht sein kann, wodurch sich ein größerer
Freiheitsgrad bei der Auslegung eines mit einem erfindungsgemäßen Scheinwerfermodul
10 bestückten Systems erreichen lässt. Gleichzeitig können unterschiedliche Längen-Breiten-Verhältnisse
der Austrittsfläche realisiert werden, wodurch sich eine große Wahlfreiheit für das
Design eines mit einem erfindungsgemäßen Scheinwerfermodul 10 ausgestatteten Scheinwerfers
erzielen lässt.
[0051] Fig. 6 zeigt eine CIE-Normfarbtafel, in der Kombinationen aus Anregungsstrahlungsquellen
12 und Leuchtstoffen 20, wie sie für ein erfindungsgemäßes Scheinwerfermodul eingesetzt
werden können, beispielhaft dargestellt sind. Dabei stellt der Kurvenzug 36 den Spektralfarbenzug
dar. Kurvenzug 38 umschließt ein Feld, das nach den ECE-Regelungen als Weiß gilt.
Eingezeichnet ist überdies der Weißpunkt 40. Der Kurvenzug 42 gibt die Planckkurve
wieder.
[0052] Eine Anwendung eines erfindungsgemäßen Scheinwerfermoduls 10 in einem Fahrzeugscheinwerfer
verlangt weißes Licht, wobei "weiß" durch die ECE-Regelungen und die CIE-Norm festgelegt
ist. Vorzugsweise wird der Farbort in die Nähe des Weißpunktes 40 (ca. 5500 K oder
sogar bis 6500 K) gelegt, um tagesähnliche Lichtfarben zu erzeugen. Abhängig von der
Pumpwellenlänge des als Strahlungsquelle 12 verwendeten Lasers, die zwischen 400 und
480 nm liegen kann, muss der Leuchtstoff 20 daher seinen Schwerpunkt zwischen 570
und 590 nm haben. Dabei erzeugt 590 nm eher warmweißes Licht und 570 nm mit einer
Pumpwellenlänge um die 410 nm kaltweißes Licht. Einige Kombinationen sind als Beispiele
in Fig. 6 eingezeichnet. Die Verbindungsgerade geht durch das Weißfeld 38 und der
Farbort kann dort eingestellt werden.
[0053] Die effizienteste Lösung ist ein Leuchtstoff mit 570 nm, da dieser am Maximum von
V (A) liegt und mit einer Pumpwellenlänge des Lasers von 405 nm erreicht werden kann.
[0054] Zum Einsatz kommen Leuchtstoffe 20 wie sie heute bereits für Leuchtdioden zum Erzeugen
von weißem Licht verwendet werden. Beispielsweise handelt es sich bei dem Leuchtstoff
20 um Yttriumaluminiumgranat dotiert mit Zer (YAG:Ce) oder verwandte Granate mit Dotierungen
in unterschiedlichen Konzentrationen. Verschiedene Ausführungsformen derartiger Leuchtstoffe
20 können der
EP 1 471 775 entnommen werden. Weitere typische Leuchtstoffe sind Calsine, Leuchtstoffe vom Typ
SCAP, Nitridosilikate und Chlorosilikate, Oxinitride und Silikate, insbesondere Orthosilikate,
wie sie an sich bereits bekannt sind und zur Mischung zwecks Erzeugung von weißem
Licht verwendet werden. Typische Beispiele hierfür sind in den Offenlegungsschriften
DE 10 2006 036577,
DE 201 15 914 U1,
US 2003/146690,
WO 2001/040403,
WO 2004/030109,
DE 10 2007 060 199,
DE 103 19 091 und
DE 10 2005 017 510 offenbart. Mittels dieser Leuchtstoffe lassen sich die Lichtfarben warmweiß, kaltweiß
und tageslichtähnliches weiß einstellen und insbesondere lässt sich mit diesen Leuchtstoffen
auch weißes Licht mit einer gewünschten Farbtemperatur im Bereich von 3000 Kelvin
bis 6500 Kelvin erzeugen. Beispiele hierfür finden sich in der
DE 10 2004 038 199, der
WO 00/33389 und der
EP 1 878 063.
[0055] Durch Verwendung von Leuchtstoffen, die rotes Licht emittieren wie beispielsweise
Nitride, in der Leuchtstoffmischung 20 ist zudem gewährleistet, dass das weiße Licht
den für Fahrzeugscheinwerfer gesetzlich verlangten Rotanteil von mehr als 5 % enthält.
