DE102009020619A1

DE102009020619A1 - Beleuchtungsvorrichtung mit mehreren Leuchtdioden

Info

Publication number: DE102009020619A1
Application number: DE102009020619A
Authority: DE
Inventors: Ralf Dr. Rer. Nat. Ackermann; Manfred Dr.-Ing. Griesinger; Jörg Dr. rer. nat. Moisel
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-05-09
Filing date: 2009-05-09
Publication date: 2010-11-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung (B) mit mehreren Leuchtdioden, die ein Leuchtdiodenfeld (1) bilden, das aus wenigstens zwei Zeilen (1.1, 1.2) linear nebeneinander angeordneter Leuchtdioden gebildet ist, und mit einem Optikfeld (2), das im Strahlengang von den Leuchtdioden ausgesendeten Lichts angeordnet ist und eine Anzahl von jeweils wenigstens einer Leuchtdiode zugeordneten optischen Abbildungselementen (6.1, 6.2) aufweist. Dabei weist eine erste Zeile (1.1) des Leuchtdiodenfeldes (1) lichtstärkere Leuchtdioden auf als wenigstens eine zweite Zeile (1.2) und diesen Leuchtdioden sind erste optische Abbildungselemente (6.1) zugeordnet, die andere optische Abbildungseigenschaften aufweisen als zweite optische Abbildungselemente (6.2), die den Leuchtdioden der wenigstens einen zweiten Zeile (1.2) des Leuchtdiodenfeldes (1) zugeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung mit mehreren Leuchtdioden, insbesondere zur Verwendung als Lichtquellenmodul in einem Fahrzeugscheinwerfer.
Leuchtdioden, auch Lumineszenzdioden oder abgekürzt LEDs (= light emitting diodes) genannt, werden zunehmend für Beleuchtungsvorrichtungen verwendet.
Eine derartige Beleuchtungsvorrichtung ist beispielsweise aus der unveröffentlichten Schrift DE 10 2008 013 603.4 bekannt. Dort wird ein Lichtmodul für eine Beleuchtungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs mit mehreren matrixartig angeordneten Halbleiterlichtquellen vorgeschlagen. Im Strahlengang des von den Halbleiterlichtquellen ausgesandten Lichts ist eine Projektionslinsenanordnung angeordnet, die das Licht zur Erzielung einer gewünschten Lichtverteilung auf eine Fahrbahn vor dem Kraftfahrzeug projiziert. Das Lichtmodul im Strahlengang zwischen den Halbleiterlichtquellen und der Projektionslinsenanordnung weist ein Optikarray mit mehreren matrixartig angeordneten optischen Elementen auf, das von den Halbleiterlichtquellen ausgesandtes Licht in der Weise beeinflusst, dass sich in Lichtaustrittsrichtung nach der Projektionslinsenanordnung eine homogenisierte Lichtverteilung ergibt.
Eine ähnliche Beleuchtungsvorrichtung ist aus der unveröffentlichten Schrift DE 10 2008 044 967.9-54 bekannt. Die Beleuchtungsvorrichtung umfasst mehrere Halbleiterlichtquellen, die ein Lichtquellenfeld bilden, das aus mehreren Zeilen linear nebeneinander angeordneter Halbleiterlichtquellen gebildet ist. Im Strahlengang des von den Halbleiterlichtquellen ausgesandten Lichts ist ein Optikfeld mit mehreren matrixartig angeordneten optischen Abbildungselementen angeordnet. Die optischen Abbildungselemente weisen im Wesentlichen einen viereckigen Querschnitt auf und vertikale Seitenwände von optischen Abbildungselementen mindestens einer der Zeilen sind geneigt.
