DE102008027320B4 - Headlights for vehicles - Google Patents
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Abstract
Scheinwerfer für Fahrzeuge mit einer Mehrzahl von LED-Lichtquellen, die in einem LED-Feld auf einem Substrat gruppiert angeordnet sind und die jeweils ein Teillichtbündel eines Lichtbündels emittieren, das mittels einer vorgelagerten Optikeinheit abgebildet wird zur Erzeugung einer vorgegebenen Lichtverteilung, wobei die Optikeinheit (3) ein erstes Optikelement (5) mit einer dem LED-Feld (2) zugewandten Lichteinkoppelfläche (7) und einer dem LED-Feld (2) abgewandten Lichtauskoppelfläche (9) einerseits und ein zweites Optikelement (6) mit einer dem ersten Optikelement (5) zugewandten Lichteinkoppelfläche (8) und einer dem ersten Optikelement (5) abgewandten Lichtauskoppelfläche (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichteinkoppelflächen (7, 8) und die Lichtauskoppelflächen (9, 10) der beiden Optikelemente (5, 6) derart ausgebildet sind, dass die LED-Lichtquellen (1) zu Lichtflecken (17) nach Unendlich abgebildet sind, so dass bei Projektion der Lichtverteilung (L) auf einem Messschirm ein vertikaler und horizontaler Randbereich benachbarter Lichtflecken (17) unmittelbar aneinander liegen, und dass die Lichteinkoppelfläche (7) und die Lichtauskoppelfläche (9) des ersten Optikelementes (5) und die Lichteinkoppelfläche (8) und die Lichtauskoppelfläche (10) des zweiten Optikelementes (6) derart aufeinander abgestimmt sind, dass die Lichtflecken (17) der abgebildeten LED-Lichtquellen (1) die gleiche Dimension aufweisen.Headlights for vehicles with a plurality of LED light sources which are arranged in a group in an LED field on a substrate and which each emit a partial light beam of a light beam which is imaged by means of an upstream optical unit to produce a predetermined light distribution, wherein the optical unit (3) has a first optical element (5) with a light coupling surface (7) facing the LED field (2) and a light coupling surface (9) facing away from the LED field (2), on the one hand, and a second optical element (6) with a light coupling surface (8) facing the first optical element (5) and a light coupling surface (10) facing away from the first optical element (5), characterized in that the light coupling surfaces (7, 8) and the light coupling surfaces (9, 10) of the two optical elements (5, 6) are designed in such a way that the LED light sources (1) are imaged to form light spots (17) towards infinity, so that when the light distribution (L) is projected onto a measuring screen, a vertical and horizontal edge region of adjacent light spots (17) lie directly next to one another, and that the light coupling surface (7) and the light coupling surface (9) of the first optical element (5) and the light coupling surface (8) and the light coupling surface (10) of the second optical element (6) are coordinated with one another in such a way that the light spots (17) of the LED light sources (1) shown have the same dimension.
Description
Die Erfindung betrifft einen Scheinwerfer für Fahrzeuge nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der
From the
Aus der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Scheinwerfer für Fahrzeuge derart weiterzubilden, dass eine vorgegebene Lichtverteilung mit scharf voneinander abgrenzbaren abgebildeten LED-Lichtquellen geschaffen wird, so dass durch Abschalten einer oder mehrerer LED-Lichtquellen ein definierter Aussparungsbereich bzw. Entblendungsbereich der Lichtverteilung zur Entblendung eines weiteren Verkehrsteilnehmers ermöglicht wird.The object of the present invention is therefore to further develop a headlight for vehicles in such a way that a predetermined light distribution is created with sharply demarcated LED light sources, so that by switching off one or more LED light sources, a defined recess area or glare-free area of the light distribution is made possible to glare another road user.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist die Erfindung die Merkmale des Patentanspruchs 1 auf.To solve this problem, the invention has the features of
