[0001] Die Erfindung betrifft eine Sammellinse für einen Projektionsscheinwerfer in einem
Kraftfahrzeug, deren Körper an der Eintrittsseite durch eine glatte Linsenfläche und
an der Austrittsseite durch eine solche mit Fresnelzonen versehene Linsenfläche begrenzt
ist, dass ein durchgelassener Lichtstrom möglichst groß ist und das von Entgegenfahrenden
wahrgenommenes Blenden herabgesetzt wird, wobei die Sammellinse eine kleine Masse
hat und kurzbrennweitig hergestellt werden kann.
[0002] Nach der Internationalen Patentklassifikation wird die Erfindung in die Klasse G
02B 03/08 eingeordnet.
[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sammellinse für einen Projektionsscheinwerfer
in einem Kraftfahrzeug zu vervollkommnen, so dass bei kleinstmöglicher Masse der Sammellinse,
die kurzbrennweitig hergestellt werden kann, der durchgelassene Lichtstrom maximiert
und der an der Austrittsseite der Sammellinse von einer vorgegebenen Richtung abweichender
Lichtstrom minimiert wird.
[0004] Für einen Scheinwerfer nach dem Projektionsprinzip in einem Kraftfahrzeug hat sich
eine Sammellinse aus Glas durchgesetzt, die jedoch wegen des Herstellungsverfahrens
ein teures Bauteil ist. In Fig. 1 und 2 ist eine solche plankonvexe beziehungsweise
konkav-konvexe Sammellinse mit einer Dicke d dargestellt. Weil sie eine große Masse
hat, benötigt sie eine feste Befestigungsvorrichtung. Die wurde in letzter Zeit noch
besonders anspruchsvoll, da eine Reflektoreinheit sowohl um die vertikale Achse als
auch um die horizontale Achse schwenkbar sein muss. Die Sammellinse muss auch mit
einer Spezialhaltevorrichtung versehen werden, um in einer richtigen Lage gegenüber
einem Reflektor und einer Lichtquelle fixiert zu werden. Eine Sammellinse mit einer
geringeren Masse würde zur Vereinfachung des gesamten Projektionsscheinwerfers beitragen.
In letzter Zeit versucht man eine konvexe Sammellinse aus Glas durch eine Fresnelsammellinse
zu ersetzen.
[0005] In der Patentanmeldung DE 198 56 281 wird ein Scheinwerfer für Fahrzeuge nach dem
Projektionsprinzip mit einer konkavkonvexen, im Grunde gekrümmten planparallelen Fresnellinse
dargestellt. Der Projektionsscheinwerfer umfaßt eine Lichtquelle LS, einen Ellipsoidreflektor
R, eine Blende S und eine dünnwandige Fresnelsammellinse CL' - sie ist hier vereinfacht
als eine flache Sammellinse dargestellt (Fig. 3). Die sollte vorzugsweise aus einem
thermoplastischen Kunststoff bestehen. Die Fresnelsammellinse gibt tatsächlich eine
elegante Möglichkeit, eine leichte Sammellinse aus Polymer oder Glas herzustellen.
Bedauerlicherweise hat jedoch die dünnwandige Fresnelsammellinse eine niedrige Durchlässigkeit
für den Lichtstrom in gewünschter Richtung und blendet. Eine mit Fresnelzonen versehene
Linsenfläche FZF an der Austrittsseite wird nämlich aus vielen ringförmigen Brechflächen
RRS erzeugt, die über äußere Ringkanten OCE und innere Ringkanten ICE - wegen des
Gießens der Linse sind diese Kanten nicht scharf - durch ringförmige Sprungflächen
RSS verbunden sind. Die Höhe h stellt das Herausragen der äußeren Ringkanten OCE von
der Ebene der inneren Ringkanten ICE dar. Die Spiegelung und Brechung sowohl auf den
ringförmigen Sprungflächen RSS als auch auf den abgerundeten äußeren Ringkanten OCE
und inneren Ringkanten ICE verursachen Verluste am einfallenden Lichtstrom. Durch
eine Herabsetzung der Zahl der Fresnelzonen werden die erwähnten Verluste nicht geringer,
da zugleich die erwähnte Höhe h und dadurch die ringförmigen Sprungflächen RSS größer
werden, ebenfalls steigt die Masse der Linse an. Wegen der Spiegelung und Brechung
ab den genannten zahlreichen problematischen Flächen kommt es auch zum Blenden oberhalb
einer Hell-Dunkel-Grenze in der Lichtstreifenverteilung des Scheinwerfers. Die erwähnten
Verluste sind noch besonders groß bei einem kurzen Projektionsscheinwerfer, der eine
kleine Abmessung in der Richtung der optischen Achse hat; darin fallen nämlich Lichtstrahlen
auf die Sammellinse unter verschiedenen und auch großen Einfallswinkeln ein.