Aus der unveröffentlichten Schrift DE 10 2008044968.7-54 ist eine Beleuchtungsvorrichtung bekannt, die mehrere auf einer Leuchtfläche angeordnete Lichtquellen umfasst, von denen wenigstens ein Teil Leuchtdioden sind, die ein Leuchtdiodenfeld bilden, das aus mehreren Zeilen linear nebeneinander angeordneter Leuchtdioden besteht. Dabei ist ein Abstand benachbarter Lichtquellen in wenigstens einem Randbereich der Leuchtfläche größer als in einem Zentralbereich der Leuchtfläche.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte, insbesondere vereinfachte Beleuchtungsvorrichtung mit Leuchtdioden als Lichtquellen anzugeben, die sich insbesondere als Lichtquellenmodul in einem Fahrzeugscheinwerfer eignet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Beleuchtungsvorrichtung gelöst, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung weist mehrere Leuchtdioden auf, die ein Leuchtdiodenfeld bilden, das aus wenigstens zwei Zeilen linear nebeneinander angeordneter Leuchtdioden gebildet ist. Ferner weist die Beleuchtungsvorrichtung ein Optikfeld auf, das im Strahlengang von den Leuchtdioden ausgesendeten Lichts angeordnet ist und eine Anzahl von jeweils wenigstens einer Leuchtdiode zugeordneten optischen Abbildungselementen aufweist. Dabei weist eine erste Zeile des Leuchtdiodenfeldes lichtstärkere Leuchtdioden auf als wenigstens eine zweite Zeile und diesen Leuchtdioden sind erste optische Abbildungselemente zugeordnet, die andere optische Abbildungseigenschaften aufweisen als zweite optische Abbildungselemente, die den Leuchtdioden der wenigstens einen zweiten Zeile zugeordnet sind.
Dadurch, dass die erste Zeile des Leuchtdiodenfeldes lichtstärkere Leuchtdioden als die wenigstens eine zweite Zeile aufweist und diesen lichtstärkeren Leuchtdioden optische Abbildungselemente mit anderen Abbildungseigenschaften als den Leuchtdioden der wenigstens einen zweiten Zeile zugeordnet sind, können die Leuchtdioden der ersten Zeile mehrere Leuchtdiodenzeilen von aus dem Stand bekannten Leuchtdiodenfeldern ersetzen. Dadurch kann gegenüber dem Stand der Technik sowohl die Gesamtanzahl der Leuchtdioden als auch die Anzahl der Zeilen des Leuchtdiodenfeldes reduziert werden.
Dies senkt vorteilhaft den für den Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung erforderlichen Energiebedarf und reduziert andererseits die Größe und damit den Bauraumbedarf und das Gewicht der Beleuchtungsvorrichtung. Außerdem werden die Herstellungskosten der Beleuchtungsvorrichtung vorteilhaft gesenkt. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung ist die Reduzierung der Komplexität der elektronischen Ansteuerung, da die kleinere Anzahl von Leuchtdioden auch die Anzahl von Kanälen zur Ansteuerung der einzelnen Leuchtdioden entsprechend reduziert.
Insgesamt vereinfacht die Erfindung aus dem Stand der Technik bekannte Beleuchtungsvorrichtungen erheblich, was sich vorteilhaft auf die Größe, das Gewicht, die Komplexität, den Energiebedarf und die Herstellungskosten der Beleuchtungsvorrichtung auswirkt.
Durch diese Vorteile eignet sich die Beleuchtungsvorrichtung insbesondere zu ihrer erfindungsgemäß vorgesehenen Verwendung als Lichtquellenmodul in einem Fahrzeugscheinwerfer, da in Fahrzeugen die Reduzierung von Größe, Gewicht und Energiebedarf von Bauteilen besonders vorteilhaft ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben.
Dabei zeigen:
1 eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem Leuchtdiodenfeld, einem diesem im Strahlengang nachgeordneten Optikfeld und einer Projektionslinsenanordnung in einer perspektivischen Darstellung,
2 Pixel eines Optikfeldes in einer Draufsicht,
3 Pixel eines Optikfeldes einer aus dem Stand bekannten Beleuchtungsvorrichtung in einer Draufsicht, und
4 schematisch einen Längsschnitt durch ein Optikfeld und ein Leuchtdiodenfeld.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt die wesentlichen Komponenten einer Beleuchtungsvorrichtung B mit einem Leuchtdiodenfeld 1, dem im Strahlengang ein Optikfeld 2 und eine Projektionslinsenanordnung 4 nachgeordnet sind. Die Beleuchtungsvorrichtung B ist insbesondere zur Verwendung in einem Fahrzeugscheinwerfer vorgesehen.
Das Leuchtdiodenfeld 1 ist von zwei Zeilen (1.1, 1.2) linear nebeneinander angeordneter Leuchtdioden gebildet. Die Leuchtdioden sind üblicherweise auf einem in 1 nicht dargestellten Trägerelement 3, z. B. einer Leitplatte oder gemeinsamen Platine, angeordnet und elektrisch kontaktiert. Dabei sind die Leuchtdioden des Leuchtdiodenfeldes 1 vorzugsweise einzeln oder in Gruppen ansteuerbar, d. h. an- und ausschaltbar und/oder dimmbar.
