DE10112471C2 - Optisches System mit mehreren optischen Elementen für eine Beleuchtungsanordnung mit veränderbarer Lichtstärkeverteilung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System für eine Beleuchtungsanordnung mit den Vorgaben des Anwenders entsprechender veränderbarer Lichtstärkeverteilung, bei dem der Strahlengang des von einer Lichtquelle abgestrahlten Lichts über einen Reflektor und wenigstens ein optisches Element verläuft, dessen Oberfläche mit Mikrostrukturen versehen ist, deren optischen Daten als Funktion ihrer Ortskoordinaten in Abhängigkeit von der angestrebten Lichtstärkeverteilung variieren.

Aus der DE 198 22 846 C2 ist ein derartiges optisches System bekannt, bei dem der Querschnitt des Reflektors im wesentlichen die Form einer Parabel aufweist und die Mikrostrukturen des optischen Elements als diffraktive Mikrostrukturen oder als Mikrolinsenfeld ausgebildet sind. Dieses System ermöglicht es, das Licht einer Lichtquelle mit einer gewünschten Verteilung auf einen zu beleuchtenden Gegenstand abzustrahlen.

Ferner offenbart diese Druckschrift ein optisches System zur Formung der räumlichen Verteilung des von einer Lichtquelle abgestrahlten Lichts, das ein Mikrolinsenfeld, dessen Linsen einen Durchmesser von weniger als 100 µm haben, ein diffraktives optisches Element und anschließend eine Fresnel-Linse durchläuft, wobei das diffraktive optische Element in Streifen unterteilt ist, deren Breite etwa dem halben Durchmesser der Linsen des Mikrolinsenfeldes entspricht, also weniger als 50 µm, und wobei die Struktur der Streifen mit ungerader Ordnungszahl von der Struktur der Streifen mit gerader Ordnungszahl abweicht. Das diffraktive optische Element und das Mikrolinsenfeld sind um etwa eine Breite der Streifen, also um höchstens 50 µm, in der Richtung ihrer Längsausdehnung derart gegeneinander verschiebbar, dass die von den Linsen des Mikrolinsenfeldes gebündelten Lichtstrahlen in der einen Endstellung die Streifen mit ungerader Ordnungszahl und in der anderen Endstellung die Streifen mit gerader Ordnungszahl durchlaufen. Dieses System soll beispielsweise zum Umschalten eines Kraftfahrzeugscheinwerfers von Fernlicht auf Abblendlicht und umgekehrt eingesetzt werden, was jedoch wegen der erforderlichen hohen Genauigkeit bei der geringen Verschiebung des Mikrolinsenfeldes um weniger als 50 µm einige Probleme bereitet, die insbesondere in einem fahrenden Kraftfahrzeug wegen der unvermeidbaren Vibrationen nur mit hohem Aufwand zu lösen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches System der eingangs erwähnten Art so zu verändern, dass das Licht einer Lichtquelle mit wesentlich höherem Beleuchtungswirkungsgrad mit einer gewünschten Verteilung auf einen zu beleuchtenden Gegenstand oder ein auszuleuchtendes Szenarium gestrahlt wird und dass ferner ein Kraftfahrzeugscheinwerfer mit diesem System ohne Probleme von Fernlicht auf Abblendlicht und umgekehrt umgeschaltet werden kann.

Der erste Teil dieser Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 dadurch gelöst, dass der Reflektor die Form eines halben, in Richtung seiner Achse geteilten Hohlzylinders hat und die Lichtquelle sich im wesentlichen entlang der Achse des Hohlzylinders erstreckt, wobei dessen Radius in Richtung zu dessen Enden hin stetig abnimmt.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung entspricht die Länge des Hohlzylinders etwa der dreifachen Länge der Lichtquelle, während der Radius des Hohlzylinders in der Mitte etwa gleich der Länge der Lichtquelle ist und in Richtung zu dessen Enden hin etwa im Verhältnis 5 : 3 abnimmt.