[0006] Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer durch Merkmale aus dem Kennzeichen
des ersten Patentanspruchs gekennzeichneten Sammellinse für einen Projektionsscheinwerfer
in einem Kraftfahrzeug gelöst. Weiterbildungen der Erfindung werden durch die Unteransprüche
bestimmt.
[0007] Die erfindungsgemäße Sammellinse für einen Projektionsscheinwerfer in einem Kraftfahrzeug
zeichnet sich trotz geringer Masse durch die guten Eigenschaften einer dicken Sammellinse
wie hoher Lichtdurchlässigkeit und wenig Blenden oberhalb der Hell-Dunkel-Grenze aus,
zugleich ist sie jedoch noch immer dünn genug, dass sie auch aus einem amorphen Thermoplast
durch Spritzgießen hergestellt werden kann.
[0008] Bei gleichbleibender Zahl der fresnelartigen ringförmigen Brechflächen kann vorteilhaft
das Blenden für die erfindungsgemäße Sammellinse beliebig herabgesetzt werden, indem
ein Bereich zwischen einer glatten Eintrittslinsenfläche und einer durch die periphere
Kante der Sammellinse verlaufenden imaginären konvexen Fläche dicker gemacht wird,
wodurch die Höhe einer Abweichung der äußeren Kreiskanten ringförmiger Brechflächen
von der imaginären konvexen Fläche kleiner wird.
[0009] Die erfindungsgemäße Sammellinse zeichnet sich besonders bei kurzen Brennweiten aus
und eine solche ist für den Einbau in einen kurzen Projektionsscheinwerfer vorgesehen.
[0010] Die Erfindung wird nun eingehend dargelegt anhand der Beschreibung der Ausführungsbeispiele
und der dazugehörigen Zeichnung, die in
- Fig. 4
- im axialen Querschnitt den Aufbau einer erfindungsgemäßen Sammellinse für einen Projektionsscheinwerfer
in einem Kraftfahrzeug und in
- Fig. 5
- geometrische und optische Parameter der erfindungsgemäßen Sammellinse darstellt.
[0011] Der Körper der Sammellinse CL für einen Projektionsscheinwerfer in einem Kraftfahrzeug
wird im axialen Querschnitt in Fig. 4 dargestellt. An der Eintrittsseite ist er durch
eine glatte Linsenfläche SF - mit einem Halbmesser r bei einer Kugelfläche SF (Fig.
5) - und an der Austrittsseite durch eine mit Fresnelzonen versehene Linsenfläche
FZF begrenzt.
[0012] Die einzelne Fresnelzone wird mit einer zentralen Brechfläche CRS oder einer ringförmigen
Brechfläche RRS und einer ringförmigen Sprungfläche RSS erzeugt.
[0013] Dabei entstehen äußere Kreiskanten OCE und innere Kreiskanten ICE, entlang denen
die zentrale Brechfläche CRS und die ringförmige Brechfläche RRS und die jeweils benachbarte
ringförmige Sprungfläche RSS außenseits beziehungsweise innenseits aneinanderstoßen.
[0014] Erfindungsgemäß liegt jede innere Kreiskante ICE auf einer imaginären konvexen Fläche
CS.
