DE102004011660A1 - Lens device, headlight and illumination device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Linsenvorrichtung, insbesondere für Scheinwerfer für Kraftfahrzeuge, sowie einen Scheinwerfer und eine Beleuchtungseinrichtung mit zumindest einer Linse (10), die ein über ein elektrisches Feld ansteuerbares Medium zum Verändern eines Beugungswinkels umfasst, wobei mindestens zwei Linsen (10) auf einer Elektrodenanordnung (15) angeordnet sind.The invention relates to a lens device, in particular for headlights for motor vehicles, and to a headlight and a lighting device with at least one lens (10), which comprises a controllable via an electric field medium for changing a diffraction angle, wherein at least two lenses (10) on an electrode assembly (15) are arranged.
Description
Die Erfindung betrifft eine Linsenvorrichtung, einen Scheinwerfer und eine Beleuchtungseinrichtung nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.The The invention relates to a lens device, a headlight and a lighting device according to the preambles of the independent claims.
Aus
der gattungsbildenden
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst flexible Linsenvorrichtung mit einem weiten Anwendungsbereich bereitzustellen. Weiterhin sollen ein Scheinwerfer und eine Beleuchtungseinrichtung geschaffen werden.Of the Invention is based on the object, a flexible lens device as possible to provide a wide range of applications. Continue to a headlamp and a lighting device are created.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.The The object is achieved by the Characteristics of the independent claims solved.
Die erfindungsgemäße Linsenvorrichtung weist mindestens zwei elektrisch steuerbare Linsen auf, die auf einer Elektrodenan ordnung angeordnet sind. Den jeweiligen Linsen zugeordnete Elektroden werden über Leiterbahnen elektrischem Potenzial beaufschlagt. Das so erzeugte elektrische Feld wirkt auf die Linsen ein und verformt diese durch Influenzwirkung. Die Linsen können, entsprechend der gewählten Elektrodengeometrie und des angelegten elektrischen Feldes in vorbestimmter Weise gezielt verformt werden. Durch die Verformung wird eine Änderung der Abstrahleigenschaften der Linsen bewirkt. Insbesondere können der Brennpunkt und/oder die Ablenkrichtung der Linse direkt elektrisch eingestellt werden. Dabei können Ablenkrichtung und Brennpunkt mit demselben Bauelement, insbesondere der Linsenvorrichtung mit Linsen und Elektrodenanordnung, eingestellt werden. Die Einstellung kann direkt über die angelegte elektrische Spannung erfolgen und erfordert keine aufwendige Elektronik. Licht, das durch die Linsenvorrichtung tritt, kann variabel abgelenkt und fokussiert werden. Die erfindungsgemäße Linsenvorrichtung weist vorteilhaft einen einfachen Aufbau auf und kann zur Einstellung von Brennpunkt und/oder Ablenkrichtung auf bewegte Bauteile verzichten.The inventive lens device has at least two electrically controllable lenses on one Electrode arrangement are arranged. Associated with the respective lenses Electrodes are over Printed conductors exposed to electrical potential. The so produced electric field acts on the lenses and deforms them through Electrostatic induction. The lenses can, according to the selected Electrode geometry and the applied electric field in a predetermined Be deformed targeted manner. The deformation becomes a change causes the radiation properties of the lenses. In particular, the Focus and / or the deflection of the lens directly electrically be set. It can Deflection direction and focal point with the same component, in particular the lens device with lenses and electrode assembly set become. The setting can be directly over the applied electric Voltage takes place and requires no complicated electronics. Light, that passes through the lens device can be deflected and focused variable become. The lens device according to the invention advantageously has a simple structure and can for adjustment From the focal point and / or deflection to dispense with moving components.
Die Linsen sind vorzugsweise für elektromagnetische Strahlung im optischen Bereich durchlässig, können aber auch für andere Wellenlängenbereiche, beispielsweise im Infraroten oder Ultravioletten durchlässig sein.The Lenses are preferably for Electromagnetic radiation in the optical range permeable, but can also for other wavelength ranges, for example, be transparent in the infrared or ultraviolet.
Ein erfindungsgemäßer Scheinwerfer sowie eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung umfassen jeweils eine Linsenvorrichtung mit zumindest zwei elektrisch steuerbaren Linsen.One inventive headlight and a lighting device according to the invention each a lens device with at least two electrically controllable Lenses.
Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind der Beschreibung sowie den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.Cheap designs and advantages of the invention are the description and the other claims remove.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die erfindungsgemäße Linsenvorrichtung eine Vielzahl von Linsen, die je weils auf einer Elektrodenanordnung angeordnet sind. Das sogenannte „Linsenarray" kann an die Form eines gewünschten Ausleuchtfelds angepasst sein und beispielsweise quadratisch, dreieckig oder rund sein bzw. eine beliebige andere Form aufweisen. Die Größe des Linsenarrays kann einfach an die Größe der auszuleuchtenden Fläche oder die Dimension der verwendeten Lichtstrahlen oder an die Art bzw. Größe der Lichtquelle angepasst werden. Als Lichtquelle können Standardlichtquellen wie Xenonlampen, Glühlampen, Leuchtdioden usw. eingesetzt werden. Jeder einzelnen Linse kann ein Elektrodenpaar der Elektrodenanordnung zugeordnet sein. Die Art der Elektrodenanordnung, des so genannten Elektrodenarrays, ist an die Form des Linsenarrays angepasst.In an advantageous embodiment comprises the lens device according to the invention a plurality of lenses, each Weil on an electrode assembly are arranged. The so-called "lens array" can be attached to the mold a desired one Ausleuchtfelds adapted and, for example, square, triangular or be round or have any other shape. The size of the lens array can simply to the size of the surface to be illuminated or the dimension of the light beams used or to the type or Size of the light source adjusted become. As a light source can Standard light sources such as xenon lamps, incandescent lamps, light-emitting diodes, etc. be used. Each individual lens can be a pair of electrodes be associated with the electrode assembly. The type of electrode arrangement, of the so-called electrode array, is the shape of the lens array customized.
Es kann vorgesehen sein, dass zumindest zwei Leiterbahnen mit abstehenden Leiterbahnzweigen eine zweidimensionale Elektrodenanordnung in der Art einer interdigitalen Anordnung von Interdigitalkondensatoren bilden. Die Elektrodenanordnung kann insbesondere mit den in der Halbleitertechnik üblichen Verfahren erzeugt werden, wie etwa dort bekannte Beschichtungsverfahren, Lithographie, Mikrostrukturierung. Besonders günstig können dabei auch Mehrschichtverfahren, bei denen Leiterbahnen in verschiedenen Ebenen übereinander erzeugt werden können, angewendet und damit auch komplexe Elektrodengeometrien dargestellt werden.It can be provided that at least two tracks with protruding Leiterbahnzweigen a two-dimensional electrode arrangement in the Type of interdigital array of interdigital capacitors form. The electrode arrangement can in particular with the in the Semiconductor technology usual Processes are generated, such as there known coating methods, Lithography, microstructuring. Particularly favorable can also be multi-layer method, where tracks are created in different levels one above the other can, applied and thus also represented complex electrode geometries become.
Die Linsen können auf einem Träger auf elektrischen Leiterbahnzweigen in einer regelmäßigen gitterartigen Struktur angeordnet sein, wobei jeder Linse mindestens ein Elektrodenpaar zugeordnet ist. Dies ermöglicht eine einfache Berechnung der Abbildungseigenschaften des Linsenarrays. Es sind jedoch auch andere Anordnungen möglich. Selbstverständlich können einer Linse auch mehr als zwei Elektroden zugeordnet sein, womit auch komplexe Verformungen der Linsen verwirklicht werden können.The Lenses can on a carrier on electrical conductor branches in a regular grid-like manner Structure may be arranged, wherein each lens at least one pair of electrodes assigned. this makes possible a simple calculation of the imaging properties of the lens array. However, other arrangements are possible. Of course one can Lens also be associated with more than two electrodes, which also complex deformations of the lenses can be realized.
