DE10054307A1 - Lichteinkopplungselement zur Herabsetzung von Reflexionen bei der Einkopplung eines Lichtstrahlenbündels in eine gegenüber dem Strahlenbündel geneigte Scheibe - Google Patents

Abstract

Es wird ein Lichteinkopplungselement zur Herabsetzung von Reflexionen bei der Einkopplung eines Lichtstrahlenbündels in eine gegenüber diesem Strahlenbündel geneigte Scheibe beschrieben, indem an der Scheibe im Strahlengang ein Lichteinkopplungselement mit annähernd dem Brechungsindex der Scheibe entsprechenden Brechungsindex und einer zum Lichtstrahlenbündel senkrechten Lichteintrittsfläche angeordnet wird. In bevorzugter Weiterbildung wird dabei insbesondere für divergente Lichtstrahlenbündel mit nicht unerheblichem Divergenzwinkel die Lichteintrittsfläche des Lichteinkopplungselements als optische Linse ausgeformt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lichteinkopplungselement zur Herabsetzung von Reflexionen bei der Einkopplung eines Lichtstrahlenbündels in eine lichtdurchlässige Scheibe. Die Scheibe weist dabei einen von ihrer Umgebung abweichenden Brechungsindex und einen nicht-senkrechten Neigungswinkel gegenüber einer Hauptachse dieser Strahlenbündel in Abstrahlrichtung auf.

Treffen Strahlenbündel unter einem Neigungswinkel auf eine Scheibe mit von ihrer Umgebung abweichendem Brechungsindex auf, wird in Abhängigkeit von diesem Neigungswinkel ein gemäß dem Reflexionsgesetz bestimmter Teil dieser Strahlenbündel reflektiert. Zumindest für eine Reihe von Anwendungsfällen lassen sich der Neigungswinkel der Scheibe bzw. die Abstrahlrichtung des Lichts nicht beeinflussen. So werden in einem Kraftfahrzeug die Form und Neigung der Scheibe üblicherweise vom Kfz-Hersteller vorgegeben und können von einem Zulieferer optischer Baugruppen, bspw. einer IR-Umgebungsüberwachungskamera nicht beeinflusst werden. Andererseits ist das zu beleuchtende Zielgebiet vorgegeben.

Im Stand der Technik sind diverse Antireflexionsbeschichtungen bekannt, die jedoch eine Behandlung der Scheibe erfordern, was zumindest wirtschaftlich in manchen Fällen nicht durchsetzbar ist.

Aufgabe der Erfindung ist daher, eine alternative Möglichkeit zur Herabsetzung von Reflexionen von Strahlenbündel in eine gegenüber dem Strahlenbündel geneigte Scheibe vorzustellen. Diese Aufgabe wird durch ein Lichteinkopplungselement gemäß des Patentanspruchs 1 gelöst.

Grundgedanke der Erfindung ist, den Neigungswinkel zwischen Strahlenbündel und Scheibe durch ein Lichteinkopplungselement, quasi einen optischen Flansch, mit einem annähernd dem Brechungsindex der Scheibe entsprechenden Brechungs­ index an einen senkrechten Winkel anzunähern, indem das Lichteinkopplungselement eine Lichteintrittsfläche aufweist, die näherungsweise senkrecht zu dem Strahlenbündel ist.

Im einfachsten Fall eines parallelen Strahlenbündels weist dazu das Licht­ einkopplungselement eine zu diesem Strahlenbündel zumindest näherungsweise senkrechte, ebene Lichteintrittsfläche auf.

In der praktischen Anwendung ist jedoch üblicherweise von einem nicht parallelen, von der Lichtquelle ausgehend divergenten Strahlenbündel auszugehen, wobei als Strahlenbündel nicht nur eine Kegelform im mathematischen Sinne zu verstehen ist, sondern jede gerichtete räumliche Abstrahlung von Licht in einem begrenzten Abstrahl- bzw. Divergenzwinkel, wobei der einer bestimmten Entfernung beleuchtete Bereich durchaus neben der Idealform eines Kreises durchaus auch elliptisch oder noch stärker verformt sein kann. Für eine mathematische Kegelform müssten die Strahlenbündel in völliger Gleichverteilung in einem vorgegebenen Abstrahlwinkel von einer punktförmigen Lichtquelle ausgehen. Reale Lichtquellen weichen davon bekanntlich ab.

