DE10034484A1 - Vorrichtung zur Ausleuchtung - Google Patents

Vorrichtung zur Ausleuchtung

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Ausleuchtung vorgeschlagen, die dazu dient, Licht aus einem Lichtleiter in Abhängigkeit von Eingabesignalen oder Sensorsignalen auszukoppeln. Dazu werden elektrooptische Elemente verwendet, die auf dem Lichtleiter platziert sind. Die elektrooptischen Elemente werden von einem Prozessor gesteuert. Als elektrooptische Elemente werden PDLC verwendet. Die elektrooptischen Elemente sind mit dem Prozessor über transparente Elektroden entweder aus ITO oder leitfähigen Polymer verbunden. Damit ist eine steuerbare Ausleuchtung einer Szene möglich.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ausleuchtung nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs.
Aus US-55 81 380 ist es bereits bekannt, eine Anzeigevorrichtung vorzusehen, wobei zwischen zwei Bildelektroden ein elektrooptisches Medium eingebracht ist, das in einen transparenten- oder einen Streuzustand geschaltet werden kann. Das elektrooptische Medium liegt als Flüssigkristall vor, wobei eine Beleuchtung von der Seite vorgenommen wird. Das Licht wird unter Totalreflexion eingekoppelt, so dass erst der streuende Zustand zur Lichtauskopplung führt, weil dann keine Totalreflexion mehr vorliegt. Bei Lichtauskopplung weist das elektrooptische Medium nicht den gleichen Brechungsindex wie der Lichtleiter auf.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ausleuchtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass einzelne elektrooptische Elemente individuell mittels des Prozessors ansteuerbar sind, so dass eine adaptive Lichtverteilung möglich ist. Diese Lichtverteilung richtet sich dann nach Eingäben und Sensorwerten, so dass automatisch die Lichtverteilung nach einem Bedarf eines Nutzers und nach den vorherrschenden Umweltbedingungen optimiert wird. Vorteilhafterweise kann eine beliebige Lichtquelle verwendet werden, und Licht wird nicht unnötigerweise absorbiert. Es kommt also zu keiner Reduktion der Lichtleistung, die beispielsweise durch Blenden verursacht werden könnte.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ausleuchtung kann zur Beleuchtung von Anzeigen zur Ausleuchtung einer Szene in der Meßtechnik und der Videosensorik verwendet werden oder bei entsprechender Lichtleistung auch für Beleuchtungszwecke bei direkter visueller Betrachtung einer Szene. Hierzu kann die aus der Vorrichtung austretende Lichtverteilung über eine Optik auf eine Szene abgebildet werden.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der in dem unabhängigen Patentanspruch angegebenen Vorrichtung zur Ausleuchtung möglich.
Besonders vorteilhaft ist, dass Seiten des Lichtleiters verspiegelt sind, wobei auch eine elektrochrome Verspiegelung möglich ist, so dass ein steuerbarer Reflektor realisiert wird. Es sind dabei insbesondere solche Flächen des Lichtleiters verspiegelt, die nicht für eine Lichtauskopplung gedacht sind. Dadurch kann vorteilhafterweise Lichtaustritt durch den Prozessor geschaltet werden.
Darüber hinaus ist es von Vorteil, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Deckträger und einem Kollimator ergänzt wird, um den Lichtaustritt aus dem Lichtleiter auf die zur Ausleuchtung vorgesehenen Gegenstände oder Szene zu optimieren.
Vorteilhafterweise werden als elektrooptische Elemente polymer dispergierte Flüssigkristalle (PDLC) zur Umschaltung zwischen dem streuenden und dem transparenten Zustand verwendet. PDLC-Elemente sind leicht herstellbar - beispielsweise durch Phasenseparation bei Polymerisation eines Monomers, in dem Flüssigkeit gelöst wurde - und einfach steuerbar.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 die erfindungsgemäße Vorrichtung, Fig. 2a die erfindungsgemäße Vorrichtung mit polymer dispergierten Flüssigkristallen im transparenten Zustand und Fig. 2b die erfindungsgemäße Vorrichtung mit polymer dispergierten Flüssigkristallen im streuenden Zustand.
Beschreibung
Zur Ausleuchtung einer Szene durch die Scheinwerfer eines Kraftfahrzeugs oder zur Ausleuchtung von Anzeigen in einem Kraftfahrzeug oder zur Ausleuchtung in der Meßtechnik und insbesondere in der Videosensorik, wird eine adaptive lichtgebende Vorrichtung benötigt. Bei Kfz-Anwendungen betrifft dies insbesondere eine Kurvenfahrt, wobei dann ein besonderes Kurvenlicht von Vorteil sein kann, um die Sicherheit für den Verkehr zu erhöhen.