Der zweite Teil der Aufgabe wird gemäß Anspruch 4 dadurch gelöst, dass im Strahlengang der Lichtquelle zwischen dem Reflektor und dem mit Mikrostrukturen versehenen optischen Element weitere reflektierende und/oder beugende und/oder brechende optische Elemente angeordnet sind, die jeweils verschiedenen vertikalen Strahlungswinkelbereichen zugeordnet sind und von einer im wesentlichen röhrenförmigen Lichtquelle, zum Beispiel einer Entladungsröhre, eine der Zahl der Strahlungswinkelbereiche entsprechende Zahl parallel übereinander angeordneter, horizontal verlaufender, streifenförmiger Abbildungen mit dazwischen liegenden dunklen Streifen auf dem mit Mikrostrukturen versehenen optischen Element erzeugen.

Nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist der aus dem Reflektor austretende gesamte vertikale Strahlungswinkelbereich von 180° in neun Bereiche von je 20° unterteilt, wobei den drei äußeren Bereichen oben und unten je drei reflektierende oder beugende optische Elemente, zum Beispiel fächerförmig übereinander angeordnete Prismen oder Spiegel mit elliptisch geformten Reflexionsflächen bzw. diffraktive optische Elemente, und den drei mittleren Bereichen je ein brechendes oder beugendes optisches Element, zum Beispiel übereinander angeordnete Fresnel-Linsen bzw. diffraktive optische Elemente, zugeordnet sind.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass das mit Mikrostrukturen versehene optische Element gruppenweise in horizontal übereinander angeordnete Streifen unterteilt ist, deren Breite etwa der Breite der Abbildungen der Lichtquelle entspricht, wobei die Streifen innerhalb einer Gruppe voneinander abweichende Mikrostrukturen aufweisen, und dass dieses optische Element stufenweise um jeweils eine Breite der Streifen in vertikaler Richtung verschiebbar ist.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß das Licht einer Lichtquelle mit jeder gewünschten Verteilung auf einen zu beleuchtenden Gegenstand oder ein auszuleuchtendes Szenarium gestrahlt werden kann, beispielsweise mit einer gleichmäßigen Verteilung innerhalb eines rechteckigen, von einer Kamera erfaßten Bereichs. Gleichzeitig wird im Vergleich zu den bekannten optischen Systemen ein höherer Beleuchtungswirkungsgrad erzielt, indem das gesamte von der Lichtquelle abgestrahlte Licht in dem gewünschten Bereich ankommt, während es außerhalb dieses Bereichs weitgehend dunkel bleibt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Umschaltung vom Abblendlicht auf Fernlicht in einem Kraftfahrzeugscheinwerfer auf einfache Weise möglich ist oder daß, beispielsweise für "Effektaufnahmen", eine ausgefallene, umschaltbare Lichtverteilung ausgewählt werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Reflektor gemäß Anspruch 3 im Schnitt mit eingezeichneter Blitzlichtröhre,

Fig. 2 einen Querschnitt durch diesen Reflektor und die Blitzlichtröhre und

Fig. 3 einen Querschnitt durch ein vollständiges optisches System gemäß Anspruch 8 mit umschaltbarer Lichtverteilung.

In den Fig. 1 und 2 ist ein Reflektor 2 dargestellt, der die Form eines halben, in Richtung seiner Achse geteilten Hohlzylinders hat, wobei die Lichtquelle 1, zum Beispiel eine Entladungsröhre, sich entlang der Achse des Hohlzylinders erstreckt. Die Länge des Hohlzylinders entspricht etwa der dreifachen Länge der Lichtquelle 1, während der Radius des Hohlzylinders in der Mitte etwa gleich der Länge der Lichtquelle 1 ist und in Richtung zu dessen Enden hin etwa im Verhältnis 5 : 3 abnimmt.

Durch die tonnenförmige Gestalt des Reflektors 2 wird erreicht, dass alle rechtwinklig zur Achse der Lichtquelle 1 austretenden Lichtstrahlen nach der Reflexion wieder durch die Achse der Lichtquelle 1 laufen, so dass diese Lichtstrahlen über den gesamten horizontalen Abstrahlwinkel von 180° gleichmäßig verteilt abgestrahlt werden. Zusätzlich wird durch die tonnenförmige Gestalt des Reflektors 2 erreicht, dass insbesondere die schief aus der Lichtquelle 1 austretenden Lichtstrahlen nicht verloren gehen, sondern auch in die gewünschte Richtung abgelenkt werden. Damit erhöht sich der Beleuchtungswirkungsgrad erheblich.

