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Hansen, Julien

Remote-Laser-Lichtquelle für ein hochaufgelöstes Scheinwerfersystem

ISBN 978-3-7983-3082-5 (print) In Warenkorb legen

ISBN 978-3-7983-3083-2 (online) Online Lesen

XIV, 301 Seiten

Erschienen 2019

Preis: 19,50 EUR

Schriftenreihe des Fachgebietes Lichttechnik (Band 14) (Institut für Energie- und Automatisierungstechnik)

Abstract (Deutsch)

Der Bauraum im automobilen Scheinwerfer ist stark begrenzt. Daher wäre eine Entkopplung und Zentralisierung der Lichtquelleneinheit vorteilhaft. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Eigenschaften von Laserstrahlung zu nutzen, um eine effiziente Entkopplung der Lichtquelle vom hochaufgelösten Scheinwerfersystem mit Hilfe von Glasfasertechnologie zu realisieren. Für die Umsetzung dieser Remote-Laser-Lichtquelle werden zwei Ansätze geprüft, welche, aufgrund ihres aktuellen Forschungsstandes, eine unterschiedliche Eignung für eine Anwendung im automobilen Scheinwerfer aufweisen.
Zunächst wird ein Pr:YLF Festkörperlaser entwickelt, welcher aus einem einzigen Resonatoraufbau simultan die drei spektralen Komponenten Rot, Grün und Blau emittiert, um ein im automobilen Scheinwerfer zulässiges ECE-Weiß additiv mischen zu können. Hierbei wird der blaue Spektralanteil durch die restliche, nicht absorbierte Pumpstrahlung bereitgestellt. Zur simultanen stimulierten Emission der roten und grünen Spektrallinie wird ein Zweifach-Resonator aufgebaut, welcher die Strahlengänge beider Wellenlängenbereiche mittels eines Strahlteilerspiegels trennt. Durch die Induzierung von Verlusten für den roten Wellenlängenbereich, wird die Verstärkung beider Emissionslinien angeglichen, bis eine zeitgleiche Emission von Rot und Grün einsetzt. Es zeigt sich ein starkes Konkurrenzverhalten der beiden Verstärkungen, sodass die simultane Emission zeitlich auf wenige Sekunden begrenzt ist. Die Lösung hierfür liegt in einer Pulsung der Pumplichtquelle, wodurch eine stabilisierte Emission von Rot und Grün aus einem Resonator erfolgt.
Bei einem weiteren Ansatz werden rote, grüne und blaue Laserdioden in einen Nx1 Faserkoppler eingespeist. Hierbei werden N Eingangsfasern zu einer einzelnen Ausgangsfaser kombiniert, an welcher am Faserende bereits durch additive Farbmischung mit einem entsprechenden Mischungsverhältnis ein weißer Farbeindruck entsteht. Es werden zwei Generationen dieser Remote-Laser-Lichtquelle vorgestellt, wobei das Initialsystem einen Lichtstrom von 1429 lm am Faserende zur Verfügung stellt und eine zweite Generation Lichtstrom von 13880 lm am Faserende emittieren kann. Um diese Lichtquelle in einem hochaufgelösten Scheinwerfersystem nutzen zu können, wird die austretende Laserstrahlung mit Hilfe eines Beleuchtungspfades auf Basis von zylindrischen Mikrolinsen-Arrays auf einem DMD-Chip abgebildet. In einer Weiterentwicklung kann dieser Beleuchtungspfad mit Hilfe eines Freiform-Facetten-Reflektors auf eine einzelne Grenzfläche reduziert werden.
Zusammenfassend zeigt sich eine Umsetzbarkeit des polychromatischen Festkörperlasers. Der emittierte Strahlungsfluss der jeweiligen Emissionslinien reicht für eine Beleuchtungsanwendung jedoch nicht aus, sodass bei diesem Ansatz ein hoher Entwicklungsaufwand bis zur Anwendbarkeit im Automobil benötigt wird. Für den zweiten Ansatz zeigt sich eine Eignung zur Verwendung in einem hochaufgelösten Scheinwerfer. Durch den hohen zur Verfügung stehenden Lichtstrom ergibt sich die Möglichkeit einer Vergrößerung des Ausleuchtbereiches auf der Straße im Vergleich zu heutigen DMD-Scheinwerfersystemen. Somit bietet diese Lichtquelle im Automobil das Potenzial, alle Lichtfunktionen adaptiv an die Fahrsituation aus einem einzelnen Modul zu realisieren.

Abstract (Englisch)

The available constuctional space for automotive headlamps is limited. Therefore it would be beneficial to have a decoupled and centralized light source. The aim of this work was to use the advantages of laser radiation, in order to realize an efficient separation of the light source from the high resolution head lamp system using glass fibers. There are two approaches to realize the Remote-Laser-Light Source, which show a different suitability for an implementation in headlamps due to their current state of research.
In the first approach a Pr:YLF solid state laser was developed, which emits the three primary colors red, green and blue out of one resonator setup, in order to generate a permitted white light for automotive headlamps by additive color mixing. The blue spectral component is provided by the non-absorbed pump light. A two-in-one resonator is built up for the simultaneous stimulated emission of red and green, which separates the both beam paths using a beam splitting mirror. The gain of both emission lines gets adjusted by inducing losses to the red wavelength region until a simultaneous emission of red and green starts. Both stimulated emission are showing a competitive relation, whereas this stimulated polychromatic emission is limited in time. The solution is a pulsed pump light source, which allows a stablized emission of red and green out of one resonator.
Another approach deals with red, green and blue laser diodes that are coupled into a Nx1 fiber coupling element. The N input fibers are combined to a single output fiber, where a white light impression arises for an appropriate ratio of these spectral components due to additive color mixing. Two generations of this Remote-Laser-Light Source are introduced, whereas the first setup emits a luminous flux of 1429 lm and the second setup emits up to 13880 lm at the fiber output. In order to use this light source in a high resolution headlamp system, an illumination path consisting out of cylindrical microlens-arrays is used to project the emitted laser radiation on a DMD-Chip. A further improvement is provided by using a Freeform-Facet-Reflector, by which the illumination path could be reduced to a single surface.
A proof of principle of the polychromatic solid state laser was demonstrated, with future work required for increasing the emitted radiant flux for lighting applications. A high development effort is needed for this approach in order to get applied in automotive headlamps. The second approach shows a good suitability for an application in a high resolution headlamp system. Due to the high luminous flux there is the possibility to increase the field of view on the street in comparison to current DMD-headlamp systems. Therefore this light source offers the potential to realize all light functions adaptive for any situation out of one headlamp module.

Schlagworte

Automobiler Scheinwerfer, Festkörperlaser, RGB Laserdioden, DMD-Chip, Mikrolinsen-Array, Freiform-Facetten-Reflektor,
automotive headlamp, solid-state laser, RGB laser diodes, DMD-chip, micro lens array, free-form facets reflector, polychromatische emission, polychromatic emission

Volltext online

Frei im institutionellen Repositorium der TU Berlin (Deposit Once):

https://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8345

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