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Es
wird ein Infrarot-Beleuchtungssystem sowie ein Kfz-Scheinwerfer
mit mindestens einem solchen Beleuchtungssystem angegeben.
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Im
Gegensatz zu sichtbarer Strahlung kann Infrarotstrahlung vom menschlichen
Auge nicht wahrgenommen werden. Infrarotstrahlung eignet sich daher
zu Beleuchtungszwecken in Situationen, in denen die Strahlung der
Beleuchtungsquelle das menschliche Auge nicht stören soll
oder eine Wahrnehmung durch das menschliche Auge generell unerwünscht
ist.
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Weiterhin
bietet Infrarot-, insbesondere Nahinfrarotstrahlung, den Vorteil,
dass diese vergleichsweise leicht zu detektieren ist. Zur Detektion
eignen sich etwa Kameras auf Silizium- oder Indiumgalliumarsenidbasis.
Ein weiterer Vorteil von Infrarotstrahlung ist, dass diese aufgrund
der größeren Wellenlänge von kleinen
Partikeln wie beispielsweise Nebel oder Staub wesentlich weniger
stark gestreut wird als kurzwelligere sichtbare Strahlung. Auch
zeigen viele Materialien, die im sichtbaren Spektralbereich stark absorbierend
sind, insbesondere im nahinfraroten Spektralbereich, eine ausgeprägte
Transparenz. Somit kann Infrarotstrahlung auch in Umgebungen oder unter
Umweltbedingungen eingesetzt werden, in denen sichtbares Licht aufgrund
Streuung oder Absorption nicht zu verwenden ist.
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Eine
zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Infrarot-Beleuchtungssystem
anzugeben, das besonders gute optische Eigenschaften aufweist. Eine
weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, einen Kfz-Scheinwerfer
anzugeben, der mindestens ein Infrarot-Beleuchtungssystem beinhaltet
und eine kompakte Bauweise aufweist.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Infrarot-Beleuchtungssystems
umfasst dieses mindestens eine Laserdiode, bevorzugt genau eine Laserdiode,
die dazu ausgestaltet ist, im Betrieb Licht im infraroten Spektralbereich
zu emittieren. Aufgrund der guten Verfügbarkeit von Detektoren
in diesem Spektralbereich eignen sich insbesondere Laserdioden,
die nahinfrarotes Licht emittieren. Technisch ist insbesondere der
Spektralbereich von 800 nm bis zirka 1000 nm relevant, da kostengünstige,
auf Silizium basierende Fotodioden in diesem Spektralbereich sehr
sensitiv sind. Die Laserdiode kann schmalbandiges nahinfrarotes
Licht emittieren, beispielsweise um zirka 940 nm oder um 980 nm.
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Gegenüber
Leuchtdioden weisen Laserdioden signifikant höhere optische
Ausgangsleistungen auf. Bevorzugt beträgt die Leistung
des von der Laserdiode emittierten Lichts zwischen 0,25 W und 4
W, besonders bevorzugt zwischen 0,75 W und 1,5 W. Neben den höheren
realisierbaren optischen Ausgangsleistungen weist das von einem
Laser emittierte Licht optisch gute Eigenschaften auf, insbesondere
kann Laserlicht einfach kollimiert werden.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform weist das Infrarot-Beleuchtungssystem
mindestens zwei Laserdioden auf. Die Laserdioden können
im gleichen Wellenlängenbereich emittieren oder auch in
unterschiedlichen Spektralbereichen. Beispielsweise kann eine Laserdiode
Licht bei zirka 940 nm aussenden und eine zweite Laserdiode Licht
bei etwa 1400 nm, das von beispielsweise CCD-Kameras aus Silizium-Basis,
im Gegensatz zur Strahlung bei 940 nm, nicht mehr detektiert wird.