Als Hauptachse der Strahlenbündel in Abstrahlrichtung ist dabei eine gedachte Verbindungslinie zwischen den Flächenschwerpunkten der in einer bestimmten Entfernung jeweils beleuchteten Bereiche bzw. eine Verbindungslinie zwischen den Beleuchtungsmaxima in der jeweiligen Entfernung zu verstehen, also bei einem parallelen Lichtstrahlenbündel deren Mittelachse, bei Lichtstrahlenkegeln mit kreisrunder Querschnittsfläche deren Symmetrieachse. Die Hauptachse liegt üblicherweise auch zumindest in guter Näherung auf der Winkelhalbierenden des Abstrahl- bzw. Divergenzwinkels. Diese Bestimmung der Hauptachse dient einzig der Abgrenzung gegenüber Strahlenbündeln mit großem Abstrahl- bzw. Divergenzwinkel, bei denen zwar die Hauptachse auf der Scheibe unter einem nicht-senkrechten Neigungswinkel auftrifft, jedoch eventuell im Randbereich des Abstrahlwinkels einzelne Strahlenbereiche bereits zumindest annähernd senkrecht auf die Scheibe auftreffen können. Zudem hat eine senkrechte Ausrichtung der Lichteintrittsfläche bei Strahlenbündeln mit einem nicht unerheblichen Abstrahlwinkel nur bezüglich der Hauptachse zu erfolgen. Der Grundgedanke der Erfindung bleibt dabei aber letztlich gleich, nämlich die Herabsetzung der Reflexionen durch Reduzierung des Neigungs­ winkels.

Zudem bietet sich jedoch insbesondere für Strahlenbündel mit nicht unerheblichem Abstrahl- bzw. Divergenzwinkel die Möglichkeit, durch eine Ausgestaltung der Lichteintrittsfläche als gewölbte Linse zumindest einen Großteil des divergenten Strahlenbündels zumindest näherungsweise in eine parallele Lichtstrahlenschar zu brechen oder aber zumindest so zu formen, dass die Lichtstrahlen einen gewünschten Bereich im Zielgebiet besser ausleuchten.

Damit treffen zwar von der Hauptachse abweichende Lichtstrahlen des Strahlenbündels wiederum unter einem Neigungswinkel auf die Lichteintrittsfläche auf, jedoch ist dieser geringer als der Neigungswinkel zur Scheibe. Die optische Achse der linsenförmigen Lichteintrittsfläche ist dabei auf der Hauptachse des Strahlenbündels ausgerichtet, so dass das Strahlenbündel mit der Hauptachse wieder senkrecht auf der Lichteintrittsfläche auftrifft.

Ein solches Lichteinkopplungselement ist auch für Scheiben mit einer zueinander nicht eben und parallel verlaufenden Innen- und Außenseite geeignet, wie es beispielsweise für Autoscheiben üblich ist. Die Bestimmung des Neigungswinkels der Scheibe erfolgt dann ebenfalls im Auftreffpunkt der Hauptachse des Lichtstrahlenbündels, wobei die Berührungsfläche des Lichteinkopplungselements zur Scheibe entsprechend formschlüssig angepasst ist.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert werden. Kurze Beschreibung der Figuren:

Fig. 1 Skizzierung des Grundprinzips für eine parallele Strahlenschar

Fig. 2 Weiterbildung des Lichteinkopplungselements mit einer linsenförmig gewölbten Lichteintrittsfläche

Die Fig. 1 zeigt zunächst anhand des Beispiels eines parallelen, nicht divergenten Strahlenbündels 4a das Grundprinzip der Herabsetzung der Reflexionen an einer gegenüber dem Strahlenbündel 4a mit einem nicht-senkrechten Neigungswinkel α geneigten Scheibe 2 mittels eines Lichteinkopplungselements 1, welches eine zu dem Strahlenbündel 4a zumindest näherungsweise senkrechte und in diesem Ausführungsbeispiel ebene Lichteintrittsfläche 11a aufweist. Lichteinkopplungs­ element 1 und Scheibe 2 weisen dabei einen annähernd gleichen Brechungsindex auf, der vom dem der Umgebung 3 abweicht. Wie anhand Fig. 1 und Fig. 1a skizziert, kann bei entsprechend enger Bündelung des parallelen Strahlenbündels 4a die Unterscheidung zur Hauptachse 4 entfallen.

Das Lichteinkopplungselement 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel über einen lichtdurchlässigen Klebstofffilm 12 an der Scheibe 2 befestigt, wobei der Klebstoff­ film 12 einen annähernd dem Brechungsindex der Scheibe 2 bzw. dem Einkopp­ lungselement 1 entsprechenden Brechungsindex aufweist, so dass an diesen Grenzflächen zwischen dem Einkopplungselement 1 und der Scheibe 2 keine bzw. kaum Reflexionen auftreten.