Das Optikfeld 2 ist aus einer Anzahl von parallel über- und/oder nebeneinander, insbesondere matrixartig angeordneten optischen Abbildungselementen 6.1, 6.2 gebildet. In diesem Ausführungsbeispiel ist jeweils einer Leuchtdiode einer oberen, ersten Zeile 1.1 des Leuchtdiodenfeldes 1 ein erstes optisches Abbildungselement 6.1 einer oberen, ersten Zeile des Optikfeldes 2 und jeweils einer Leuchtdiode der unteren, zweiten Zeile 1.2 des Leuchtdiodenfeldes 1 ein zweites optisches Abbildungselement 6.2 einer unteren, zweiten Zeile des Optikfeldes 2 zugeordnet. In alternativen Ausführungsbeispielen kann auch mehreren Leuchtdioden des Leuchtdiodenfelds 1 ein einziges optisches Abbildungselement 6.1, 6.2 des Optikfeldes 2 zugeordnet sein.
Das Optikfeld 2 ist bevorzugt als eine Baueinheit aus einem Formteil, insbesondere einem Kunststoffformteil, bevorzugt einem Spritzgussteil, gebildet. Auch kann das Optikfeld 2 modular aufgebaut sein. Das heißt beispielsweise, dass mehrere optische Abbildungselemente 6.1, 6.2 eine Gruppe und ein Teilmodul bilden, das separat gefertigt und somit vorgefertigt werden kann, wobei das Optikfeld 2 dann aus einer Anzahl von Teilmodulen von mehreren Abbildungselementen 6.1, 6.2 zusammengesetzt ist. Bevorzugt sind alle optische Abbildungselemente 6.1, 6.2 zu einem einzigen Modul zusammengefasst.
Die optischen Abbildungselemente 6.1, 6.2 sind beispielsweise als Reflektoren ausgebildet. Auch können an Lichtaustrittsflächen der optischen Abbildungselemente 6.1, 6.2 zusätzliche optische Elemente, z. B. optische Linsen, Filter oder Designelemente, angeordnet sein.
Die optischen Abbildungselemente 6.1, 6.2 sind dabei derart ausgebildet, dass sie über eine Lichteintrittsfläche das gesamte oder zumindest einen Großteil des von der jeweils zugeordneten Leuchtdiode ausgesendeten Lichts aufnimmt und über eine gegenüber der Lichteintrittsfläche größere Lichtaustrittsfläche ausstrahlt. Dazu sind die optischen Abbildungselemente 6.1, 6.2 jeweils konusförmig ausgebildet und bündeln von der jeweiligen Leuchtdiode ausgesendetes Licht zu einem Lichtbündel, das an der Lichtaustrittsfläche austritt.
Die Lichtaustrittsflächen der optischen Abbildungselemente 6.1, 6.2 weisen vorzugsweise eine viereckige Querschnittsform, die im folgenden auch als Pixel bezeichnet wird, auf und grenzen auch bei variierenden Abständen der Lichteintrittsflächen der optischen Abbildungselemente 6.1, 6.2 seitlich unmittelbar aneinander an, so dass die Lichtaustrittsflächen des gesamten Optikfeldes 2 eine einheitliche, geometrisch strukturierte Oberfläche bilden.
Zweckmäßigerweise entsprechen die Außenform und/oder der Außenumfang des Optikfeldes 2 der Außenform und/oder dem Außenumfang des Leuchtdiodenfeldes 1. Insbesondere entspricht die Außenform und/oder der Außenumfang des Optikfeldes 2 der Außenform und/oder dem Außenumfang des Trägerelements 3 für das Leuchtdiodenfeld 1.
Die dem Optikfeld 2 nachgeordnete Projektionslinsenanordnung 4 projiziert die vom Optikfeld 2 geformten Lichtbündel der optischen Abbildungselemente 6.1, 6.2 zur Erzeugung einer gewünschten Lichtverteilung bei Verwendung in einem Kraftfahrzeugscheinwerfer auf eine Fahrbahn vor dem Kraftfahrzeug. Die Projektionslinsenanordnung 4 kann als eine einzelne Linse ausgebildet sein oder aus mehreren Linsenelementen zusammengesetzt sein.
Erfindungsgemäß weist die erste Zeile 1.1 des Leuchtdiodenfeldes 1 lichtstärkere Leuchtdioden als die zweite Zeile 1.2 auf. Ferner weisen die diesen Leuchtdioden zugeordneten ersten optischen Abbildungselemente 6.1 andere optische Abbildungseigenschaften auf als die zweiten optischen Abbildungselemente 6.2, so dass die ersten optischen Abbildungselemente 6.1 von den ihnen zugeordneten Leuchtdioden ausgesendetes Licht jeweils in einen größeren Raumwinkel verteilen und/oder ein Lichtbündel einer größeren Ausdehnung in einer zur Ausbreitungsrichtung 5 des Lichts senkrecht stehenden Ebene erzeugen als die zweiten optischen Abbildungselemente 6.2.