Erfindungsgemäß wird daher eine Vorrichtung zur Ausleuchtung vorgesehen, bei der ein Prozessor in Abhängigkeit von Eingabesignalen und/oder Sensorsignalen elektrooptische Elemente der Vorrichtung individuell entweder in einen streuenden oder in einen transparenten Zustand schaltet, um so eine Ausleuchtung gemäß den Signalen des Prozessors zu erzielen. Durch eine Verspiegelung des Lichtleiters kann einerseits Lichtverlust reduziert werden und andererseits, falls mit elektrochromen Schichten verspiegelt wird ein transparenter Zustand geschaltet werden. Durch Hinzunahme eines Deckträgers und/oder eines Kollimators für das aus dem Lichtleiter ausgekoppelte Licht, wird die Bündelung des Lichts auf die zur Ausleuchtung vorgesehenen Gegenstände verbessert. Die Verwendung von PDLC als Material für die elektrooptischen Elemente führt zu einem einfachen Aufbau und Steuerung der elektrooptischen Elemente. Die Zuleitungen können aus optisch transparenten oder reflektierenden Materialien hergestellt werden. Werden, wie für die Elementelektroden selbst, transparente Materialien wie ITO (Indium Tin Oxide = Indium-Zinn-Oxid) oder leitfähiges Polymer verwendet, so ist eine einfache Herstellung zusammen mit den elektrooptischen Elementen möglich. Die Zuleitungen sind in jedem Falle entsprechend schmal ausgeführt, da auch sie zu Lichtstreuungen und Verlusten Anlaß geben können.
In Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt. Ein Lichtleiter 1, der entweder aus Glas, Plexiglas oder Polykarbonat hergestellt ist, weist an einer Fläche elektrooptische Elemente 2 auf. Über den elektrooptischen Elementen 2 befindet sich ein weiterer Lichtleiter 19 als Deckplatte.
Es sind hier beispielhaft drei elektrooptische Elemente 2 dargestellt. Von den elektrooptischen Elementen führen interne Zuleitungen 3 zu externen Leitungen, die zu einem Schaltwerk 6 führen. Die elektrooptischen Elemente 2 weisen transparente Elektroden auf, um den ungehinderten Lichtdurchtritt durch die elektrooptischen Elemente 2 zu erlauben. Nach Lichtdurchtritt durch eine transparent geschaltete Zelle liegt daher die ursprüngliche Lichtstrahlrichtung wie vor Eintritt in die Zelle wieder vor, was gewährleistet, dass im Lichtleiter geführtes Licht weiterhin durch Totalreflexion an der Lichtleiteraussenfläche am Austritt aus dem Lichtleiter gehindert wird.
Das Schaltwerk 6 ist über seinen Dateneingang an einen Prozessor 7 angeschlossen. Der Prozessor 7 ist über einen Datenein-/-ausgang an einen Bus 14 angeschlossen. An den Bus 14 sind die Signalverarbeitungen 8, 10 und 12 und ein Speicher 23 angeschlossen. An einen Dateneingang der Signalverarbeitung 8 ist eine Eingabevorrichtung, an einen Dateneingang der Signalverarbeitung 10 sind Sensoren 11 und an einen zweiten Daten-/-ausgang der Signalverarbeitung 12 sind Aktoren 13 angeschlossen. Alle direkt an den Bus 14 angeschlossenen Komponenten weisen einen Buscontroller auf, um Daten über den Bus 14 zu übertragen.
Die Zuleitungen können aus optisch transparenten oder reflektierenden Materialien hergestellt werden. Werden - wie für die Elementelektroden selbst - transparente Materialien wie ITO (Indium Tin Oxide = Indium-Zinn-Oxid) oder leitfähiges Polymer verwendet werden, so ist eine einfache Herstellung zusammen mit den elektrooptischen Elementen möglich. Die Zuleitungen werden dabei entsprechend schmal ausgeführt, da auch sie zu Lichtstreuungen und Verlusten Anlaß geben können.