Die Erfindung sieht eine Optikeinheit mit zwei linsenförmigen Optikelementen vor, die in Lichtabstrahlrichtung hintereinander angeordnet sind. Ein erstes Optikelement und ein zweites Optikelement weisen jeweils eine Lichteinkoppelfläche und eine Lichtauskoppelfläche auf, die derart geformt sind, dass die LED-Lichtquellen zu jeweils Lichtflecken abgebildet werden, die einen relativ hohen optischen Korrektionszustand aufweisen. Um eine hohe optische Güte bzw. eine geringe Dispersionswirkung zu erzielen, ist die Aberrationswirkung auf die vier brechenden Flächen (Lichteinkoppelfläche, Lichtauskoppelflächen) der beiden Optikelemente verteilt. Vorteilhaft können scharf voneinander abgegrenzte Lichtverteilungen der LED-Lichtquellen im Winkelraum realisiert werden, wobei von der optischen Achse entfernt liegende LED-Lichtquellen nur eine geringe Verwaschung bzw. Verzerrung erzeugen. Somit kommt erfindungsgemäß dem ersten Optikelement keine Primäroptikfunktion und dem zweiten Optikelement keine Sekundäroptikfunktion zu. Stattdessen sind die Lichteinkoppelflächen bzw. Lichtauskoppelflächen des ersten Optikelementes und des zweiten Optikelementes so aufeinander abgestimmt, dass eine Lichtverteilung bestehend aus vorzugsweise gleich großen Lichtflecken gebildet werden kann, wobei vertikale und horizontale Ränder benachbarter Lichtflecken unmittelbar aneinander liegen. Vorteilhaft können hierdurch definierte Aussparungsbereiche in der Lichtverteilung erzeugt werden. Nach der Erfindung sind die optisch wirksamen Flächen des ersten Optikelementes und des zweiten Optikelementes derart aufeinander abgestimmt, dass Lichtflecken mit gleicher Dimension erzeugt werden, die zur Bildung der Fernlichtverteilung im Wesentlichen unmittelbar nebeneinander angeordnet sind. Dadurch, dass die Abbildungsfehler der Linsen auf die vier brechenden Flächen aufgeteilt bzw. „ausbalanciert“ sind, können auch relativ weit von einer optischen Achse des Scheinwerfers angeordnete LED-Lichtquellen relativ korrekt abgebildet werden.The invention provides an optical unit with two lens-shaped optical elements that are arranged one behind the other in the light emission direction. A first optical element and a second optical element each have a light coupling surface and a light coupling surface that are shaped in such a way that the LED light sources are each imaged into light spots that have a relatively high optical correction state. In order to achieve a high optical quality or a low dispersion effect, the aberration effect is distributed over the four refractive surfaces (light coupling surface, light coupling surfaces) of the two optical elements. Sharply delimited light distributions of the LED light sources in the angular space can advantageously be realized, with LED light sources located further away from the optical axis producing only a slight blurring or distortion. Thus, according to the invention, the first optical element has no primary optical function and the second optical element has no secondary optical function. Instead, the light coupling surfaces or light coupling surfaces of the first optical element and the second optical element are coordinated with one another in such a way that a light distribution consisting of preferably equally sized light spots can be formed, with vertical and horizontal edges of adjacent light spots lying directly next to one another. This advantageously allows defined recess areas to be created in the light distribution. According to the invention, the optically effective surfaces of the first optical element and the second optical element are coordinated with one another in such a way that light spots of the same dimension are created, which are arranged essentially directly next to one another to form the high beam distribution. Because the imaging errors of the lenses are distributed or "balanced" across the four refractive surfaces, even LED light sources arranged relatively far from an optical axis of the headlight can be imaged relatively correctly.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die LED-Lichtquellen als LED-Chips in einem horizontal verlaufenden lang gestreckten LED-Feld zusammengefasst, so dass bei eingeschaltetem Zustand aller LED-Chips eine Fernlichtverteilung erzeugbar ist. Vorteilhaft lässt sich hierdurch ein adressierbares Fernlicht generieren, bei dem ein Teilbereich der Fernlichtverteilung ausgespart werden kann zur Entblendung eines weiteren Verkehrsteilnehmers.According to a preferred embodiment of the invention, the LED light sources are combined as LED chips in a horizontally extending, elongated LED field, so that a high beam distribution can be generated when all LED chips are switched on. This generates an addressable high beam, in which a portion of the high beam distribution can be excluded to reduce glare for other road users.