Die Brechung des Strahlenbündels beim Austritt aus der Scheibe 2b kann dabei nur durch eine entsprechend analoge Anordnung eines solchen optischen Elements, dann zur Lichtauskopplung verhindert werden. Grundsätzlich ist dieser Grundgedanke damit auch auf Lichtauskopplungselemente übertragbar.

Die Fig. 2 skizziert den Strahlengang durch das Lichteinkopplungselement 1 und die Scheibe 2 für ein divergentes Lichtstrahlenbündel 4c mit einem nicht vernachlässigbaren Abstrahlwinkel β. Die Hauptachse des Lichtstrahlenbündels 4c verläuft entlang des Flächenschwerpunkts des in einem vorgegebenen Abstand jeweils beleuchteten Bereichs und damit auf der Winkelhalbierenden des Abstrahlwinkels β. Das Lichtstrahlenbündel 4c weist dabei eine näherungsweise elliptische beleuchtete Fläche auf, wie er beispielsweise von einer Infrarotdiode 5 eines Umgebungsüberwachungssystems für Kraftfahrzeuge erzeugt wird. Das Lichteinkopplungselement 1 kann entsprechend elliptisch geformt sein. Das Strahlenbündel 4c wird dabei zunächst beim Austritt aus dem LED-Gehäuse beeinflusst, was durch die optische Anordnung 6 skizziert wird.

Die Lichteintrittsfläche 11b ist jedoch als optische Linse ausgeformt, wobei die optische Achse 13 dieser Linse auf der Hauptachse des Strahlenbündels 4c ausgerichtet ist, so dass im Auftreffpunkt der Hauptachse diese wiederum senkrecht auf die Lichteintrittsfläche 11b auftrifft. Die Wölbung der linsenförmigen Lichteintrittsfläche 11b ist dabei so geformt, dass die von der Hauptachse abweichenden Lichtstrahlen des Strahlenbündels 4c in eine gezielt geformte, beispielsweise zumindest näherungsweise parallele Lichtstrahlenschar 4d gebrochen werden, die entsprechend aus der Scheibe 2 als Strahlenbündel 4b wiederum gebrochen austritt.

Dieses Lichteinkopplungselement 1 wird im Fahrzeuginneren eines Kraftfahrzeugs vor der Lichtsendeeinrichtung eines Umgebungsüberwachungssystems, ins­ besondere eines Abstandswarn- oder Precrasherkennungs-Systems an der Windschutzscheibe oder an Scheinwerferabdeckscheibe angeordnet.

Claims (4)

1. Lichteinkopplungselement (1) zur Herabsetzung von Reflexionen bei der Einkopplung eines Lichtstrahlenbündels (4a, 4c) in eine lichtdurchlässige Scheibe (2) mit von ihrer Umgebung (3) abweichendem Brechungsindex,

• a) wobei das Strahlenbündel (4a, 4c) in Abstrahlrichtung eine Hauptachse (4) und die Scheibe (2) gegenüber dieser Hauptachse (4) des Strahlenbündels einen nicht-senkrechten Neigungswinkel aufweist,
• b) das Lichteinkopplungselement (1) für das Strahlenbündel (4a, 4c) durchlässig ist, einen annähernd dem Brechungsindex der Scheibe (2) entsprechenden Brechungsindex aufweist und formschlüssig an der Scheibe (2) angeordnet ist, und
• c) das Lichteinkopplungselement (1) eine Lichteintrittsfläche (11a, 11b) für das Strahlenbündel (4a, 4c) aufweist, welche zumindest im Auftreffpunkt (14) der Hauptachse (4) des Strahlenbündels zu dieser Hauptachse zumindest näherungsweise senkrecht ist.

2. Lichteinkopplungselement (1) nach Anspruch 1, bei dem die Lichteintrittsfläche (11b) als optische Linse gewölbt ist, wobei die Linse eine auf die Hauptachse (4) des Strahlenbündels (4c) ausgerichtete optische Achse (13) aufweist.

3. Lichteinkopplungselement (1) nach Anspruch 2, wobei die Strahlenbündel einen Lichtstrahlenkegel (4c) bilden und die linsenförmige Lichteintrittsfläche (11b) eine Wölbung aufweist, durch die zumindest ein Großteil des Strahlenbündels (4c) in eine annähernd parallele Lichtstrahlenschar (4d) gebrochen wird.

4. Verwendung des Lichteinkopplungselements nach einem der vorangehenden Ansprüche für eine hinter der Windschutzscheibe oder einer Scheinwerfer­ abdeckscheibe angeordnete Lichtsendeeinrichtung von Umgebungsüber­ wachungssystemen, insbesondere Abstandswarnsystemen, in Kraftfahrzeugen.