Hierdurch wird eine frequenzselektive Detektion erleichtert. Über
die Verwendung verschiedener Frequenzen des emittierten Lichts können
beispielsweise Bild gebende Verfahren und entfernungsbestimmende
Methoden kombiniert werden.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Infrarot-Beleuchtungssystems
weist dieses mindestens eine Kollimatoreinheit, zum Beispiel eine
so genannte Fast-Axis-Kollimatoreinheit, auf, die der Laserdiode
nachgeordnet ist. Nachgeordnet bedeutet hierbei, dass von der Laserdiode
emittiertes Licht auf eine Lichteintrittsfläche des Kollimators
trifft, der Kollimator der Laserdiode bezüglich deren Abstrahlrichtung
nachgeordnet ist. Der Kollimator kann aus einer einzigen einstückigen
Linse aufgebaut sein. Ebenso ist es möglich, dass der Kollimator
aus beispielsweise zwei Linsen besteht, die durch einen Luftspalt
voneinander separiert sind und etwa die horizontale und vertikale
Kollimierung des von der Laserdiode emittierten Lichts bewerkstelligen.
Die Kollimatoreinheit kann auch mehrere Komponenten aufweisen, die
direkt, das heißt ohne Luftspalt, miteinander verbunden
sind und etwa aus Materialien mit unterschiedlichem optischem Brechungsindex
gebildet sind. Eine solche Kollimatoreinheit kann als Achromat ausgestaltet
sein. Aufgrund der einfacheren Bauart und sich dadurch verringernden
Komplexität des Infrarot-Beleuchtungssystems ist die Kollimatoreinheit
bevorzugt einstückig ausgestaltet.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Infrarot-Beleuchtungssystems
ist der Kollimator eine reflektiv wirkende optische Komponente,
zum Beispiel ein Konvexspiegel. Über den Einsatz eines reflektiven
Elements kann der Platzbedarf des Beleuchtungssystems reduziert
werden.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Infrarot-Beleuchtungssystems
weist dieses ein Mikrolinsen-Array auf, das der Kollimatoreinheit
in Strahlrichtung nachgeordnet ist. Das heißt, Licht von der
Laserdiode durchläuft zuerst die Kollimatoreinheit und
wird anschließend von der Kollimatoreinheit zum Mikrolinsen-Array
gelenkt. Wie die Kollimatoreinheit kann das Mikrolinsen-Array mehrstückig
ausgeführt sein. Das Mikrolinsen-Array weist eine Lichteintrittsfläche
auf. Die Lichteintrittsfläche ist der Kollimatoreinheit
zugewandt. An der der Lichteintrittsfläche gegenüberliegenden
Seite des Mikrolinsen-Arrays liegt dessen Lichtaustrittsfläche.
Die Lichtaustrittsfläche ist in Form einer Vielzahl von
Mikrolinsen ausgestaltet. Die einzelnen Mikrolinsen weisen bevorzugt
einen kreisförmigen, quadratischen oder hexagonalen Grundriss
auf. Der Durchmesser der Mikrolinsen beträgt bevorzugt
zirka 0,2 bis 4 mm, besonders bevorzugt 0,3 bis 2 mm. Die einzelnen
Mikrolinsen sollten groß genug ausgeführt sein,
um Beugungseffekte an den einzelnen Linsen zu vermeiden, um eine
hohe Qualität der optischen Abbildung zu gewährleisten.
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Als
Materialien für Kollimatoreinheit und Mikrolinsen-Array
eignen sich beispielsweise Gläser, Kunststoffe wie Polycarbonat
oder auch Silikone. Diese Werkstoffe können mittels Spritz-
oder Druckgießverfahren effizient hergestellt werden. Über
entsprechende Gießformen können auch komplexe
Geometrien der Lichtein- und -austrittsflächen kostengünstig
verwirklicht werden.
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In
zumindest einer Ausführungsform umfasst das Infrarot-Beleuchtungssystem
mindestens eine Laserdiode, die dazu ausgestaltet ist, im Betrieb
Licht im infraroten Spektralbereich zu emittieren, sowie mindestens
eine Kollimatoreinheit, die der Laserdiode in Strahlrichtung nachgeordnet
ist, und außerdem ein Mikrolinsen-Array, das der Kollimatoreinheit
in Strahlrichtung nachgeordnet ist. Die Kollimatoreinheit leuchtet
mit dem von der Laserdiode emittierten Licht das Mikrolinsen-Array
aus. Die Abstrahlcharakteristik des Beleuchtungssystems ist vom
Mikrolinsen-Array bestimmt.