Dadurch kann durch die ersten optischen Abbildungselemente 6.1 jeweils ein größerer Bereich ausgeleuchtet werden als durch die zweiten optischen Abbildungselemente 6.2.
Bei einer Verwendung der Beleuchtungsvorrichtung B in einem Fahrzeugscheinwerfer sind die optischen Abbildungselemente 6.1, 6.2 und die Projektionslinsenanordnung 4 ferner vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Lichtintensität des von der Beleuchtungsvorrichtung B ausgesendeten Lichts in einem oberen und einem unteren Randbereich des Raumwinkelbereichs, in den das Licht ausgesendet wird, relativ sanft abnimmt, und im Stossbereich der optischen Abbildungselemente 6.1, 6.2 jedoch gleiche Lichtintensitäten vorherrschen.
2 zeigt eine Draufsicht auf die Pixel des Optikfeldes 2, d. h. auf die Lichtaustrittsflächen der optischen Abbildungselemente 6.1, 6.2. Hinter jedem Pixel ist jeweils eine Leuchtdiode des Leuchtdiodenfeldes 1 angeordnet.
Die Pixel der ersten Zeile des Optikfeldes 2 sind rechteckig ausgebildet, wobei ihre Höhe ihre Breite deutlich übertrifft. Demgegenüber sind die Pixel der zweiten Zeile nahezu quadratisch ausgebildet. Die zweite Zeile weist außerdem mehr Pixel als die erste Zeile auf.
3 zeigt zum Vergleich Pixel eines Optikfeldes einer aus dem Stand der Technik bekannten Beleuchtungsvorrichtung, ebenfalls zur Verwendung in einem Fahrzeugscheinwerfer. Im Unterschied zum in 2 dargestellten Optikfeld 2 sind die Pixel in vier Zeilen angeordnet, wobei die beiden oberen Zeilen weniger Pixel als die beiden unteren Zeilen aufweisen. Auch in diesem Fall ist jeder Pixel jeweils einer Leuchtdiode eines hinter dem Optikfeld angeordneten Leuchtdiodenfeldes zugeordnet, wobei jedoch alle Leuchtdioden eine gleiche Lichtstärke aufweisen. Problematisch in diesem Stand der Technik ist der unterschiedliche Abstand der Leuchtdioden, welches üblicherweise zu einer aufwändigen Montage führt und der bei der vorliegenden Erfindung vermieden wird.
Die horizontale Ausdehnung der Pixel und damit der horizontale Abstand der Leuchtdioden nimmt in Endbereichen der Zeilen zu. Die vertikale Ausdehnung der Pixel und damit der vertikale Abstand der Leuchtdioden nimmt von unten nach oben zu.
Im Vergleich zu dem in 3 dargestellten Optikfeld weist das in den 1 und 2 dargestellte Optikfeld 2 einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung B eine deutlich geringere Anzahl von Leuchtdioden und damit eine deutlich vereinfachte Bauform mit den oben bereits genannten Vorteilen, insbesondere bei der Verwendung in einem Fahrzeugscheinwerfer, auf. Diese Vereinfachung wird durch die erhöhte Lichtstärke der Leuchtdioden der ersten Zeile 1.1 des Leuchtdiodenfeldes 1 und die unterschiedlichen Abbildungseigenschaften der optischen Abbildungselemente 6.1, 6.2 erreicht, die es insbesondere ermöglichen, die drei oberen Zeilen des in 3 dargestellten Optikfeldes und die drei oberen Zeilen des entsprechenden Leuchtdiodenfeldes jeweils durch die erste Zeile des Optikfeldes 2 bzw. die erste Zeile 1.1 des Leuchtdiodenfeldes 1 zu ersetzen.
Eine Weitergestaltung des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels der Erfindung sieht vor, die horizontalen Ausdehnungen der Pixel in Endbereichen der ersten und zweiten Zeile des Optikfeldes 2 und entsprechend die horizontalen Abstände der Leuchtdioden in Endbereichen der beiden Zeilen (1.1, 1.2) des Leuchtdiodenfeldes 1 analog zu dem in 1 dargestellten Optikfeld gegenüber dem Mittelbereich zu erhöhen und dabei die Leuchtdiodenanzahl vorteilhaft weiter zu reduzieren.