Die Linsen umfassen vorzugsweise eine Flüssigkeit, vorteilhafterweise eine dielektrische Flüssigkeit, und bilden sogenannte „Flüssiglinsen" oder „Tropfenlinsen", insbesondere Wasser. Es ist auch jede andere bei der gewünschten Wellenlänge transparente Flüssigkeit möglich. Der Durchmesser dieser Linsen kann von einigen Mikrometern bis einigen Millimetern reichen. Dies gestattet die Ausbildung von sehr klein dimensionierten Linsenarrays, so dass sich beispielsweise bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Linsenvorrichtungen in Fahrzeugscheinwerfern durch Beschleunigungen hervorgerufene Vibrationen praktisch nicht bemerkbar machen. Gegenüber den herkömmlichen komplexen mechanischen Linsenbauteilen haben die erfindungsgemäßen Linsen insbesondere den Vorteil, dass sie weniger abgenutzt werden und eine längere Lebensdauer haben. Als Linsenmaterial können auch beispielsweise elektrooptisch aktive oder elektrostriktive Medien vorgesehen sein.The lenses preferably comprise a liquid, advantageously a dielectric liquid, and form what are known as "liquid lenses" or "drop lenses", in particular water. Any other liquid transparent at the desired wavelength is also possible. The diameter These lenses can range from a few microns to a few millimeters. This allows the formation of very small-sized lens arrays, so that, for example, in the application of the lens devices according to the invention in vehicle headlights by accelerations caused vibrations practically not noticeable. Compared to the conventional complex mechanical lens components, the lenses of the invention have the particular advantage that they are less worn and have a longer life. As a lens material, for example, electro-optically active or electrostrictive media may be provided.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind Linsen in einem Gehäuse zwischen einer oberen und einer unteren Abdeckung angeordnet. Vorteilhafterweise weist die obere Abdeckung auf ihrer den Linsen zugewandten Seite eine erste elektrische isolierende Schicht und die untere Abdeckung auf ihrer den Linsen zugewandten Seite eine zweite elektrisch isolierende Schicht auf. Die elektrisch isolierende im gewünschten Wellenlängenbereich optisch transparente Schicht kann z. B. aus einem Oxid bestehen, beispielsweise einem Siliziumoxid, einem Aluminiumoxid oder dergleichen, oder auch aus einem Polymer, z.B. aus einem Polyimid oder einem fluoriniertem Polymer wie Teflon. Besonders geeignet sind isolierende Schichten, wie sie in der Halbleitertechnik verwendet werden. Die Linsenvorrichtung kann, wie bereits vorstehend bei der Elektrodenanordnung und den Leiterbahnen erwähnt, bevorzugt mit so ge nannten Batch-Verfahren der Halbleitertechnik hergestellt werden, die eine kostengünstige parallele Herstellung vieler gleichartiger Bauelemente in großer Stückzahl ermöglichen.In In a preferred embodiment, lenses are in a housing between an upper and a lower cover arranged. advantageously, has the top cover on its side facing the lenses a first electrical insulating layer and the lower cover on its side facing the lenses, a second electrically insulating Shift up. The electrically insulating in the desired wavelength range optically transparent layer can, for. B. consist of an oxide, for example, a silica, an alumina or the like, or also from a polymer, e.g. from a polyimide or a fluorinated polymer such as Teflon. Particularly suitable are insulating Layers, as used in semiconductor technology. The Lens device may, as already above in the electrode assembly and the tracks mentioned, preferably with so-called batch process of semiconductor technology be prepared, which is a cost-effective parallel production allow many similar components in large quantities.
Die Elektrodenanordnung ist bevorzugt auf der zweiten elektrisch isolierenden Schicht angeordnet. Zwischen dem Elektrodenarray und der Linse kann eine dritte elektrisch isolierende Schicht angeordnet sein, so dass eine kapazitive Ankopplung der Linsen an die Elektroden erfolgen kann. Die dritte elektrisch isolierende Schicht ist zweckmäßigerweise als transparente Schicht ausgestaltet. Im Bereich der Elektroden, auf denen die Linsen platziert sind, kann die dritte elektrisch isolierende Schicht hydrophil ausgebildet sein, und im Bereich zwischen den Linsen weniger hydrophil oder sogar hydrophob. Dies erleichtert das definierte, zielgenaue Aufbringen der einzelnen Tropfenlinsen auf den Elektroden. Dazu kann die dritte Schicht beispielsweise mit einer hydrophoben Schicht, insbesondere einer Polymerschicht wie Teflon beschichtet oder aus einer solchen gebildet sein. Dieses Material kann bezüglich seiner hydrophoben Eigenschaften vorteilhaft sein, die etwa mittels einer in der Halbleitertechnik üblichen Plasmabehandlung ihrer Oberfläche in ihren hydrophoben Eigenschaften modifiziert werden kann. Auch hier können übliche Halbleitertechniken der Beschichtung, Strukturierung und/oder Oberflächenmodifikation eingesetzt werden.The Electrode arrangement is preferably on the second electrically insulating Layer arranged. Between