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Mit
anderen Worten dient die Kollimatoreinheit dazu, das von der Laserdiode
emittierte Licht derart zu verteilen, so dass das Mikrolinsen-Array ausgeleuchtet
wird. Die Kollimatoreinheit bestimmt daher insbesondere nicht oder
zumindest nicht wesentlich die Abstrahlcharakteristik des Beleuchtungssystems.
Die Abstrahlcharakteristik wird maßgeblich, bevorzugt ausschließlich,
von den Mikrolinsen des Mikrolinsen-Arrays festgelegt.
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Ein
solches Infrarot-Beleuchtungssystem weist besonders gute optische
Eigenschaften auf. Da die Abstrahlcharakteristik vom Mikrolinsen-Array
bestimmt ist, lässt sich die Abstrahlcharakteristik in
vielfältiger Weise gestalten und auch detailliert einstellen.
Insbesondere kann die Abstrahlung sehr homogen sein. Das Mikrolinsen-Array
kann zudem weitestgehend unabhängig von den anderen Komponenten des
Beleuchtungssystems gestaltet werden und insbesondere eine nicht
symmetrische Austrittsapertur aufweisen.
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Laserdioden
weisen eine hohe Energiedichte auf und strahlen auf kleinen Flächen
Licht konzentriert mit hohen Intensitäten ab. Die Strahlung
von Laserdioden kann daher prinzipiell gesundheitsschädlich
sein, insbesondere können leicht Augenschäden verursacht
werden. Daher ist der Einsatz von Lasern in Anwendungsbereichen,
wie beispielsweise zu Beleuchtungszwecken, oft kritisch zu beurteilen
und bedarf einer Sicherheitsprüfung. Eine Möglichkeit,
die Gefährlichkeit der Laserstrahlung zu reduzieren beziehungsweise
zu beseitigen, besteht darin, die Laserstrahlung vor Verlassen eines
Geräts geeignet aufzuweiten, so dass kritische Werte für
die Leistung pro Flächeneinheit nicht überschritten
werden.
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Dies
kann durch den beschriebenen Aufbau realisiert werden. Das Licht
einer auf einer kleinen Fläche intensiv abstrahlenden Laserdiode
wird durch eine Kollimatoreinheit geeignet aufgeweitet und trifft in
aufgeweitetem Zustand auf ein Mikrolinsen-Array. Nach Verlassen
des Mikrolinsen-Arrays ist die Lichtintensität so gering,
dass keine Augenschäden mehr entstehen. Als Richtwerte
können die von der International Commission an Non-Ionizing
Radiation Protection herausgegebenen Guidelines, veröffentlicht
im Artikel „Revision of Guidelines On Limits of Exposure
To Laser Radiation of Wavelengths Between 400 nm And 1.4 μm",
Seiten 431 bis 440, dienen.
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Entsprechendes
Prinzip kann auch in Verbindung mit anderen, über kleine
Flächen intensiv abstrahlenden Lichtquellen wie Leuchtdioden
angewandt werden, wenngleich die Abstrahleigenschaften bezüglich
der Strahlqualität von Laserdioden, verglichen mit Leuchtdioden,
meist besser sind.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Infrarot-Beleuchtungssystems
ist die Lichtintensität pro Flächeneinheit beim
Austritt aus dem Infrarot-Beleuchtungssystem so gering, dass dieses
der Laserklasse 1 oder 1M angehört, gemäß der Europäischen
Norm EN60825-1. Geräte der Laserklasse 1 beziehungsweise
1M weisen lediglich eine zugängliche Laserstrahlung auf,
deren Leistungsdichte ungefährlich ist, solange keine optischen
Instrumente wie Lupen oder Ferngläser von einem Beobachter
verwendet werden.
