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Es
wird eine optische Vorrichtung, insbesondere eine Beleuchtungsvorrichtung,
mit einem verformbaren optischen Element beschrieben.
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In
zahlreichen Mobiltelefonen sind Fotokameras integriert, die weitergehend
mit einem Blitzlicht ausgestattet sein können. Als Lichtquelle für das Blitzlicht
wird beispielsweise ein LED-Chip verwendet.
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Bei
einer Weiterentwicklung dieser Vorrichtungen sollen die Fotokameras
ein Zoomobjektiv aufweisen. Hierbei wäre bezüglich des Blitzlichts ein variabler
Ausleuchtungsbereich wünschenswert.
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Herkömmlicherweise
kann ein variabler Ausleuchtungsbereich mit einer Mehrzahl von Linsen und
einem Verstellmechanismus für
die Linsen realisiert werden.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Vorrichtung
mit einer variablen Strahlformung anzugeben, wobei eine Änderung
bei der Strahlformung einen möglichst
geringen technischen Aufwand erfordern soll. Insbesondere soll eine
entsprechende Beleuchtungsvorrichtung mit einem variablen Beleuchtungsbereich
angegeben werden.
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Diese
Aufgabe wird mit einer optischen Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die
optische Vorrichtung weist eine Lichtquelle und/oder einen Strahlungsdetektor
und ein der Lichtquelle beziehungsweise dem Strahlungsdetektor nachgeordnetes
optisches Element auf, das einen eine Abbildungseigenschaft des
optischen Elements beeinflussenden, vorzugsweise einstückig ausgeführten Optikkörper enthält, der
sich bei elektrischer Ansteuerung des optischen Elements verformt.
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Dieser
optischen Vorrichtung liegt allgemein der Gedanke zugrunde, ein
optisches Element, das einen eine Abbildungseigenschaft des optischen
Elements beeinflussenden, Optikkörper
enthält,
der sich bei elektrischer Ansteuerung des optischen Elements verformt,
zur Strahlformung und/oder Strahlführung für die von der Lichtquelle,
bevorzugt von einem Halbleiterkörper,
emittierte Strahlung beziehungsweise für die von dem Strahlungsdetektor
detektierte Strahlung zu verwenden.
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Bevorzugt
weist die optische Vorrichtung eine Lichtquelle auf und bildet somit
eine Beleuchtungsvorrichtung. Diese Ausgestaltung wird im Folgenden
noch genauer erläutert.
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Die
optische Vorrichtung eignet sich aber auch als Sensorvorrichtung
mit einem Strahlungsdetektor. Es ist auch möglich, die beiden Varianten
zu kombinieren, so dass die optische Vorrichtung als Hybridvorrichtung
eine Lichtquelle und einen Strahlungsdetektor enthält.
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Bei
zumindest einer Ausführungsform
der optischen Vorrichtung enthält
der Optikkörper
ein flüssiges
Medium, beispielsweise ein Öl.
Bevorzugt weist das optische Element ein an das flüssige Medium
grenzendes Material auf, an das in Abhängigkeit der elektrischen Ansteuerung
des optischen Elements eine elektrische Spannung angelegt wird und das
gegebenenfalls in Abhängigkeit
der elektrischen Ansteuerung von einem elektrischen Strom durchflossen
wird, wobei ein Benetzungswinkel des vorzugsweise flüssigen Mediums
des Optikkörpers
von der Spannung beziehungsweise der Stromstärke abhängt. Es können auch weitere physikalische
Effekte zur Verformung des Optikkörpers herangezogen werden.
Beispielsweise kann mittels der elektrischen Ansteuerung eine Temperaturänderung
herbeigeführt werden,
die zu einer optisch wirksamen Verformung des Optikkörpers führt. Auch
eine Verformung in Abhängigkeit
der Frequenz der elektrischen Ansteuerung wäre denkbar.
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Bei
einer bevorzugten Weiterbildung enthält das optische Element eine
Einfassung für
den Optikkörper.