Als Strahlungsquelle 12 zur Anregung des Leuchtstoffsgemisch 20 wird hierbei ein Laser
bzw. eine Laserdiode verwendet, die ultraviolette Strahlung oder blaues Licht emittiert.
[0056] Prinzipiell kann also bei einem erfindungsgemäßen Scheinwerfermodul 10 als Strahlungsquelle
12 anstelle des blauen Lichts emittierenden Lasers auch eine UV-Strahlungsquelle verwendet
werden. In diesem Fall werden für die Weißlichterzeugung mindestens zwei unterschiedliche
Leuchtstoffe benötigt, deren Farborte diametral zum Weißpunkt 40 liegen. Dies resultiert
in einer erhöhten Farbqualität, da das Spektrum des Lichts unabhängig von der Pumpwellenlänge
der Anregungsstrahlungsquelle 12 kontrolliert werden kann.
[0057] Bei einem erfindungsgemäßen Scheinwerfermodul 10 ist das vom Scheinwerfermodul 10
abgegebene Licht bevorzugt aus zwei Farbanteilen zusammengesetzt, insbesondere aus
der Strahlung der Strahlungsquelle 12 und der von einem oder mehreren Leuchtstoffen
abgegebenen Strahlung. Dadurch lässt sich die Wellenlänge des emittierten Lichts sehr
gut kontrollieren, wodurch die Farbsteuerung deutlich einfacher ist als bei heutigen
weißen LEDs.
[0058] Mit einem 3-Farben-System, beispielsweise Rot, Grün und Blau (RGB), lässt sich die
Farbqualität, also der Farbwiedergabeindex, deutlich verbessern und man kann durch
unterschiedliche Modulation der verschiedenen Farben den gesamten, durch die Leuchtstoffe
aufgespannten Farbraum darstellen.
[0059] Rechtliche Vorgaben verlangen für die Zulassung von Scheinwerfern in einem Kraftfahrzeug
die Möglichkeit der Reichweiteneinstellung. Dabei wird die Hell-Dunkel-Grenze HDG
des Scheinwerfers im Stand der Technik gezielt gegen den Horizont um 1% entsprechend
0,57° nach unten gekippt, wodurch im Scheinwerfer nach dem Stand der Technik elektrische
Stellmotoren, zum Teil sogar sehr aufwändige Schrittmotoren, benötigt werden. Bei
einem erfindungsgemäßen Scheinwerfermodul 10 können diese Stellmotoren wegfallen,
da die HDG im Bereich von 0,1° genau kontrolliert werden kann. Dies lässt sich durch
eine entsprechend feine Einstellung des Zeilensignals für die Strahllenkungsvorrichtung
erreichen. Da Letzteres ein Analog-Signal ist, sind jedoch bezüglich der Auflösung
der HDG bei einem erfindungsgemäßen Scheinwerfermodul 10 prinzipiell keine Grenzen
gesetzt. Über eine entsprechende Ansteuerung der Steuervorrichtung 34, beispielsweise
durch Verbindung mit einem Bussystem des Kraftfahrzeugs, das mit Neigungssensoren
des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist, beziehungsweise durch eine manuelle Eingabe im Bedienfeld
des Fahrers, kann durch entsprechende Ansteuerung der Strahllenkungsvorrichtung 14
bei einem erfindungsgemäßen Scheinwerfermodul 10 ein Effekt erreicht werden, der einer
Kippung entspricht.
[0060] Die Steuervorrichtung 34 ist überdies ausgelegt, die Reichweiteneinstellung auf einen
vorgegebenen Wert zu setzen, falls die Kommunikation mit dem Kraftfahrzeug ausfällt.
Bevorzugt wird dabei gleichzeitig die Ansteuerung der Strahllenkungsvorrichtung 14
durch eine fest gespeicherte Lichtverteilung auf normales Abblendlicht umgestellt,
um den Leuchtstoff 20 zu schützen.
[0061] Falls die Strahlungsquelle 12 ausfällt oder fehlerhaft oder mit niedriger Leistung
arbeitet, ist überdies vorgesehen, dem Fahrer zu signalisieren, dass ein Defekt vorliegt,
typischerweise durch eine entsprechende Warnlampe am Armaturenbrett. Dadurch wird
der Fahrer auf die eingeschränkte Funktionalität und den nötigen Besuch einer Werkstatt
hingewiesen.