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die LED-Lichtquellen des LED-Feldes durch eine Ansteuereinheit ansteuerbar, so dass in einer Fernlichtstellung alle LED-Lichtquellen eingeschaltet sind zur Erzeugung einer Fernlichtverteilung und so dass in einer Entblendstellung nur ein Teil der LED-Lichtquellen eingeschaltet ist, und zwar der Teil, der nicht für die Blendung des weiteren Verkehrsteilnehmers verantwortlich ist. In der Entblendstellung erfolgt eine dynamische Änderung der Fernlichtverteilung, wobei in Abhängigkeit von den weiteren Verkehrsteilnehmern detektierenden Detektierungsmitteln solche LED-Lichtquellen abgeschaltet oder heruntergedimmt werden, die zur Beleuchtung des Verkehrsteilnehmers beitragen würden. Dadurch, dass benachbarte Lichtflecken in vertikaler und horizontaler Richtung eindeutig nebeneinander bzw. aneinander liegen, ist eine optimale Adressierbarkeit der Lichtflecken gewährleistet, so dass ein Übergang zwischen dem Entblendungsbereich und dem beleuchteten Bereich der Lichtverteilung mit einem relativ hohen Leuchtstärkegradienten verwirklicht wird.According to a development of the invention, the LED light sources of the LED field can be controlled by a control unit, so that in a high beam position all LED light sources are switched on to generate a high beam distribution and so that in a glare-free position only some of the LED light sources are switched on, namely the part that is not responsible for glaring other road users. In the glare-free position, the high beam distribution changes dynamically, whereby, depending on the detection means detecting other road users, those LED light sources that would contribute to illuminating the road user are switched off or dimmed down. The fact that neighboring light spots are clearly next to or on one another in the vertical and horizontal directions ensures optimal addressability of the light spots, so that a transition between the glare-free area and the illuminated area of the light distribution is realized with a relatively high luminous intensity gradient.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind das erste Optikelement und das zweite Optikelement jeweils rotationssymmetrisch und beabstandet zueinander angeordnet. According to a development of the invention, the first optical element and the second optical element are each arranged rotationally symmetrically and at a distance from one another.
Zumindest drei dieser optischen Flächen weisen Asphärisierungen auf, so dass eine korrekte Abbildung über die horizontale Breite des LED-Feldes gewährleistet ist.At least three of these optical surfaces have aspherizations, so that correct imaging across the horizontal width of the LED field is guaranteed.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.Further advantages of the invention emerge from the further subclaims.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.An embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the drawings.
Es zeigen:
-
1 eine schematische Seitendarstellung eines Scheinwerfers, -
2 eine perspektivische Rückansicht des Scheinwerfers, -
3 eine Vorderansicht eines LED-Feldes des Scheinwerfers, -
4 eine exemplarische Darstellung von auf einem Messschirm projizierten Lichtflecken (Lichtbildern) von vier in horizontaler Richtung benachbarten LED-Lichtquellen und -
5 eine schematische Darstellung einer Fernlichtverteilung, wobei alle in einer 4x20-Matrix angeordneten LED-Lichtquellen eingeschaltet sind.
-
1 a schematic side view of a headlight, -
2 a perspective rear view of the headlight, -
3 a front view of an LED field of the headlight, -
4 an exemplary representation of light spots (light images) projected on a measuring screen from four horizontally adjacent LED light sources and -
5 a schematic representation of a high beam distribution with all LED light sources arranged in a 4x20 matrix switched on.
Ein erfindungsgemäßer Scheinwerfer für Fahrzeuge besteht im Wesentlichen aus einer Mehrzahl von LED-Lichtquellen 1, die in einem LED-Feld 2 auf einem gemeinsamen Träger (Substrat) gruppiert zusammengefasst angeordnet sind, und aus einer Optikeinheit 3, die in Lichtabstrahlrichtung 4 vor dem LED-Feld 2 angeordnet ist.A headlight for vehicles according to the invention essentially consists of a plurality of