Diese Einfassung kann einen ringförmigen Querschnitt aufweisen,
wobei der Optikkörper
innerhalb der Ringapertur angeordnet ist. Weitergehend kann die
Einfassung nach Art eines Hohlzylinders oder Hohlkegels mit einem
zylindrischen oder kegelförmigen
Hohlraum ausgebildet sein. Selbstverständlich sind auch andere Ausgestaltungen
der Einfassung, etwa mit einer Anordnung des Optikkörpers in einer
Ausnehmung oder einem Durchbruch der Einfassung, möglich.
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Bei
einervorteilhaften Ausgestaltung der Beleuchtungsvorrichtung dient
die Einfassung zugleich als Reflektor für die von der Lichtquelle erzeugte
beziehungsweise von dem Strahlungsdetektor empfangene Strahlung.
Hierzu eignet sich insbesondere eine Einfassung in Form eines Hohlzylinders
oder Hohlkegels.
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In
einem Konktaktbereich ist zwischen Optikkörper und Einfassung ein Material
angeordnet, das mit dem Optikkörper
derart in Kontakt steht, dass das Medium des Optikkörpers dieses
Material benetzt. Diese Benetzung ist durch den so genannten Benetzungswinkel
charakterisiert, wobei sich der Benetzungswinkel in Abhängigkeit
der elektrischen Ansteuerung ändert.
Die Änderung
des Benetzungswinkels in Abhängigkeit
der elektrischen Ansteuerung führt
zu einer Formänderung
der Oberfläche
beziehungsweise Grenzfläche
des Optikkörpers
und damit insgesamt zu einer Verformung des Optikkörpers.
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Weitergehend
kann die genannte Einfassung mit dem den Benetzungswinkel in Abhängigkeit der
elektrischen Ansteuerung ändernden
Material versehen, beispielsweise beschichtet, sein, ein solches
Material enthalten oder aus einem solchen Material bestehen.
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Bei
einer weiteren Ausgestaltung der optischen Vorrichtung kann auf
der der Lichtquelle beziehungsweise dem Strahlungsdetektor abgewandten Seite
des Optikkörpers
ein weiteres Medium, etwa eine Flüssigkeit, ein Gel oder ein
Gas vorgesehen sein, dessen Brechungsindex vorzugsweise von dem Brechungsindex
des Optikkörpers
verschieden ist. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn dieses weitere
Medium etwa die gleiche Dichte wie der Optikkörper besitzt.
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Zweckmäßigerweise
sind das Medium des Optikkörpers
und das weitere Medium nicht mischbar. So kann beispielsweise als
Medium für
den Optikkörper
eine Flüssigkeit
und als weiteres Medium eine weitere, mit der Flüssigkeit des Optikkörpers nicht
mischbare Flüssigkeit,
ein Gel oder ein Gas verwendet werden.
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Bei
zumindest einer Ausführungsform
der optischen Vorrichtung als Beleuchtungsvorrichtung oder Hybridvorrichtung
enthält
die Lichtquelle mindestens ein LED-Bauelement oder einen LED-Chip. Unter
einem LED-Bauelement ist ein optoelektronisches Beuelement zu verstehen,
das zumindest ein Gehäuse
und wenigstens einen LED-Chip aufweist. Weitergehend kann statt
einem LED-Bauelement oder -chip auch ein anderes Lichtemissiondiodenbauelement
oder ein anderer Lichtemissionsdiodenchip wie beispielsweise eine
Laserdiode verwendet werden.
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Bei
zumindest einer Ausführungsform
der Beleuchtungs- oder Hybridvorrichtung ist die Lichtquelle, beispielsweise
das LED-Bauelement
oder der LED-Chip, zumindest teilweise von dem Optikkörper umhüllt. Vorzugweise
sind dabei ein LED-Chip oder mehrere LED-Chips in das Medium des
Optikkörpers eingebettet.
