Weiße High-Power-Leuchtdioden (High-Power-LEDs) sind in vielen Bereichen des Alltags auf dem Vormarsch und setzen sich gegenüber Halogenlampen oder Leuchtstoffröhren zunehmend durch. Dank typischer Vorteile wie Robustheit, Lebensdauer, Niedervolt-Energieversorgung, zunehmender Effizienz und Farbqualität sind LED-Scheinwerfer in den letzten Jahren ein besonders interessantes Thema geworden. Ausnahmslos beschäftigen sich Automobilzulieferer mit der Entwicklung von LED-Scheinwerfern (LED-SW) zur Serienreife und kündigen für 2007 bis 2009 diverse Produkte an.

Im Vergleich zu anderen gebräuchlichen Lichtquellen, verfügen LEDs über eine geringere Leuchtdichte. Maßnahmen zur Erzeugung höherer Beleuchtungsstärken auf der ausgeleuchteten Straßenoberfläche müssen getroffen werden. Grundsätzlich wird diese Problematik durch Mehrfachüberlagerung von Lichtverteilungsmuster, die durch einzelne „blasserer" Quellen generiert werden. Das treibt die Anzahl der erforderlichen LEDs, die Komplexität der Anordnung und ihre Herstellungskosten in die Höhe. Folglich besteht eine zentrale Frage neuartiger optischen Ansätze in der Erhöhung der Auskoppeleffizienz, damit der LED-Anzahl und der Struktur-Komplexität entgegengewirkt werden kann. Gleichzeitig zielt man aber auch auf eine homogenere streifenfreie Lichtverteilung mit ausgeprägtem Hot-Spot und ausreichender Breitenausleuchtung ab, die mit dem heutigen Stand der Technik mithalten und eventuell übertreffen können. Höhere Effizienz und eine niedrigere LED-Anzahl pro SW können die SW-Raumansprüche senken, womit dem Fahrzeug-Design neue Freiheitsgrade geboten werden.

Der aktuelle Stand der Technik wird durch moderne (Bi)Xenon-Scheinwerfer mit ausgeformtem Z-förmigen Hell-Dunkel-Grenze (Cut-Off mit Z-Shape) markiert. Eine Z-Shape-Verteilung nach ECE R98, in Unterschied zu einer Verteilung mit ausgeprägtem 15°-Anstieg nach ECE R11 ermöglicht eine höhere Reichweite und bessere Ausleuchtung des rechten Fahrbahnrandes.

Optisch gesehen stellt eine moderne Xenon-Gasentladungs-Lampe eine vorteilhafte Lichtquelle mit kleinen äußeren Abmaßen, hoher Leuchtdichte und hohen Lichtstroms z.B. 3000[lm] dar. Der hohe Lichtstrom macht energetisch ineffiziente Blenden-basierte Ansätze möglich, z.B.: Bi-Xenon-Scheinwerfer im Abblendlicht-Modus. In typischen Scheinwerfer-Projektionssystemen wird die Objektumgebung durch Reflektoren, Konzentratoren und entsprechend geformte Blenden gebildet. Die Blenden absorbieren und/oder blockieren das Licht, so dass ein Großteil des generierten Lichtflusses die Fahrbahn nicht erreicht. Typischerweise werden ca. 35% des emittierten Lichts zur Ausleuchtung der Fahrbahn benutzt.

Im Falle von LED-Scheinwerfern wäre eine solche niedrige Effizient inakzeptabel, da man eine unpraktisch hohe Anzahl von LEDs für einen Scheinwerfer zur Verfügung stellen muss, z.B. mindestens 30 LEDs mit einem Lichtstrom von je 100[lm] pro LED um die 3000[lm] einer Xenon-Quelle zu erreichen. Kraftfahrzeughersteller suchen deshalb nach effizienteren Lösungen.