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Da
nahinfrarote Strahlung vom menschlichen Auge nicht wahrgenommen
wird, werden im Gegensatz zu beispielsweise grellem sichtbaren Licht
Augenschäden durch den natürlichen Lidschlussreflex
nicht verhindert. Daher muss das Infrarot-Beleuchtungssystem, um
zum Beispiel Augenschäden zu vermeiden, entsprechend geringe
Lichtleistungen pro strahlender Fläche gewährleisten.
Die jeweilige maximal zulässige Lichtleistung pro Fläche ist
abhängig von der konkreten Ausgestaltung des Infrarot-Beleuchtungssystems
und sollte in jedem Fall unterhalb 1 mW/mm2 liegen.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Infrarot-Beleuchtungssystems
weist dieses genau eine Kollimatoreinheit auf. Die Kollimatoreinheit ist
bevorzugt einstückig ausgeführt und besteht nur aus
einer einzigen Subkomponente. Das heißt, die Kollimatoreinheit
ist dann nicht, ähnlich wie bei einem Achromaten, aus zwei
aneinander gefügten Linsen aufgebaut. Durch die Verwendung
lediglich einer einzigen Kollimatoreinheit wird der Aufbau des Infrarot-Beleuchtungssystems
einfach gehalten, wodurch sich die Herstellungskosten für
das Beleuchtungssystem reduzieren.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Infrarot-Beleuchtungssystems
weist die der Laserdiode zugewandte Lichteintrittsfläche
der Kollimatoreinheit eine zylindrisch ausgeformte, und die von der
Laserdiode abgewandte Lichtaustrittsfläche der Kollimatoreinheit
eine hyperboloid gestaltete Formgebung auf. Durch eine derart gestaltete
Kollimatoreinheit, die bevorzugt einstückig ausgeführt
ist, kann Licht in vertikaler Richtung kollimiert und gleichzeitig in
horizontaler Richtung divergiert werden. Die komplexen Formgebungen
von Lichtein- beziehungsweise -austrittsfläche können
etwa über mathematische Verfahren, wie die Wellenfrontkorrektur
nach Levi-Civita, mit vergleichsweise geringem Aufwand berechnet
werden. Über beispielsweise Spritzgussverfahren sind derartige
komplex ausgeformte Linsen, die die Kollimatoreinheit bilden, kostengünstig
und in großen Stückzahlen herstellbar.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Infrarot-Beleuchtungssystems
befinden sich zwischen Kollimatoreinheit und Mikrolinsen-Array keine weiteren
optisch wirksamen Komponenten. Solche Komponenten sind insbesondere
Linsen oder reflektierende Optiken wie Spiegel. Zu derartigen Komponenten
zählen auch Elemente wie Filtermasken oder Blenden. Durch
das Weglassen derartiger Komponenten wird der Aufbau des Infrarot-Beleuchtungssystems
einfach gehalten, so dass dieses effizient und kostengünstig
hergestellt werden kann.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Infrarot-Beleuchtungssystems
wird das Mikrolinsen-Array vom Kollimator homogen ausgeleuchtet. Homogen
bedeutet hierbei, dass die Lichtintensität an der Lichteintrittsfläche
des Mikrolinsen-Arrays von einem über die gesamte Lichteintrittsfläche
gemittelten Wert lokal weniger als 20%, bevorzugt weniger als 10%,
besonders bevorzugt weniger als 5% abweicht. Das heißt,
die Lichtleistung pro Flächeneinheit ist über
die gesamte effektive Fläche des Mikrolinsen-Arrays innerhalb
der angegebenen Grenzen als konstant anzusehen. Als effektive Fläche
ist die Fläche des Mikrolinsen-Arrays zu verstehen, über
die Infrarotlicht das Beleuchtungssystem verlassen kann. Durch eine
gleichmäßige Ausleuchtung des Mikrolinsen-Arrays