[0062] Falls die Strahllenkungsvorrichtung 14 ausfällt, wird ebenfalls ein Warnsignal an
den Fahrer erzeugt und die Strahlungsquelle 12 abgeschaltet. Schließlich ist vorgesehen,
die Strahlungsquelle 12 zu deaktivieren, falls das Fahrzeug zur Wartung in einer Werkstatt
ist und das Scheinwerfermodul 10 geöffnet werden muss. Hierdurch wird das Wartungspersonal
zuverlässig geschützt. Ebenso kann auch eine Sicherheitsvorrichtung vorgesehen sein,
welche die Strahlungsquelle 12 im Fall eines offenen Scheinwerfergehäuses oder im
Fall eines Unfalls, insbesondere bei geborstenem Scheinwerfergehäuse, abschaltet.
[0063] Bevorzugt liegt die Leistung der Anregungsstrahlungsquelle 12 zwischen 5 und 20 W.
1. Scheinwerfermodul (10) mit voneinander getrennt angeordneten Leuchtstoffen (20a, 20b,
20c), die mittels elektromagnetischer Strahlung zur Lichtemission anregbar sind, und
mindestens einer Strahlungsquelle (12) zur Anregung der Leuchtstoffe (20a, 20b, 20c),
wobei jedem Leuchtstoff (20a, 20b, 20c) eine optische Vorrichtung (24a, 24b, 24c)
zugeordnet ist, so dass das von den optischen Vorrichtungen (24a, 24b, 24c) abgegebene
Licht zu einem Gesamtbild (26) überlagert ist, und wobei zwecks Zufuhr der elektromagnetischen
Strahlung Strahlteilervorrichtungen (30a, 30b) und Strahllenkungsvorrichtungen (14a,
14b, 14c) sowie eine Steuervorrichtung (34) zur Steuerung der mindestens einen Strahlungsquelle
(12) und der Strahllenkungsvorrichtungen (14a, 14b, 14c) vorgesehen sind.
2. Scheinwerfermodul nach Anspruch 1, wobei die Strahllenkungsvorrichtungen (14a, 14b,
14c) als um zwei Achsen schwenkbare Mikrospiegel ausgebildet sind.
3. Scheinwerfermodul nach Anspruch 2, wobei die Steuervorrichtung (34) eine Horizontal/Vertikal-Ablenkeinheit
zur horizontalen und vertikalen Ablenkung der Mikrospiegel (14a, 14b, 14c) umfasst.
4. Scheinwerfermodul nach Anspruch 3, wobei die Ansteuerungsvorrichtung (34) derart ausgebildet
sind, dass die Winkelbereiche für die horizontale und vertikale Ablenkung der Mikrospiegel
(14a, 14b, 14c) an die gewünschte Lichtverteilung angepasst sind.
5. Scheinwerfermodul nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Ansteuerungsvorrichtung (34) derart
ausgebildet ist, dass die Ansteuerung der Mikrospiegel (14a, 14b, 14c) mit unterschiedlichen
Frequenzen für Zeilen und Spalten betrieben werden.
6. Scheinwerfermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuervorrichtung (34)
derart ausgebildet ist, dass eine Ansteuerung der Strahllenkungsvorrichtungen (14a,
14b, 14c) in einem festen Raster ermöglicht ist, um eine Lichtverteilung des Scheinwerfers
in Raumwinkelbereichen von horizontal plus/minus 50° und vertikal minus 15° / plus
10° zu erreichen.
7. Scheinwerfermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Steuervorrichtung (34)
ausgebildet ist, die mindestens eine Strahlungsquelle (12) beim Überstreichen von
Raumwinkelbereichen, in denen aktuell kein Licht benötigt wird, kurzfristig auszuschalten.
8. Scheinwerfermodul nach Anspruch 1, wobei zumindest ein Leuchtstoff (20b) auf einer
gekrümmten Oberfläche angeordnet ist.
9. Scheinwerfermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Leuchtstoffe (20a, 20b,
20c) jeweils von einer Strahllenkungsvorrichtung (14a, 14b, 14c) bedient werden.