Auf der anderen Seite wird auch nach Wegen gesucht, die relativ hohe Zündspannung geläufiger Xenon-Scheinwerfer im Fahrzeug zu vermeiden und Energieverbrauch, sowie Temperaturbelastung der unmittelbaren Umgebung zu reduzieren. LEDs bieten hier als Lichtquelle eine ernsthafte Alternative an.

LED-Scheinwerfer werden voraussichtlich nach ECE R112 bewertet, jedoch, um sich gegenüber Xenon-Scheinwerfer durchzusetzen, gilt es, mindestens eine vergleichbar gute Lichtverteilung zu realisieren, wobei, wie schon unterstrichen, deutlich höhere Effizienz und Homogenität eine entscheidende Rolle spielen werden.

Ein Lösungsweg ist also über parallele 2D-Projektionen mittels mehrerer modulartig aufgebauten Strahlengänge möglich. Nach dem Superpositions-Prinzip werden die einzelnen Bündel-Lichtstärken aufaddiert, so dass die erforderlichen Beleuchtungsstärkewerte auf der Fahrbahn erreicht werden. Dabei gilt es, nicht den LED-Chip selbst, sondern wie aus einem Dia-Projektionssystem bekannt, eine Objektumgebung geeigneter Lichtintensitätskonzentration und mit ausgeformten Cut-Off bzw. Z-Shape in die Betrachtungsebene (Fahrbahn) abzubilden. Wie mehrfach betont, handelt es sich dabei oft um absorbierende oder blockierende Blenden.

Im Gegensatz dazu beschreibt die vorliegende Erfindung einen Ansatz, der eine speziell geformte Objektumgebung definiert, die das Licht nicht einfach stoppt, sondern über Umlenkung auf verschiedene abbildenden optischen Elemente, die erforderliche Objektumgebung nachstellt und auf die Fahrbahn projizieren. Somit wird ein größerer Anteil (über 55%) des ursprünglichen LED-Lichtflusses unter Einhaltung der geforderten Lichtverteilung und Homogenität, bei ausgeprägtem Hot-Spot, Z-Shape und Cut-Off ECE-R98-konform ausgekoppelt und verteilt.

Da es sich um mehrere einzelne Strahlengänge handelt, müssen diese aufeinander abgestimmt werden, damit die Ausleuchtungskanten-Schärfe in den geforderten Bereichen eingehalten werden kann. Man nutzt gezielt eine Bündel-Divergenz, um eine bessere Breitenausleuchtung und Homogenität zu erreichen.

Das System baut auf ein gemischtes jedoch zusammenhängendes 1D- und 2D-Abbildungs- bzw. Projektionsprinzip auf. Es hat einen teilmodularen Charakter, so dass nach dem Superpositionsprinzip mehrere Primär-Teillinsen über gemeinsame Sekundär-Teillinsen zur Grundverteilung beitragen und die Hot-Spot-Bildung durch einzelne Primär- und Sekundär-Teillinsen stattfindet.

Die Grundverteilung wird über 1D-Projektion durch obere und untere Teilbündel realisiert. Im unteren Strahlengang wird eine zweifache Abbildung über einen Spiegel und über eine Sekundärlinse höhenvertauscht realisiert. Der obere und der untere Strahlengang erzeugen zwei sich überlagernde Abbildungen.

Die Z-Shape- und Hot-Spot-Bildung wird durch mehrfache 2D-Projektion erreicht. Auch hier existieren grundsätzlich obere und untere Strahlengänge, wobei in den unteren ebenfalls eine Bildumkehrung über Spiegel oder Dove-Prismen vorgenommen wird.

Die Z-Shape-formende Objektumgebung wird Y-förmig in mehrere Segmente geteilt. Dabei werden ein oberes, ein unteres vertikal zu spiegelndes, und ein Rest-Segment gebildet. Das Rest-Segment wird horizontal über einen Spiegel oder ein Dove-Prisma umkehrt und geeignet projiziert.