Alternativ oder zusätzlich können die vertikalen Ausdehnungen (Höhen) der Pixel in einem Endbereich oder in beiden Endbereichen der ersten Zeile des Optikfeldes 2 geringer sein als in einem Mittelbereich. Insbesondere können die vertikalen Ausdehnungen der Pixel von einem Endbereich oder von beiden Endbereichen der ersten Zeile des Optikfeldes 2 zu dem Mittelbereich hin zunehmen.
4 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch ein Optikfeld 2 und ein Leuchtdiodenfeld 1 mit einem Trägerelement 3 für die Leuchtdioden. Die optischen Abbildungselemente 6.1, 6.2 sind jeweils konusförmig als Reflektoren ausgebildet, deren Innenoberflächen von den Leuchtdioden ausgesendetes Licht reflektieren, wie beispielhaft für einige Lichtstrahlen 7 gezeigt ist.
Dabei sind die ersten optischen Abbildungselemente 6.1 asymmetrisch mit einer nach oben aufgeweiteten Öffnung ausgebildet. Dies ermöglicht vorteilhaft die oben beschriebenen Abbildungseigenschaften der optischen Abbildungselemente 6.1, 6.2 bei einer Anordnung der Leuchtdioden auf einem ebenen Trägerelement 3.

1: Leuchtdiodenfeld
1.1: erste Zeile eines Leuchtdiodenfeldes
1.2: zweite Zeile eines Leuchtdiodenfeldes
2: Optikfeld
3: Trägerelement
4: Projektionslinsenanordnung
5: Ausbreitungsrichtung
6.1: erstes optisches Abbildungselement
6.2: zweites optisches Abbildungselement
7: Lichtstrahl
B: Beleuchtungsvorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102008013603 [0003]
- DE 102008044967 [0004]
- DE 10 2008044968 [0005]

Claims

Beleuchtungsvorrichtung (B) mit mehreren Leuchtdioden, die ein Leuchtdiodenfeld (1) bilden, das aus wenigstens zwei Zeilen (1.1, 1.2) linear nebeneinander angeordneter Leuchtdioden gebildet ist, und mit einem Optikfeld (2), das im Strahlengang von den Leuchtdioden ausgesendeten Lichts angeordnet ist und eine Anzahl von jeweils wenigstens einer Leuchtdiode zugeordneten optischen Abbildungselementen (6.1, 6.2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Zeile (1.1) des Leuchtdiodenfeldes (1) lichtstärkere Leuchtdioden aufweist als wenigstens eine zweite Zeile (1.2) und dass den Leuchtdioden der ersten Zeile (1.1) erste optische Abbildungselemente (6.1) zugeordnet sind, die andere optische Abbildungseigenschaften aufweisen als zweite optische Abbildungselemente (6.2), die den Leuchtdioden der wenigstens einen zweiten Zeile (1.2) des Leuchtdiodenfeldes (1) zugeordnet sind.
Beleuchtungsvorrichtung (B) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zeile (1.1) eine obere Zeile des Leuchtdiodenfeldes (1) ist.
Beleuchtungsvorrichtung (B) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zeile (1.1) weniger Leuchtdioden aufweist als die wenigstens eine zweite Zeile (1.2) des Leuchtdiodenfeldes (1).
Beleuchtungsvorrichtung (B) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände der Leuchtdioden in der ersten Zeile (1.1) und/oder in der wenigstens einen zweiten Zeile (1.2) des Leuchtdiodenfeldes (1) in wenigstens einem Endbereich der jeweiligen Zeile (1.1, 1.2) größer sind als in einem Mittelbereich.
Beleuchtungsvorrichtung (B) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten optischen Abbildungselemente (6.1) Licht der Leuchtdioden, denen sie jeweils zugeordnet sind, in einen größeren Raumwinkel verteilen als die zweiten optischen Abbildungselemente (6.2).
Beleuchtungsvorrichtung (B) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Lichtaustrittsflächen erster optischer Abbildungselemente (6.1), die Leuchtdioden in einem Endbereich der ersten Zeile (1.1) des Leuchtdiodenfeldes (1) zugeordnet sind, kleiner sind als Lichtaustrittsflächen erster optischer Abbildungselemente (6.1), die Leuchtdioden in einem Mittelbereich der ersten Zeile (1.1) des Leuchtdiodenfeldes (1) zugeordnet sind.
Verwendung einer Beleuchtungsvorrichtung (B) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche als Lichtquellenmodul in einem Fahrzeugscheinwerfer.