Als transparente Materialien für die elektrooptischen Elemente 2 und - wahlweise auch - die Zuleitungen 3 kommen leitfähige Polymere in Frage. Alternativ ist es möglich, die elektrooptischen Elemente 2 und die Zuleitungen 3 aus ITO (Indium-Zinn-Oxid) herzustellen. ITO ist aus Bereichen wie der Displaytechnik ein bekanntes Material, um transparente Kontakte zu realisieren. Die elektrooptischen Elemente 2 weisen ferner Flüssigkristalltröpfchen in einer Polymermatrix, die PDLC-Schicht, auf. Ist die PDLC-Schicht in einem transparenten Zustand, dann wird Licht, das in die erfindungsgemäße Vorrichtung unter einem Winkel für die Totalreflexion eingekoppelt wird, nicht aus dem Lichtleiter 19 austreten. Wird die PDLC-Schicht in einen streuenden Zustand geschaltet, dann wird ein Teil des Lichts so gestreut, so dass dieser Teil aus dem Lichtleiter 19 austreten kann, so dass das zu beleuchtende Objekt (Szene oder Anzeige) beleuchtet werden kann. Der Lichtleiter 1 ist seitlich - bis auf eventuelle Lichteintrittsöffnungen - und optional auch rückseitig verspiegelt, so dass Licht nur an der gewünschten Oberfläche aus dem Lichtleiter 1 austreten kann.
Die elektrooptischen Elemente sind hier als voneinander getrennte, frei formbare Einzelflächen dargestellt, es ist aber auch eine Matrixanordnung zur Reduktion der Anschlusszahl oder eine großflächige Anordnung möglich, wobei die Matrixanordnung für eine gezielte, freiprogrammierbare Ansteuerung beliebiger Leuchtflächenformen geeignet ist, während die großflächige Anordnung einzeln angesteuerter Flächen bestimmter fester Form für eine gröbere Ansteuerung, beispielsweise bei der Ausleuchtung einer Szene mit einigen wenigen festliegenden Ausleuchtungsprofilen, vorteilhaft ist.
Eine Leuchte 4 strahlt Licht in den Lichtleiter 1 ein. Die Leuchte 4 ist hier eine Halogenlampe, aber auch Photodioden oder Heiß- oder Kaltkathodenleuchten oder Gasentladungslampen sind denkbar. Beispielhaft ist hier ein Lichtkegel 5, der von der Leuchte 4 in den Lichtleiter 1 eingekoppelt wird, eingetragen. Die Einkopplung von Licht der Leuchte 4 in den Lichtleiter 1 kann durch eine Optik verbessert werden. Das Licht wird in den Lichtleiter 1 so eingekoppelt, dass Totalreflexion auftritt, d. h. das Licht tritt nicht aus den Lichtleitern 1 und 19 aus.
Durch die elektrooptischen Elemente 2 wird, wie oben dargestellt, jedoch die Bedingung für die Totalreflexion verändert, so dass bei einem Schalten der elektrooptischen Elemente 2 in einen streuenden Zustand Licht an der Stelle des geschalteten elektrooptischen Elements austritt.
Zwischen Streuzustand und klar transparentem Zustand der PDLC-Schicht werden die elektrooptischen Elemente 2 individuell durch den Prozessor 7 mittels des Schaltwerks 6 und den Zuleitungen 3 geschaltet.
Durch eine Verspiegelung einzelner Flächen des Lichtleiter 1 kann ein Lichtaustritt durch Streulicht reduziert werden. Wird eine elektrochrome Schicht als Verspiegelung verwendet, ist die Reflexion schaltbar. Dadurch kann unterschiedlicher Lichtaustritt erzeugt werden - beispielsweise eine Umschaltung von auf Lichtaustritt nur frontseitig auf Lichtaustritt front- und rückseitig.
Das Schaltwerk 6 demultiplext die Signale von dem Prozessor 7 an die einzelnen Elektroden. Alternativ kann das Schaltwerk 6 auch eine Signalverarbeitung der Daten von dem Prozessor 7 durchführen, so dass die Daten von dem Prozessor 7 in Spannungen von dem Schaltwerk 6 übersetzt werden, die die einzelnen elektrooptischen Elemente 2 dann individuell schalten.
Der Prozessor 7 ist hier ein Prozessor in einem Kraftfahrzeug, der über einen Datenausgang an das Schaltwerk 6 angeschlossen ist. Das Schaltwerk 6 weist drei Datenausgänge auf, die zu den Zuleitungen der elektrooptischen Elemente 2 führen. Da hier beispielhaft drei elektrooptische Elemente dargestellt sind, führen auch nur drei Leitungspaare 3 aus dem Schaltwerk 5 zu den elektrooptischen Elementen, wobei die masseseitigen Leitungen zu einer Elektrode zusammengefasst werden können. Liegen mehr elektrooptische Elemente vor, wird das Schaltwerk 6 ebenso viele Datenausgänge aufweisen. Alternativ ist es möglich, dass jedes elektrooptische Element oder Gruppen von elektrooptischen Elementen eigene Schaltwerke aufweisen, die an einen Bus angeschlossen sind, an den auch der Prozessor 7 angeschlossen ist. In diesem Fall ist dies der Bus 14, an den der Prozessor 7 über einen Datenein-/-ausgang angeschlossen ist.