Ausführungsbeispiele werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigt

1a und b schematisch einen LED mit Kondensor-Linse

2 Anordnung mit Primärlinse

3 schematisch den Verlauf unterschiedlicher Lichtbündel

4 Strahlengänge

5 Verschiebung des Z-Shape-Keil

6: Aufbau eines Scheinwerfers mit Linsensegmenten

7 Einfach segmentierte Sekundärlinsen

8 Ausführungsbeispiel mit Dove-Prismen

Eine engwinkelige Quelle wäre prinzipiell von Vorteil. Jedoch sind einige gegenwärtige High-Power-LEDS, die bereits einen Lichtstrom in der Größenordnung von 50lm bis 75lm und in naher Zukunft mehr als 125lm pro LED liefern sollen, recht weit-winkelig in ihrer Abstrahlung. Eine kugelförmige Dom-Linse mit einem Radius von z.B. 2,8mm ist über den Chip platziert. Diese setzt die absolute Lichtausbeute höher, erschwert aber die effektive Ausnutzung der Lichtquellen-Apertur.

In 1a und b kommt eine Kondensor-Linse CL, zum Einsatz. Da diese Linse CL die seitlichen Anteile geometrisch und optisch nicht bündeln kann, wird zusätzlich ein Totale-Interne-Reflektion- Reflektor TIR – in 1 als Drahtmodell dargestellt – seitlich um die CL aufgebaut und mit ihr verschmolzen. Somit sammelt die Kombination aus TIR-Reflektor und refraktivem Kondensor CL einen Großteil des abgestrahlten LED-Lichtflusses ein. Lediglich Fresnel-Reflektionen und Streulicht reduzieren die optische Effizienz.

Der Lichtfluss wird auf eine so genannte Primärlinse PL wie in 2 dargestellt, gerichtet.

Die PL hat die Aufgabe, die auf sie auftreffenden Bündel zu teilen und als Z-shape-formendes Objekt zu dienen. Dazu dient eine keilförmige Struktur ZK. Gleichzeitig verändert die Primärlinse gezielt die Intensitätsverteilung innerhalb des aus ihr austretenden Lichtbündels. Dazu sind einen Vielzahl von Linsensegmenten PLS 1, PLS 2 ... vorhanden. Sie schafft auch die Voraussetzung für die Erzeugung des Hot-Spots (Winkelbereich hoher Lichtstärke unterhalb der Messlinie HV nach ECE R98, bzw. Ortsbereich hoher Beleuchtungsstärke auf der 25m entfernten Messwand) und des Cut-Offs (Bereich hohen Kantenkontraste).

3 zeigt schematisch den Verlauf unterschiedlicher Lichtbündel ausgehend von der LED über die Primärlinse PL auf die Sekundärlinse SL.

Der nach ECE R98 erforderliche Z-Shape soll in der Nähe des HV-Punkts und des Hot-Spots generiert werden.

Im unteren Strahlengang wird das abzubildende Object nach dem Bildumkehrprinzip mit Hilfe eines Spiegels SP, bzw. mit Dove-Prismen vertikal abgebildet und anschliessend statt eindimensional zweidimensional abgebildet. Im Resultat bedeutet das, dass sowohl horizontale Kanten, als auch geneigte Z-Shape-Kanten scharf abgebildet werden. Somit sind die Sekundärlinsen keine zylindrischen, sondern zweidimensional abbildende Asphären oder andere geeignete optische Flächen. Die Segmente der Sekundärlinse (SLS1, SLS2 ...) sind dabei mindestens einem Segment der Primärlinse zugeordnet.

4 zeigt die Strahlengänge OS und US auf. Die PL soll das von der CL kommende Licht in die Sekundärlinse SL effizient einkoppeln. Sie verteilt die einzelnen Lichtbündel auf entsprechende Teilbereiche der Sekundärlinse, wobei vermieden wird, dass Licht auf die Grenzflächen zwischen diesen Bereichen fällt, damit Streulicht effizient vermieden werden kann.