ist eine hohe Freiheit bezüglich der Ausgestaltungsmöglichkeiten
des Mikrolinsen-Arrays ermöglicht. Die Abstrahlcharakteristik
des Infrarot-Beleuchtungssystems kann im Falle homogener Ausleuchtung
durch die Kollimatoreinheit ausschließlich durch das Mikrolinsen-Array
bestimmt sein.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Infrarot-Beleuchtungssystems
ist das Mikrolinsen-Array einstückig gestaltet. Ein solches
Mikrolinsen-Array lässt sich beispielsweise über
ein Spritzgussverfahren oder durch Pressen herstellen und ist besonders
kostengünstig.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Infrarot-Beleuchtungssystems
ist die der Kollimatoreinheit zugewandte Lichteintrittsfläche
des Mikrolinsen-Arrays als Freiformfläche gestaltet. Freiformfläche
bedeutet hierbei, dass die Lichteintrittsfläche asphärisch
ist. Eine solche etwa glatte Freifläche kann, beispielsweise
mit Hilfe eines Levi-Civita-Verfahrens, optimiert und gestaltet
werden. Durch die Verwendung einer Freiformfläche wird,
etwa entsprechend einer Wellenfrontkorrektur, gewährleistet, dass
der Strahlengang im Inneren des Mikrolinsen-Arrays im Wesentlichen
senkrecht zur Lichtaustrittsfläche des Mikrolinsen-Arrays
ausgerichtet ist. Als Lichtaustrittsfläche des Mikrolinsen-Arrays
wird hierbei eine über die Mikrolinsen geglättete,
fiktive Fläche verstanden. Über eine solche Lichteintrittsfläche
können über das Mikrolinsen-Array besonders vielfältige
und präzise einstellbare Abstrahlcharakteristiken des Beleuchtungssystems
realisiert werden.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Infrarot-Beleuchtungssystems
ist die der Laserdiode abgewandte Seite des Mikrolinsen-Arrays mit mindestens
einer Fresnel-Linse gestaltet. Fresnel-Linsen erlauben eine hohe
Flexibilität in der Ausgestaltung der Abstrahlcharakteristik
des Beleuchtungssystems und weisen zudem eine wenig raumgreifende
Strukturierung auf, so dass das Mikrolinsen-Array sehr flach gestaltet
werden kann.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Infrarot-Beleuchtungssystems
weist das Mikrolinsen-Array höchstens eine Symmetrieebene
auf. Unter Symmetrieebene ist hierbei eine fiktive Ebene zu verstehen,
die das Mikrolinsen-Array schneidet. Diese Ebene ist dann eine Symmetrieebene,
wenn durch Spiegelung an dieser Ebene ein sich auf einer Seite der
Ebene befindlicher Teil des Mikrolinsen-Arrays sich aus einem auf
der anderen Seite der Ebene befindlichen Teils des Mikrolinsen-Arrays
ergibt. Die einzelnen Mikrolinsen müssen hierbei durch
das Spiegeln nicht exakt wiedergebbar sein, lediglich eine Einhüllende über
die Mikrolinsen der Lichtaustrittsfläche des Mikrolinsen-Arrays
muss über das Spiegelverfahren an der Symmetrieebene konstruierbar
sein. Bevorzugt ist das Mikrolinsen-Array derart gestaltet, dass
es keine einzige Symmetrieebene gibt. Ein solches Mikrolinsen-Array
weist also ein unregelmäßig gestaltetes Mikrolinsen-Array
auf, das heißt, insbesondere der Umriss des Mikrolinsen-Arrays
ist unregelmäßig gestaltet. Ein solches Infrarot-Beleuchtungssystem
ist vielfältig und flexibel ausgestaltbar und leicht in
ein externes Gerät integrierbar.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Infrarot-Beleuchtungssystems
sind die Lichtaus- und -eintrittsflächen von Kollimatoreinheit
und Mikrolinsen-Array mit antireflektierenden Beschichtungen vergütet.