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Der
Strahlungsdetektor im Fall einer Sensor- oder Hybridvorrichtung
ist vorzugsweise als Photodiodenchip oder Photodiodenbauelement
ausgeführt. Unter
einem Photodiodenbauelement ist dabei ein optoelektronisches Bauelement
zu verstehen, das zumindest ein Gehäuse und wenigstens einen Photodiodenchip
aufweist. Weitergehend kann der Strahlungsdetektor auch ein bildgebender
Detektor, vorzugsweise ein CCD-Chip oder ein CCD-Bauelement sein.
Bei diesen Ausgestaltungen ist es wiederum vorteilhaft, den Photodiodenchip,
das Photodiodenbauelement, den CCD-Chip beziehungsweise das CCD-Bauelement
mit dem Optikkörper
zu umhüllen.
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Die
beschriebene optische Vorrichtung zeichnet sich durch mindestens
eine der folgenden vorteilhaften Eigenschaften aus:
- – geringer
Platzbedarf und kompakter Aufbau
- – schnelle
Ansprechzeit
- – keine
beweglichen Teile (etwa im Sinne eines Verstellmechanismus)
- – direkte
Ansteuerung mittels eines elektrischen Signals
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Die
optische Vorrichtung wird nachfolgend anhand der 1 bis 3 näher erläutert.
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Es
zeigen
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1 eine
schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der optischen
Vorrichtung in einem ersten Betriebszustand,
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2 eine
schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels der optischen
Vorrichtung in einem zweiten Betriebszustand, und
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3 eine
schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der optischen
Vorrichtung.
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Gleiche
oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen
versehen.
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1 zeigt
eine optische Vorrichtung, die als Beleuchtungsvorrichtung ausgestaltet
ist, mit einer Lichtquelle 1 in Form eines LED-Chips, die
auf ein Substrat 2 montiert ist.
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Der
Lichtquelle 1 nachgeordnet ist ein optisches Element, das
eine um die Lichtquelle 1 herum angeordnete, vorzugsweise
hohlzylindrischen Einfassung 3, die weiter bevorzugt als
Reflektor ausgeführt
sein kann, aufweist.
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Weiterhin
weist das optische Element einen Optikkörper 4 auf, der die
Lichtquelle 1 zumindest teilweise umhüllt. Vorzugsweise ist der Optikkörper ein
flüssiges
Medium, beispielsweise ein Flüssigkeitstropfen.
Auf der von der Lichtquelle 1 abgewandten Seite des Optikkörpers kann
ein weiteres Medium 5, beispielsweise ein weiteres flüssiges Medium,
insbesondere ein Gel, oder ein Gas vorgesehen sein.
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Wesentlich
ist, dass das weitere Medium 5 und das vorzugsweise flüssige Medium
des Optikkörpers 4 nicht
mischbar sind und sich im Brechungsindex und vorzugsweise in ihren Benetzungseigenschaften
unterscheiden. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Medium des
Optikkörpers
und das weitere Medium etwa die selbe Dichte aufweisen.
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Abstrahlungsseitig
ist die Einfassung mit einem Strahlungsaustrittsfenster 8,
etwa einer Glas- oder Kunststoffplatte versehen. Das Strahlungsaustrittsfenster
kann im Rahmen der Erfindung auch als optisch wirksames Element,
beispielsweise als refraktives oder diffraktives Element ausgestaltet
sein. So kann das Strahlungsaustrittsfenster beispielsweise auch
gekrümmte
Oberflächen
ausweisen und weitergehend als Gitter, Fresneloptik oder Mikrolinsenarray
ausgebildet sein (nicht dargestellt).
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Die
Einfassung 3 ist mit einem an den Optikkörper 4 grenzenden
Material 6 beschichtet, das bei Durchfluss eines elektrischen
Stroms seine Oberflächenspannung ändert. Dadurch ändert sich
der Benetzungswinkel γ für das angrenzende
Medium des Optikkörpers 4,
so dass sich der Optikkörper 4 bei entsprechender
elektrischer Ansteuerung verformt. Dieser Effekt ist auch als unter
dem Begriff „Electrowetting" bekannt.