Der Bus 14 ist hier ein elektrisches Leitungssystem, aber auch ein optisches Leitungssystem, bzw. ein funkbasierter Bus sind hier möglich. An den Bus 14 können außer den hier aufgeführten Komponenten weitere Geräte angeschlossen sein.
Mittels der Eingabevorrichtung 9 machen Benutzer Eingaben, die beispielsweise die Anzeigen oder die Scheinwerfer des Fahrzeugs betreffen. Der Prozessor 7 steuert dann über das Schaltwerk 6 die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ausleuchtung, die entweder in den Scheinwerfern platziert wird und/oder die Anzeigen des Fahrzeugs ausleuchtet. Der Prozessor 7 wertet weiterhin zur Ansteuerung der erfindungsgemäßen Vorrichtung Sensorsignale aus, die von den Sensoren 11 ermittelt werden. Die Sensoren 11 sind insbesondere Helligkeitssensoren, Sensoren, die Regen, Nebel, Schnee und eine Fahrrichtung detektieren und die diese Signale an die Singalverarbeitung 10 übergeben, die die Signale für die Übertragung über den Bus 14 vorbereitet.
Geben die Sensoren 11 an, dass eine Kurvenfahrt vorliegt und die Scheinwerfer sind eingeschaltet, dann steuert der Prozessor 7 gemäß den Daten, die im Speicher 22 abgelegt sind, die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ausleuchtung in den Scheinwerfern derart, dass ein optimales Kurvenlicht vorliegt. Das Kurvenlicht ist dabei so gestaltet, dass der Fahrer in der Kurve sieht, was ihn erwartet. Es wird demnach eine Schrägstellung des beleuchtenden Lichts durch die individuelle Schaltung der elektrooptischen Elemente ermöglicht.
Der Prozessor 7 reagiert auch auf Ereignisse, die durch eine Verstellung mittels der Aktoren 13 hervorgerufen werden. Die Sensoren 11 erzeugen dann die entsprechenden Signale. Eine Sitzverstellung führt zu einem veränderten Sichtverhalten des Fahrers, so dass die Ausleuchtung der Anzeigen daraufhin optimiert werden muß. Liegen jedoch keine Eingabesignale oder Sensorsignale vor, dann lädt der Prozessor 7 aus dem Speicher 22 Standardkonfigurationen für die Beschaltung der elektrooptischen Elemente 2, um eine Ausleuchtung mittels der Scheinwerfer und/oder der Anzeigen zu erzielen.
In Fig. 2a ist schematisch dargestellt, wie der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, wenn eine PDLC-Schicht verwendet wird. Die PDLC-Schicht 17 ist hier in einen transparenten Zustand geschaltet. Die Beschreibung des Aufbaus gilt bis auf den Lichtstrahl auch für Fig. 2b.
Auf dem Lichtleiter 1 befindet sich eine erste transparente Elektrode 16, die über eine steuerbare Spannungsquelle 21 angesteuert wird. Auf der ersten transparenten Elektrode 16 befindet sich die PDLC-Schicht 17, und auf der PDLC-Schicht 17 sitzt die zweite transparente Elektrode 18. Die zweite transparente Elektrode 18 ist auch mit der steuerbaren Spannungsquelle 21 verbunden. Mit dem zweiten Lichtleiter 19 als Deckplatte und einer optionalen Linse 20 wird die Vorrichtung vervollständigt. In der PDLC-Schicht befinden sich die Flüssigkristallausscheidungen, die zum Beispiel Tröpfchenform besitzen können, 22, die hier als kleine Kreise eingetragen sind. Es ist beispielhaft ein Lichtstrahl 24 eingetragen. Brechungseffekte an den einzelnen Schichten sind hier nicht dargestellt, um die Darstellung auf das Wesentliche zu konzentrieren.