Die Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch ein vollständiges optisches System gemäß der Erfindung, bei dem im Strahlengang der Lichtquelle 1 zwischen dem Reflektor 2 und dem mit Mikrostrukturen versehenen optischen Element 3 zusätzlich sechs reflektierende optische Elemente 4A, 4B, 4C, 4G, 4H, 4I, nämlich elliptisch geformte Spiegel, und drei brechende optische Elemente 5D, 5E. 5F, nämlich Fresnel-Linsen, angeordnet sind. Diese neun zusätzlichen optischen Elemente sind neun verschiedenen vertikalen Strahlungswinkelbereichen A bis I von je 20° zugeordnet und so geformt und mit solchen Winkeln angeordnet, dass sie von der röhrenförmigen Lichtquelle 1, hier eine Entladungsröhre, neun parallel übereinander angeordnete, horizontal verlaufende, streifenförmige Abb. 3A bis 31 mit dazwischen liegenden dunklen Streifen auf dem mit Mikrostrukturen versehenen optischen Element 3 erzeugen. Der weitere Verlauf der Lichtstrahlen hängt von der Gestalt der Mikrostrukturen des optischen Elements 3 ab.

Wie die Fig. 3 ferner zeigt, ist das mit Mikrostrukturen versehene optische Element 3 gruppenweise in horizontal verlaufende Streifen a, b, c unterteilt, deren Breite etwa der Breite der Abb. 3A bis 31 der Lichtquelle 1 entspricht. Dabei weisen die Streifen a, b, c einer Gruppe A bis I voneinander abweichende Mikrostrukturen auf. Das so gestaltete optische Element 3 kann stufenweise um jeweils eine Breite der Streifen a, b, c in vertikaler Richtung verschoben werden, so dass die Lichtquelle 1 entweder auf dem Streifen a mit der einen Mikrostruktur oder auf einem der anderen Streifen b, c einer jeden Gruppe A bis I mit anderen Mikrostrukturen abgebildet wird. Auf diese Weise können bei diesem Ausführungsbeispiel durch Verschieben des optischen Elements 3 drei verschiedene Ausleuchtungsformen der zu beleuchtenden Szene eingestellt werden. Ein sehr interessantes Anwendungsgebiet für zwei verschiedene Ausleuchtungsformen ist die Umschaltung eines Fahrzeugscheinwerfer von Fernlicht auf Abblendlicht und umgekehrt. Da hierbei der Verschiebeweg eine Länge von einigen Millimetern hat, lässt sich diese Lösung ohne größere Probleme in die Praxis umsetzen.

Claims (11)

1. Optisches System mit mehreren optischen Elementen für eine Beleuchtungsanordnung mit veränderbarer Lichtstärkeverteilung, bei dem der Strahlengang des von einer Lichtquelle (1) abgestrahlten Lichts über einen Reflektor (2) und wenigstens ein optisches Element (3) verläuft, dessen Oberfläche Mikrostrukturen aufweist, deren optischgeometrische Daten als Funktion ihrer Ortskoordinaten in Abhängigkeit von der angestrebten Lichtstärkeverteilung variieren, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (2) die Form eines halben, in Richtung seiner Achse geteilten Hohlzylinders hat und die Lichtquelle (1) sich entlang der Achse des Hohlzylinders erstreckt, wobei dessen Radius in Richtung zu dessen Enden hin stetig abnimmt.

2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Hohlzylinders etwa der dreifachen Länge der Lichtquelle (1) entspricht.

3. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius des Hohlzylinders in der Mitte etwa gleich der Länge der Lichtquelle (1) ist und in Richtung zu dessen Enden hin etwa im Verhältnis 5 : 3 abnimmt.