[0015] In Fig. 4 ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die
imaginäre konvexe Fläche CS eine Kugelfläche mit einem Halbmesser r' ist.
[0016] Die imaginäre konvexe Fläche CS wird erfindungsgemäß zunächst dadurch bestimmt, dass
sie die periphere Kante PE der Sammellinse CL einschließt und in der Richtung hinzu
der mit den Fresnelzonen versehenen Linsenfläche FZF gewölbt ist.
[0017] Die imaginäre konvexe Fläche CS wird erfindungsgemäß weiterhin dadurch bestimmt,
dass eine Höhe h der Abweichung äußerer Kreiskanten OCE von der imaginären konvexen
Fläche CS möglichst klein ist. Die Höhe h wird in der Richtung parallel zur geometrischen
Achse der Sammellinse CL gemessen.
[0018] In einem bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird die mit den Fresnelzonen
versehene Linsenfläche FZF mit einer kleinen Zahl N der ringförmigen Brechflächen
RRS erzeugt. Die Zahl N soll gleich oder größer als zwei und kleiner als oder gleich
fünf sein (2 ≤ N ≤ 5). Dabei geht es um einen Kompromiß zwischen einer erwünschten
Einsparung an Masse der erfindungsgemäßen Sammellinse CL und technologischen Begrenzungen.
[0019] In einem weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel weichen alle
äußeren Kreiskanten OCE um die gleiche Höhe h von der imaginären konvexen Fläche CS
ab.
[0020] Die glatte Linsenfläche SF an der Eintrittsseite kann erfindungsgemäß konkav, konvex
oder flach sein. Der Krümmungshalbmesser r der glatten Linsenfläche SF, falls sie
kugelförmig ist, wird aber bestimmt, indem ein durch die Sammellinse CL durchgelassener
Lichtstrom maximiert wird.
[0021] Die dargestellte Sammellinse CL hat eine Brennweite f. Einzelne Oberflächenabschnitte
werden genau so geformt, dass aus dem Brennpunkt Φ ausgehende Lichtstrahlen nach einem
Durchgang durch die Sammellinse CL ein paralleles Strahlenbündel bilden (Fig. 5).
[0022] Die erfindungsgemäße Sammellinse CL wird aus einem amorphen Thermoplast oder Glas
hergestellt. Für die Sammellinse aus dem amorphen Thermoplast wird größte Linsendicke
d so bestimmt, dass die Abkühlungszeit eines Linsenabgußes von der Produktivität her
noch annehmbar ist.
[0023] Die Formgebung der erfindungsgemäßen Sammellinse CL aus dem amorphen Thermoplast
wird schrittweise folgendermaßen durchgeführt.
[0024] Zunächst wird je nach der für die Abkühlung des Linsenabgußes mit der Dicke d nötigen
Zeit die größte, von der Produktivität her noch annehmbare Linsendicke d bestimmt.
Ein Abguß mit der Wanddicke 4 mm aus dem amorphen Thermoplast kühlt 25 Sekunden ab.
Die für die Abkühlung nötige Zeit steigt ungefähr proportional zum Quadrat der Abgußwanddicke
an: eine 20 mm dicke plankonvexe Linse aus dem amorphen Thermoplast kühlt mindestens
600 Sekunden ab. Bei einer plankonvexen Linse mit der Dicke bis 10 mm kann man die
Abkühlungszeit unter 150 Sekunden erwarten, bei der Verwendung einer auf eine schwankende
Temperatur temperierten Gießform sogar unter 120 Sekunden. Dadurch wird eine bereits
annehmbare Produktivität beim Herstellen der erfindungsgemäßen Sammellinse CL ermöglicht.