Durch Anlegen eines Potenzials an die beiden Elektroden 16 und 18 wird der effektive Brechungsindex det Flüssigkristalltröpfchen 22 in der PDLC-Schicht 17 relativ zum Brechungsindex der einbettenden PDLC-Schichtmatrix gesteuert. Der Brechungsindex bestimmt, wie oben dargestellt, ob die Lichtstrahlen in der PDLC-Schicht 17 beim Lichtdruchtritt eine Streuung, d. h. Richtungsänderung, erfahren, die bei Auftreffen auf eine Außengrenzfläche einen Lichtaustritt ermöglicht. Durch die auf der zweiten Elektrode 18 plazierte Deckplatte 19 und durch die Linse 20 oder eine Anordnung von Mikrolinsen wird der Lichtaustritt, falls die PDLC-Schicht in einen streuenden Zustand geschaltet ist, optimiert. Insbesondere kann die Richtungsverteilung des austretenden Streulichts optimiert werden und so beispielsweise für eine weitere abbildende Optik kollimiert werden.
Die PDLC-Schicht 17 ist ein Polymer mit einer Dicke von wenigen µm bis zu mehreren 10 µm mit eingebetteten Flüssigkristalltröpfchen oder Fäden in einer Größe, die zu einer starken Lichtstreuung führt, wenn bei der gegebenen Flüssigkristallorientierung der effektive Brechungsindex des Flüssigkristalleinschlusses unterschiedlich von dem der Polymermatrix ist, die die Flüssigkristalltröpfchen aufnimmt. Im elektrischen Feld können die eingebetteten Flüssigkristallmoleküle orientiert werden, wobei der Brechungsindex sich ändert. Dies resultiert in einem völlig klaren Zustand, wenn die Brechungsindices der Kristalle und der Matrix übereinstimmen.
Zum Schalten aus einem streuenden Zustand in einen klaren transparenten Zustand, der zur Totalreflexion führt, wird ein elektrisches Feld von einigen Volt bis einigen 10 Volt an die Schicht angelegt. Um Aufladungseffekte zu vermeiden, ist dabei ein niederfrequentes Wechselfeld vorzuziehen.
In Fig. 2a sind die Flüssigkristalltröpfchen 22 in einen transparenten Zustand geschaltet, so dass der Lichtstrahl 24 nicht austreten kann, da er Totalreflexion erfährt. Bei der Einkopplung wurde der Lichtstrahl 24 unter einem Winkel, für den die Totalreflexion auftritt, in den Lichtleiter 1 eingestrahlt.
In Fig. 2b, die den gleichen Aufbau wie in Fig. 2a zeigt, sind die Flüssigkristalltröpfchen 22 in einen streuenden Zustand geschaltet. Beispielhaft ist wiederum ein Lichtstrahl 25 eingetragen, der an einem Flüssigkristalltröpchen gestreut wird. Anteile des Lichtstrahls 25 werden in verschiedenen Richtungen gestreut. Auch der Lichtstrahl 25 wurde unter dem Winkel für Totalreflexion in den Lichtleiter 1 eingekoppelt, aber durch die Streuung an den Flüssigkristalltröpfchen 22 wird ein Teil des Lichtstrahl derart gestreut, so dass dieser Teil des Lichts aus dem Lichtleiter 19 austreten und zur Beleuchtung verwendet werden kann.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Ausleuchtung, wobei die Vorrichtung zwei hintereinander angeordnete Lichtleiter (1, 19) aufweist, wobei die Lichtleiter (1, 19) elektrooptische Elemente (2) einschließen, wobei die Vorrichtung eine Leuchte (4) aufweist, die Licht in wenigstens einen der Lichtleiter (1) einkoppelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mit einem Prozessor (7) verbunden ist, der die elektrooptischen Elemente (2) in Abhängigkeit von Eingabesignalen und/oder Sensorsignalen derart steuert, dass sich die elektrooptischen Elemente (2) individuell entweder in einem geschalteten streuendem Zustand zur Lichtauskopplung aus . einem der Lichtleiter (19) oder in einem geschaltetem transparenten Zustand zur Totalrefelxion des Lichts in den Lichtleitern (1, 19) befinden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Flächen der Lichtleiter (1) verspiegelt sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächen mit elektrochromen Schichten verspiegelt sind.
4. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Deckträger und/oder einen Kollimator (20) für das aus dem einen Lichtleiter (19) austretende Licht aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrooptischen Elemente (2) polymer dispergierte Flüssigkristalle (PDLC) zur Umschaltung zwischen dem streuenden und transparenten Zustand aufweisen.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrooptischen Elemente transparente Zuleitungen (3) aufweisen, um Steuersignale von dem Prozessor (7) zu übertragen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die transparenten Elektroden entweder aus ITO oder leitfähigem Polymer bestehen.
8. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Szenenausleuchtung.
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