the electrode array and the lens can a third electrically insulating layer may be arranged so that a capacitive coupling of the lenses to the electrodes take place can. The third electrically insulating layer is expediently as transparent layer configured. In the area of the electrodes, on where the lenses are placed, the third electrically insulating Layer be formed hydrophilic, and in the area between the Lenses less hydrophilic or even hydrophobic. This facilitates the defined, targeted application of the individual drop lenses on the electrodes. For this purpose, the third layer, for example with a hydrophobic layer, in particular a polymer layer as Teflon coated or be formed from such. This Material can be re be advantageous to its hydrophobic properties, which means about one common in semiconductor technology Plasma treatment of their surface can be modified in their hydrophobic properties. Here too can conventional semiconductor techniques the coating, structuring and / or surface modification used become.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Linsenvorrichtung kann das Gehäuse im Zwischenraum zwischen den Linsen ein Trennmedium aus Gas oder eine Trennflüssigkeit aufweisen. Die Linsenflüssigkeit und das Trennmedium sind vorzugsweise nicht mischbar, und das Trennmedium vorzugsweise transparent im verwendeten Wellenlängenbereich. Zweckmäßigerweise weisen die Linsenflüssigkeit und das Trennmedium einen verschiedenen optischen Brechungsindex auf.In an advantageous embodiment of the lens device according to the invention can the case in the space between the lenses a separating medium of gas or a separating liquid exhibit. The lens fluid and the separation medium are preferably immiscible, and the separation medium is preferably transparent in the wavelength range used. Conveniently, have the lens fluid and the separation medium has a different optical refractive index on.
Bei der erfindungsgemäßen Linsenvorrichtung kann vorgesehen sein, dass die einzelnen Linsen gleichartig verformbar sind. Weiterhin können auch bereichsweise Gruppen von einzelnen Linsen unterschiedlich verformbar sein, was sich lokal auf die jeweilige Abbildungseigenschaft auswirkt. Damit können beispielsweise Kurvenlichter, Seitenlichter oder adaptive Frontlichtsysteme ausgebildet werden.at the lens device according to the invention can be provided that the individual lenses are equally deformable are. You can also continue partially different groups of individual lenses deformable be, which has a local effect on the respective imaging property. With that you can For example, curve lights, sidelights or adaptive headlight systems be formed.
Es kann auch eine andere Elektrodengeometrie vorgesehen sein, um je nach Erzeugung der gewünschten Lichtabstrahlung eine asymmetrische Verformung der jeweiligen Linsen zu erzeugen. Die Linse kann auch direkt über ein Trägersubstrat mit Spannung beaufschlagt werden. Als Trägersubstrat kann ein transparenter Halbleiter, beispielsweise Indium-Zinnoxid, vorgesehen sein.It It is also possible to provide another electrode geometry in each case after generation of the desired Light emission asymmetric deformation of the respective lenses to create. The lens can also be applied directly via a carrier substrate with voltage become. As a carrier substrate can a transparent semiconductor, such as indium-tin oxide provided be.
Insbesondere können alle Materialien für die erfindungsgemäße Linsenvorrichtung für bestimmte Wellenlängen transparent ausgestaltet sein.Especially can all materials for the lens device according to the invention transparent for certain wavelengths be designed.
Es können damit beispielsweise Beleuchtungseinrichtungen im Generellen, beispielsweise für Projektionsgeräte und insbesondere für Scheinwerfer, bevorzugt für Fahrzeuge, realisiert werden.It can thus, for example, lighting equipment in general, for example for projection devices and in particular for headlights, preferred for Vehicles, be realized.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination, die der Fachmann zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen wird.in the Next, the invention will be described with reference to the drawing embodiments explained in more detail. The The drawing, the description and the claims contain numerous features in combination, which the skilled person expediently consider individually and sum up to meaningful further combinations.
Dabei zeigen:there demonstrate:
In den Figuren sind im Wesentlichen gleich bleibende Teile mit gleichen Bezugszeichen beziffert.In The figures are essentially the same parts with the same Numbered.
In
In
einer Detailansicht einer Linse
Das
Gehäuse
Zwei
auf der unteren Abdeckung
Die
Paare bildenden Elektroden
Die
Form der unter elektrischer Influenzwirkung stehenden Linse
Bei
einem Linsenarray, das eine unsymmetrische, jedoch gleichen Verformung
der jeweiligen Linsen
Zur
Veranschaulichung der Abbildungseigenschaften der erfindungsgemäßen Linsenvorrichtung
ist in den
Claims (17)
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