[0025] In einem weiteren Schritt wird bei einer ausgewählten Dicke d der erfindungsgemäßen
Sammellinse CL die Zahl N der ringförmigen Fresnelzonenen und die mit der Zahl N verbundene
Höhe h der Abweichung äußerer Kreiskanten OCE von der imaginären konvexen Fläche CS
gewählt. Durch das Erhöhen der Zahl N bei einer unveränderten Dicke d wird zwar die
Höhe h kleiner - der paraxiale Abstand der Flächen SF und CS steigt nämlich an - und
es werden bessere theoretische optische Eigenschaften der Linse erreicht, es erhöht
sich jedoch die Zahl der unscharfen äußeren Kreiskanten OCE und inneren Kreiskanten
ICE, an denen das Licht weg von der vorgesehenen Richtung gebrochen wird. Als bestmöglich
erweist sich die Wahl der Zahl N zwischen 2 und 5. Bei einer kleineren Zahl N ist
die zentrale Brechfläche CRS größer und größer ist die aktive Höhe a der Linse, die
vom unteren Rand der Linse bis zum Gipfel der zentralen Brechfläche CRS gemessen wird
(Fig. 5); in dem mit einem Ellipsoidreflektor R ausgestatteten Projektionsscheinwerfer
wird nämlich die Hell-Dunkel-Grenze eines abgeblendeten Lichtstreifens durch die Blende
S bestimmt (Fig. 3), der abgeblendete Lichtstreifen aber nützt nur die unteren zwei
Drittel der Sammellinse.
[0026] Dann wählt man den Krümmungshalbmesser r der glatten Linsenfläche SF, durch die die
Strahlen in die Sammellinse CL eintreten, und zwar so, dass für jeden Strahl der Winkel
des Eintritts in die Linse und der Winkel des Austritts aus der Linse für diesen Strahl
etwa gleich werden, wodurch Lichtverluste durch Spiegelungen an der Eintrittsfläche
und der Austrittsfläche der Sammellinse minimiert werden. Bei Sammellinsen mit der
Brennweite f unter 50 mm ist die glatte Linsenfläche SF konkav (Fig. 2), bei denen
mit der Brennweite zwischen 50 mm und 60 mm ist sie flach (Fig. 1) und bei denen mit
der Brennweite über 60 mm ist sie konvex. Der optimale Krümmungshalbmesser r der glatten
Linsenfläche SF wird durch Programmsimulationen nach dem Monte-Carlo-Verfahren auf
einem kommerziellen Programmpaket bestimmt, wobei optische Merkmale einer Lichtquelle
LS, des Ellipsoidreflektors R und der Blende S berücksichtigt werden. Die erfindungsgemäße
Sammellinse CL zeichnet sich besonders bei kurzen Brennweiten aus und eignet sich
darum zum Bau von kurzen Scheinwerfern. Sie ist sehr gut für einen Nebelscheinwerfer
geeignet, der räumlich noch besonders begrenzt ist.
[0027] Danach werden die Fresnelbrechflächen RRS und CRS mit einem Rechenverfahren zum Minimisieren
der sphärischen Aberration bei dicken Linsen genau geformt. Die Höhen h der Abweichung
der äußeren Kreiskanten OCE von der imaginären konvexen Fläche CS bekommen erst jetzt
ihre Endwerte.
[0028] Zum Herstellen der erfindungsgemäßen Sammellinse CL sind geeignet durchsichtige amorphe
Thermoplaste aus der Gruppe der Polymethyl-Metakrylimide, zum Beispiel PLEXIMID 8805,
ausnahmsweise für einen Projektionsscheinwerfer mit einer Halogenlichtquelle für Nebel,
wo das Blaulicht schon vor der Sammellinse wegfiltriert werden kann, um die Rayleigh-Streuung
des Blaulichtes an Nebelteilchen zu vermeiden, aber auch aus der Gruppe der Polykarbonat-Kopolymere,
zum Beispiel APEC 9359/7. Ein Vorteil der letzteren liegt in einer schwächeren Absorption
im Infrarotbereich, ein Vorteil der ersteren liegt vor allem in schwacher Abhängigkeit
des Brechungsquotienten von der Lichtwellenlänge im sichtbaren Bereich.