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1 zeigt
die Beleuchtungsvorrichtung in einem ersten Betriebszustand, etwa
in einem Ruhezustand, bei dem die Beschichtung 6 der Einfassung 3 stromlos
ist. Der Benetzungswinkel γ der
zwischen dem Optikkörper 4 und
dem weiteren Medium 5 gebildete Grenzfläche beträgt näherungsweise 90°. Selbstverständlich ist
dieser Ruhezustand lediglich beispielhaft zu verstehen, wobei insbesondere
im Ruhezustand auch eine andere Grenzflächenform wie beispielsweise
eine in Richtung der Lichtquelle durchgebogene Grenzfläche (gestrichelt
dargestellt) möglich
ist.
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2 zeigt
die Beleuchtungsvorrichtung in einem zweiten Betriebszustand, etwa
in einem aktivierten Zustand, bei dem die Beschichtung 6 der
Einfassung 3 aufgrund einer entsprechenden elektrischen
Ansteuerung des optischen Elements von einem Strom durchflossen
wird.
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Wie
bereits beschrieben ändert
der Stromfluss in der Beschichtung 6 den Benetzungswinkel γ des angrenzenden,
vorzugsweise flüssigen
Mediums des Optikkörpers 4,
so dass sich der Optikkörper 4 in der
Folge verformt. Dadurch bildet der Optikkörper abstrahlungsseitig ein
gewölbte
Fläche 9 aus,
mittels der eine Linsenwirkung erzielt wird. In Abhängigkeit der
elektrischen Ansteuerung kann somit eine Strahlformung oder -führung für das von
der Lichtquelle erzeugte Licht erreicht werden. Diese Art der Strahlformung
beziehungsweise -führung
zeichnet sich insbesondere durch eine geringe Leistungsaufnahme
und eine kurze Ansprechzeit aus.
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In 3 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel einer
Beleuchtungsvorrichtung dargestellt. Die Beleuchtungsvorrichtung
weist eine zylindrische Einfassung 3 mit einer kegelstumpfförmigen Ausnehmung auf,
in der der Optikkörper 4 angeordnet
ist. Als Medium für
den Optikkörper 4 dient
eine vorzugsweise isolierende Flüssigkeit,
beispielsweise ein Öl.
In den Optikkörper
ist ein LED-Chip 1 eingebettet.
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Dem
Optikkörper
nachgeordnet ist ein weiteres, vorzugsweise elektrisch leitfähiges Medium 5, etwa
eine elektrisch leitende Flüssigkeit.
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Dieses
weitere Medium 5 bildet vermittels der Elektrode 10 und
der auf der dem Optikkörper
abgewandten Seite der Einfassung 3 aufgebrachten Gegenelektrode 11 eine
Kondensatorstruktur. In Abhängigkeit
der an diese Kondensatorstruktur angelegten Spannung UB ändert sich
der Benetzungswinkel γ der
Grenzfläche
zwischen dem Optikkörper 4 und
dem weiteren Medium 5, so dass sich der Optikkörper 4 verformt.
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Die
Beleuchtungsvorrichtung eignet sich insbesondere als Blitzlicht
mit variablem Ausleuchtungsbereich, etwa zur Verwendung in einer
Digitalkamera, einem Mobiltelefon oder einen mobilen Computer, etwa
einem PDA, oder in einer Projektionsvorrichtungen, etwa in einem
Beamer. Als Blitzbeziehungsweise Projektionslichtquelle dient dabei jeweils
bevorzugt mindestens ein LED-Chip oder ein LED-Bauelement.
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Die
Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele
beschränkt. Vielmehr
umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination
von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in
den Patentansprüchen
beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst
nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben
ist.