Um den Lichtstrom effektiv zu nutzen, wird die Z-Shape-Bildung nicht über absorbierende oder blockierende Blenden, sondern über optisch brechende Flächen bewerkstelligt, die ihre Lichtanteile auf extra dafür vorgesehene Teilbereiche der Sekundärlinse bündeln. Eine solche Rolle übernimmt in 3 die Y-förmige Teilfläche ZK zwischen den beiden inneren Splitterflächen in der Primärlinse.

In der Sekundärlinse werden weitere Flächen für den Z-Shape-Keil vorgesehen. Das sind die mittlere SLS3-Flächen. Die Abbildung der Z-Shape-Keile ZK muss horizontal umgekehrt werden, damit sie zur besseren Ausprägung des Z-Shapes beitragen kann.

In der sieht man die wesentlichen Unterschiede einer leicht modifizierten Primärlinse. Es handelt sich um eine Verschiebung des Z-Shape-Keils ZK.

Die dazugehörigen Sekundärlinsen werden ebenfalls modifiziert. Die optisch aktiven Flächen, ZK und SLS3 Flächen werden horizontal dezentriert, so dass die geneigten Z-Shape-Kanten der einzelnen Abbildungen sich exakt überlagern. Überlagert man nun die zwei Graustufenbilder Beleuchtungsstärkeverteilungen auf einer 25m vom Beobachter entfernten Messwand) ergibt sich eine wesentlich homogenere Verteilung wie in 7 dargestellt.

Somit hat man nun den Z-Shape generiert. Man kann eine Vielzahl solcher doppelten Module vorsehen. Denkbar es ist auch, alle beteiligten Module leicht zu modifizieren, so dass man im Endeffekt eine noch homogenere Überlappung generieren kann.

Die nächste Abbildung 6 stellt 6 Hot-Spot- und Z-Shape-Module mit Umkehrspiegel dar.

Um die Breitenausleuchtung zu gewährleisten, wird entweder auf eine symbiotische Anordnung jedoch mit TIR-Kollektoren zurückgegriffen oder auf eine radial aufgefächerte Anordnung einzelner Module.

Da die Struktur lediglich eindimensional abbilden muss, kann ihre vertikale Ausdehnung geringer gehalten werden, als die einer entsprechenden 2D-Hot-Spot und Z-Shape-Struktur. Durch die höhere Effizienz der TIR- und Kondensor basierten Einkopplung reichen weniger LEDs aus.

Überlagert man nun beide Verteilungen, die Grundverteilung und mit der Hot-Spot-Z-Shape-Verteilung, ergibt sich eine homogene Gesamtverteilung.

Eine beispielhafte Anordnung kann dabei wie in 8 dargestellt aussehen. In diesem Beispiel werden Dove-Prismen DV als Umkehroptik verwendet.

Offensichtlich ist die Lichtverteilung dieser Struktur gleichmäßig und trotz mehrfacher Projektion, sind Z-Shape, Hot-Spot und Cut-Off deutlich ausgeprägt.

Eine weitere Verbesserung auf der rechten oberen Seite des Z-Shapes kann erreicht werden, indem die Grundverteilungsmodule in zwei getrennte Modul-Gruppen aufgeteilt werden, so dass auf der linken Seite eine tiefergelegte horizontale Cut-Off-Kante erzeugt und auf der rechten – eine um etwa 1° bis 2° angehobene Cut-Off-Kante generiert wird. Damit kann die rechte Cut-Off-Kante der Hot-Spot- und Z-Shape-Veteilung nahtlos in die der angehobenen rechten Grundverteilung übergehen.

Nicht zuletzt bietet sich die Integration der Kondensorlinse mit Teilen der Primärlinse an, insbesondere des Primärlinsen-Kranzbereiches, der die TIR-Anteile umlenkt. Der innere Bereich der Primärlinse kann in diesem Fall als Einsatz in der Kondensorlinse vorgesehen werden.