[0029] Die erfindungsgemäße Sammellinse CL kann aber aufgrund der beschriebenen Geometrie
auch aus Glasmaterialien hergestellt werden. Es werden die beschriebenen vorteilhaften
optischen Effekte und die Einsparung an Masse erzielt.
[0030] In der folgenden Tabelle sind die Ergebnisse der Programmsimulationen für fünf Sammellinsen
- die Beispiele 5 und 6 beziehen sich auf die erfindungsgemäße Sammellinse CL - mit
der Brennweite f = 25 mm und dem Linsendurchmesser 50 mm in dem Projektionsscheinwerfer
mit der Glühlampe
H11 mit der Leuchtstärke 1.000 Im als der Lichtquelle und dem aluminisierten Ellipsoidreflektor,
der für den Gebrauch in einem Nebelscheinwerfer mit der geraden Hell-Dunkel-Grenze
angepasst ist, zusammengefaßt. Die Simulation für jedes einzelne Beispiel wurde an
2.000.000 aus der Glühlampe austretenden Lichtstrahlen durchgeführt und verfolgte
die Lichtrahlen bei Spiegelungen und Brechungen bis zum Austritt aus der Sammellinse.
[0031] Die Beispiele 1 und 2 beziehen sich auf eine übliche Sammellinse aus Glas beziehungsweise
Thermoplast.
[0032] Das Beispiel 3 bezieht sich auf eine übliche Sammellinse aus Thermoplast, die jedoch
eine konkave Eintrittsfläche hat, was sich vorteilhaft in einer höheren Lichtdurchlässigkeit
auswirkt.
[0033] Das Beispiel 4 bezieht sich auf eine Fresnelllinse nach dem Stand der Technik. Diese
Linse bringt eine große Einsparung an Masse, doch ist ihre Lichtdurchlässigkeit niedrig
und sie blendet stark.
Beispiel Nr. |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
Fig. |
1 |
1 |
2 |
3 |
4 |
4 |
Material |
Glas |
Apec 9359/ |
Apec 9359/ |
Apec 9359/ |
Apec 9359/ |
Apec 9359/ |
Brennweite f |
25 mm |
25 mm |
25 mm |
25 mm |
25 mm |
25 mm |
Dicke d |
20,3 mr |
19,3 mm |
19,9 mm |
2 mm |
9,7 mm |
8,8 mm |
Linsenmasse |
57,3 g |
27 g |
27 g |
4 g |
14 g |
13 g |
Gesamter durchg Lichtstrom |
255,4 Ir |
254,7 Im |
255,3 Im |
217,7 Im |
236,7 Im |
235,0 Im |
Erzielte höchste Beleuchtungsstär |
7,3 Ix |
7,2 Ix |
7,4 Ix |
4,9 Ix |
6,1 Ix |
5,9 Ix |
Blenden in Zone I über H.-D.-Grenz |
< 0,007 |
< 0,007 Ix |
< 0,007 Ix |
0,1 Ix |
0,03 Ix |
0,04 Ix |
r |
∞ |
∞ |
200 mm |
∞ |
100 mm |
100 mm |
r' |
|
|
|
|
37 mm |
41 mm |
h |
|
|
|
1 mm |
2,68 mm |
2,78 mm |
N |
0 |
0 |
0 |
15 |
3 |
3 |
[0034] Die Beispiele 5 und 6 beziehen sich auf die erfindungsgemäße Sammellinse CL (Fig.
4 und 5). Im Vergleich zur Fresnelllinse nach dem Beispiel 4 hat die erfindungsgemäße
Sammellinse CL eine höhere Lichtdurchlässigkeit und sie blendet weniger. Das wurde
durch die Verkleinerung der Oberfläche und die Herabsetzung der Zahl der ungünstigen
Flächen, hierzu gehören die ringförmigen Sprungflächen RSS und die abgerundeten äußeren
Kreiskanten OCE und inneren Kreiskanten ICE erreicht. Im Vergleich zur üblichen Sammellinse
nach den Beispielen 2 und 3 bringt jedoch die erfindungsgemäße Sammellinse eine ungefähr
fünfzigprozentige Einsparung an Masse.