Die Optikeinheit 3 besteht aus einem in einem Abstand zu dem LED-Feld 2 angeordneten ersten Optikelement 5 und einem in einem Abstand zu dem ersten Optikelement 5 angeordneten zweiten Optikelement 6. Das erste Optikelement 5 und das zweite Optikelement 6 sind jeweils annähernd plankonvexförmig ausgebildet, wobei eine dem LED-Feld 2 zugewandte quasi-plane Lichteinkoppelfläche 7 des ersten Optikelementes 5 nach innen gewölbt und eine dem LED-Feld 2 zugewandte quasi-plane Lichteinkoppelfläche 8 des zweiten Optikelementes 6 nach außen gewölbt ausgebildet sind. Das zwischen dem LED-Feld 2 und dem zweiten Optikelement 6 in einem Abstand zu denselben angeordnete erste Optikelement 5 weist eine konvexförmige Lichtauskoppelfläche 9 auf, deren Krümmung bzw. Wölbungsgrad geringer ist als eine dem LED-Feld 2 abgewandte Lichtauskoppelfläche 10 des zweiten Optikelementes 6. Die Lichteinkoppelflächen 7, 8 und die Lichtauskoppelflächen 9, 10 bilden optisch wirksame Flächen der Optikelemente 5, 6.The optical unit 3 consists of a first
Wie aus
Wie aus
Aufgrund der weiter unten beschriebenen Ausgestaltung der Lichteinkoppelflächen 7, 8 bzw. Lichtauskoppelflächen 9, 10 liegen die nach unendlich abgebildeten LED-Chips 1 unmittelbar nebeneinander, wobei vertikale Ränder 15 und horizontale Ränder 16 benachbarter Lichtflecken 17 unmittelbar aneinander liegen. Die Lichtbilder 17 entstehen durch Abbildung der jeweils durch die LED-Chips 1 emittierten Teillichtbündel, die durch Überlagerung ein Lichtbündel bilden, mittels dessen die Fernlichtverteilung L erzeugt wird.Due to the design of the
Die Fernlichtverteilung L gemäß
Sind die LED-Chips 1 kreisförmig oder ovalförmig konturiert, können die Lichtflecken nach einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform auch kreisförmig bzw. ovalförmig ausgebildet sein.If the
Wesentlich ist, dass die Lichtflecken 17 eine hohe optische Güte aufweisen, das heißt vorzugsweise eine geringe Aberrationswirkung aufweisen. Hierdurch wird ermöglicht, dass ausgewählte und gut definierte Bereiche der Lichtverteilung L in einer Entblendstellung des Scheinwerfers vorzugsweise in Abhängigkeit der durch Detektiermittel 18 erkannten Änderung der Verkehrssituation durch Abschalten der entsprechenden LED-Chips 1 ausgespart werden können, so dass eine unerwünschte Blendung anderer Verkehrsteilnehmer verhindert wird. Als Detektiermittel 18 kann beispielsweise eine Kamera dienen, die einen entgegenkommenden Verkehrsteilnehmer erfasst, so dass in Abhängigkeit von den ermittelten Sensordaten der Detektiermittel die Ansteuereinheit 14 adaptiv eine Anzahl von LED-Chips 1 ab- bzw. wieder zuschaltet, so dass eine Blendung des anderen Verkehrsteilnehmers durch den Scheinwerfer vermieden wird. Die Lichtverteilung L setzt sich somit aus einem Beleuchtungsbereich 19 und einem Entblendungsbereich 20 zusammen, wobei die dem Entblendungsbereich 20 zugeordneten LED-Chips 1 ausgeschaltet sind, so dass das in diesem Bereich befindliche entgegenkommende Verkehrsobjekt nicht geblendet wird. Der Beleuchtungsbereich 19 und der Entblendungsbereich 20 verändern sich dynamisch in Abhängigkeit von der Relativlage des entgegenkommenden Verkehrsobjektes zu dem Scheinwerfer. Mit Verringerung des Relativabstandes zwischen dem entgegenkommenden Verkehrsobjekt und dem Scheinwerfer wird der Entblendungsbereich 20 nach und nach größer, bis das entgegenkommende Verkehrsobjekt das mit dem Scheinwerfer versehene Fahrzeug passiert hat, so dass nunmehr bei nicht weiter entgegenkommenden Verkehrsobjekten der Beleuchtungsbereich 19 mit der Femlichtverteilung L übereinstimmt.It is essential that the light spots 17 have a high optical quality, i.e. preferably have a low aberration effect. This makes it possible for selected and well-defined areas of the light distribution L to be left out in a glare-reduction position of the headlight, preferably depending on the change in the traffic situation detected by the detection means 18, by switching off the corresponding
Das erste Optikelement 5 weist eine Dicke d1 von etwa 20 mm und das zweite Optikelement 6 eine Dicke d2 von etwa 34 mm auf. Der lichte Abstand zwischen dem ersten Optikelement 5 und dem zweiten Optikelement 6 beträgt etwa 24 mm.The first