4. Optisches System für eine Beleuchtungsanordnung mit veränderbarer Lichtstärkeverteilung, bei dem der Strahlengang des von einer Lichtquelle (1) abgestrahlten Lichts über einen Reflektor (2) und wenigstens ein optisches Element (3) verläuft, dessen Oberfläche Mikrostrukturen aufweist, deren optisch­ geometrische Daten als Funktion ihrer Ortskoordinaten in Abhängigkeit von der angestrebten Lichtstärkeverteilung variieren, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang der Lichtquelle (1) zwischen dem Reflektor (2) und dem Mikrostrukturen aufweisenden optischen Element (3) weitere reflektierende und/oder beugende und/oder brechende optische Elemente (4, 5) angeordnet sind, die in der Vertikalebene liegenden jeweils verschiedenen Lichtstärkeverteilungsbereichen (A bis I) zugeordnet sind und von einer röhrenförmigen Lichtquelle (1) eine der Zahl der Strahlungswinkelbereiche (A bis I) entsprechende Zahl von Abbildungen in Form parallel übereinander angeordneter, horizontal verlaufender, streifenförmiger Leuchtdichtemaxima (3A bis 3I) mit dazwischen liegenden, als dunkle Streifen wirkende Leuchtdichteminima auf dem Mikrostrukturen aufweisenden optischen Element (3) erzeugen.

5. Optisches System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Reflektor (2) zugeordnete gesamte vertikale Lichtstärkeverteilung von 180° (-90° bis 90°) in neun Bereiche von je 20° unterteilt ist, und zwar in die Bereiche
A: -90° bis -70°,
B: -70° bis -50°,
C: -50° bis -30°,
D: -30° bis -10°,
E: -10° bis 10°,
F: 10° bis 30°,
G: 30° bis 50°,
H: 50° bis 70°,
I: 70° bis 90°,
wobei den Bereichen A bis C sowie 6 bis I je ein reflektierendes oder beugendes optisches Element (4A, 4B, 4C, 4G, 4H, 4I) und den Bereichen D bis F je ein brechendes oder beugendes optisches Element (5D, 5E, 5F) zugeordnet ist.

6. Optisches System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierenden oder beugenden optischen Elemente (4A, 4B, 4C, 4G, 4H, 4I) aus fächerförmig übereinander angeordneten Prismen oder Spiegeln mit elliptisch geformten Reflexionsflächen oder aus entsprechend strukturierten diffraktiven optischen Elementen und die brechenden oder beugenden optischen Elemente (5D, 5E, 5F) aus übereinander angeordneten Fresnel-Linsen oder aus entsprechend strukturierten diffraktiven optischen Elementen bestehen, wobei die jeweils einen Brennpunkte der Ellipsen oder der Fresnel-Linsen innerhalb der Lichtquelle (1) und die jeweils anderen Brennpunkte in den übereinander auf dem Mikrostrukturen aufweisenden optischen Element (3) in Form von horizontal verlaufenden Leuchtdichtemaxima (3A bis 3I) erzeugten Abbildungen der Lichtquelle (1) liegen.

7. Optisches System nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Leuchtdichteminima zwischen den in Form von horizontal verlaufenden Leuchtdichtemaxima (3A bis 3I) erzeugten Abbildungen der Lichtquelle (1) jeweils der Breite eines solchen Leuchtdichtemaximums (3A bis 3I) oder einem Mehrfachen der Breite davon entspricht.

8. Optisches System nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrostrukturen aufweisende optische Element (3) gruppenweise in horizontal übereinander angeordnete Streifen (a, b, c) unterteilt ist, deren Breite etwa der Breite der Leuchtdichtemaxima (3A bis 3I) entspricht, wobei die Streifen (a, b, c) innerhalb einer Gruppe (A bis I) voneinander abweichende Mikrostrukturen aufweisen, und dass das so gestaltete optische Element (3) stufenweise um jeweils eine Breite der Streifen (a, b, c) in vertikaler Richtung verschiebbar ist.

9. Verwendung des Optischen Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem Beleuchtungsgerät für definierte Lichtstärke- und Leuchtdichteverteilung.

10. Verwendung des Optischen Systems nach Anspruch 8 in einem Fahrzeugscheinwerfer zum Umschalten von Fernlicht auf Abblendlicht und umgekehrt.

11. Verwendung des Optischen Systems nach Anspruch 8 für umschaltbare Effektbeleuchtungen.