Legende:
[0035]
CL - collimating lens - Sammellinse
SF - smooth face of the lens - glatte Linsenfläche
CS - imaginary convex surface - imaginäre konvexe Fläche
PE - peripheral edge - periphere Kante
FZF - Fresnel zones face - Fresnelzonenfläche
CRS - central refracting surface - zentrale Brechfläche
RRS - ringshaped refracting surface - ringförmige Brechfläche
RSS - ringshaped step surface - ringförmige Sprungfläche
OCE/ICE - outer/inner circular edge - äußere/innere Kreiskante
S - shade - Schirm
LS - light source - Lichtquelle
R - reflector - Reflektor
1. Sammellinse (CL) für einen Projektionsscheinwerfer in einem Kraftfahrzeug, deren Körper
an der Eintrittsseite durch eine glatte Linsenfläche (SF) und an der Austrittsseite
durch eine mit Fresnelzonen versehene Linsenfläche (FZF) begrenzt ist,
wobei eine Fresnelzone mit einer ringförmigen oder einer zentralen Brechfläche (RRS
bzw. CRS) und einer ringförmigen Sprungfläche (RSS) erzeugt ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass jede innere Kreiskante (ICE), längs welcher die ringförmige oder zentrale Brechfläche
(RRS bzw. CRS) und die benachbarte ringförmige Sprungfläche (RSS) innenseits aneinanderstoßen,
auf einer imaginären konvexen Fläche (CS) liegt, die die periphere Kante (PE) der
Sammellinse (CL) einschließt und in der Richtung hinzu der mit den Fresnelzonen versehenen
Linsenfläche (FZF) gewölbt ist,
und dass in der Richtung parallel zur geometrischen Achse der Sammellinse (CL) gemessene Höhen
(h) der Abweichung äußerer Kreiskanten (OCE), längs welcher die ringförmige Brechfläche
(RRS) und die benachbarte ringförmige Sprungfläche (RSS) außenseits aneinanderstoßen,
von der imaginären konvexen Fläche (CS) möglichst klein sind.
2. Sammellinse (CL) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die mit den Fresnelzonen versehene Linsenfläche (FZF) mit einer kleinen Zahl (N)
der ringförmigen Brechflächen (RRS) erzeugt ist, so dass 2 ≤ N ≤ 5 ist.
3. Sammellinse (CL) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass alle äußeren Kreiskanten (OCE) von der imaginären konvexen Fläche (CS) um die gleiche,
in der Richtung parallel zur geometrischen Achse der Sammellinse (CL) gemessene Höhe
(h) abweichen.
4. Sammellinse (CL) nach einem der Ansprüche von 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
dass die glatte Linsenfläche (SF) konkav ist.
5. Sammellinse (CL) nach einem der Ansprüche von 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
dass die glatte Linsenfläche (SF) konvex ist.
6. Sammellinse (CL) nach einem der Ansprüche von 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
dass die glatte Linsenfläche (SF) flach ist.
7. Sammellinse (CL) nach einem der Ansprüche von 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
dass die Krümmung der glatten Linsenfläche (SF) bestimmt wird, indem ein durch die Sammellinse
(CL) durchgelassener Lichtstrom maximiert wird.
8. Sammellinse (CL) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass sie aus einem amorphen Thermoplast hergestellt ist.
9. Sammellinse (CL) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
dass ihre größte Dicke (d) durch eine von der Produktivität her noch annehmbare Abkühlungszeit
eines Linsenabgusses bestimmt wird.
10. Sammellinse (CL) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet,
dass sie aus einem Polymethyl-Metakrylimid hergestellt ist.
11. Sammellinse (CL) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet,
dass sie aus einem Polykarbonat-Kopolymer hergestellt ist.
12. Sammellinse (CL) nach einem der Ansprüche von 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
dass sie aus Glas hergestellt ist.
13. Sammellinse (CL) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die imaginäre konvexe Fläche (CS) eine Kugelfläche ist.