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Lichteinkoppelfläche 7 des ersten Optikelementes 5 einen Scheitelkrümmungsradius von -100,0 mm, die Lichtauskoppelfläche 9 des ersten Optikelementes 5 einen Scheitelkrümmungsradius von -49,99876 mm, die Lichteinkoppelfläche 8 des zweiten Optikelementes 6 einen Scheitelkrümmungsradius von 7.179,91267 mm, die Lichtauskoppelfläche 10 des zweiten Optikelementes 6 einen Scheitelkrümmungsradius von -76,374567 mm auf. Die Lichteinkoppelfläche 7, die Lichtauskoppelfläche 9 des ersten Optikelementes 5 sowie die Lichtauskoppelfläche 10 des zweiten Optikelementes 6 sind als asphärische Flächen und die Lichteinkoppelfläche 8 des zweiten Optikelementes 6 als sphärische Fläche ausgebildet. Die Lichteinkoppelfläche 7 und die Lichtauskoppelfläche 9 des ersten Optikelementes 5 sowie die Lichtauskoppelfläche 10 des zweiten Optikelementes 6 werden nach folgender Linsenflächengleichung ermittelt:
z = z-Koordinate auf der entsprechenden Fläche,
r = Lateralabstand eines Punktes auf der optischen Fläche von der z-Achse,
c = Scheitelkrümmung der optisch wirksamen Fläche,
k = konische Konstante (hier zu 0 gewählt),
α = Asphärenkoeffizient.In the present exemplary embodiment, the light coupling surface 7 of the first optical element 5 has a vertex curvature radius of -100.0 mm, the light coupling surface 9 of the first optical element 5 has a vertex curvature radius of -49.99876 mm, the light coupling surface 8 of the second optical element 6 has a vertex curvature radius of 7,179.91267 mm, the light coupling surface 10 of the second optical element 6 has a vertex curvature radius of -76.374567 mm. The light coupling surface 7, the light coupling surface 9 of the first optical element 5 and the light coupling surface 10 of the second optical element 6 are designed as aspherical surfaces and the light coupling surface 8 of the second optical element 6 is designed as a spherical surface. The light coupling surface 7 and the light output surface 9 of the first optical element 5 as well as the light output surface 10 of the second optical element 6 are determined according to the following lens surface equation:
z = z-coordinate on the corresponding surface,
r = lateral distance of a point on the optical surface from the z-axis,
c = vertex curvature of the optically effective surface,
k = conical constant (here chosen to be 0),
α = aspheric coefficient.
Die Lichteinkoppelfläche 7 des ersten Optikelementes 5 weist folgende Asphärenkoeffizienten auf:
Die Lichtauskoppelfläche 9 des ersten Optikelementes 5 weist folgende Asphärenkoeeffizienten auf:
Die Lichtauskoppelfläche 10 des zweiten Optikelementes 6 weist folgende Asphärenkoeeffizienten auf:
Durch die Ausgestaltung der optisch wirksamen Flächen 7, 8, 9, 10 des ersten Optikelementes 5 bzw. des zweiten Optikelementes 6 werden Lichtbilder bzw. Lichtflecken 17 mit einem relativ genauen und definierten Bereich erzeugt, so dass die LED-Chips 1 präzise nach Unendlich abgebildet werden. Sofern zwischen den Lichtflecken 17 Lücken in der Lichtverteilung L wahrnehmbar sind, können diese durch isotropes Aufweiten der Lichtverteilung L geschlossen werden. Zum isotropen Aufweiten sind die Parameter der entsprechenden oben beschriebenen optisch wirksamen Flächen entsprechend modifiziert.By designing the optically
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- LED-LichtquellenLED light sources
- 22
- LED-FeldLED field
- 33
- OptikeinheitOptical unit
- 44
- LichtabstrahlrichtungLight emission direction
- 55
- erstes Optikelementfirst optical element
- 66
- zweite Optikelementsecond optical element
- 77
- LichteinkoppelflächeLight coupling surface
- 88th
- LichteinkoppelflächeLight coupling surface
- 99
- LichtauskoppelflächeLight output surface
- 1010
- LichtauskoppelflächeLight output surface
- 1111
- Kreisausschnittsegmente / KreisringausschnittsegmenteCircular cutout segments / circular ring cutout segments
- 1212
- Kreisausschnittsegmente / KreisringausschnittsegmenteCircular cutout segments / circular ring cutout segments
- 1313
- optische Achseoptical axis
- 1414
- AnsteuereinheitControl unit
- 1515
- vertikale Rändervertical margins
- 1616
- horizontale Ränderhorizontal margins
- 1717
- LichtfleckenLight spots
- 1818
- DetektiermittelDetection agents
- 1919
- BeleuchtungsbereichLighting area
- 2020
- EntblendungsbereichGlare control range
- HH
- HauptstrahlbündelMain beam
- RR
- RandstrahlbündelEdge beam bundle
- SS
- SpalteSplit
- ZZ
- ZeileLine
- LL
- FernlichtverteilungHigh beam distribution
- d1d1
- Dicke des ersten OptikelementesThickness of the first optical element
- d2d2
- Dicke des zweiten OptikelementesThickness of the second optical element
Claims (8)
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