Durch solche Beschichtungen werden Reflexionen an den Grenzflächen
weitestgehend verhindert. Hierdurch erhöht sich zum einen
die Abstrahleffizienz des Beleuchtungssystems und zum anderen die
Qualität der optischen Abbildungen, da Reflexe unterbunden
sind.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Infrarot-Beleuchtungssystems
beträgt dessen größte Längsausdehnung
höchstens 140 mm und dessen größter Durchmesser
höchstens 80 mm. Besonders bevorzugt beträgt die
Längsausdehnung höchstens 110 mm und der Durchmesser
höchstens 60 mm, ganz besonders bevorzugt die Längsausdehnung
höchstens 80 mm und der Durchmesser höchstens
50 mm. Ein derartiges Beleuchtungssystem ist sehr kompakt und kann
vielseitig eingesetzt werden.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Infrarot-Beleuchtungssystems
umfasst dieses mindestens eine Lichtquelle, die im Betrieb mindestens
zum Teil sichtbares Licht emittiert. Eine solche Lichtquelle kann
eine Laserdiode, eine Leuchtdiode, eine Halogenlampe, eine Glühlampe
oder eine andere geeignete Lichtquelle sein. Bevorzugt weist diese Lichtquelle
nur geringe geometrische Abmessungen auf, die vergleichbar oder
kleiner sind als die geometrischen Abmessungen der Laserdiode. Die
Lichtquelle kann derart funktionalisiert sein, dass das von der
Lichtquelle emittierte sichtbare Licht ebenfalls über die
Kollimatoreinheit und über das Mikrolinsen-Array der Infrarot-Laserdiode
zu Beleuchtungszwecken verwendet wird.
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Die
Lichtquelle kann gleichzeitig oder alternativ mit der Laserdiode
betrieben werden. Ebenso möglich ist es, dass die Lichtquelle
als Betriebsleuchte ausgestaltet ist, sodass einem Betrachter von
außerhalb des Infrarot-Beleuchtungssystems der Betriebszustand
von diesem erkennbar ist, das heißt, die Lichtquelle für
sichtbares Licht ist immer dann in Betrieb, wenn die Laserdiode
Licht emittiert. Durch ein derart ausgestaltetes Infrarot-Beleuchtungssystem
erhöhen sich dessen Ausgestaltungsmöglichkeiten
und dessen Betriebssicherheit.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Infrarot-Beleuchtungssystems
weist dieses eine Abdeckung auf, die dem Mikrolinsen-Array nachgeordnet
ist. Die Abdeckung bildet dann die Lichtaustrittsfläche
des gesamten Infrarot-Beleuchtungssystems aus. Die Abdeckung kann
mit einer antireflektierend ausgebildeten Schicht beschichtet sein. Über eine
Abdeckung kann das Mikrolinsen-Array vor mechanischer Beschädigung
wie etwa Verkratzen oder vor Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit
oder Verschmutzung geschützt werden. Mögliche
Materialien für die Abdeckung sind unter anderem Gläser
oder Kunststoffe. Die Abdeckung erfüllt bevorzugt keine optische
Wirkung, das heißt, die Abdeckung wirkt nicht beispielsweise
als Linse oder Filter für die von der Laserdiode emittierte
infrarote Strahlung. Die Abdeckung kann, je nachdem wo das Infrarot-Beleuchtungssystem
eingesetzt wird, auch andere Zwecke erfüllen, wie beispielsweise
im Falle, dass das Infrarot-Beleuchtungssystem in einem Fahrzeug
eingesetzt ist, die Aerodynamik des Fahrzeugs verbessern.
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Es
wird darüber hinaus ein Kfz-Scheinwerfer angegeben, der
mindestens ein Infrarot-Beleuchtungssystem umfasst, das gemäß mindestens
einer der oben genannten Ausführungsformen gestaltet ist.
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Weitere
Verwendungsmöglichkeiten des Infrarot-Beleuchtungssystems
sind zum Beispiel im Bereich von Überwachungssystemen zu
sehen. Ein zu überwachendes Areal wird, mindestens teilweise, mit
nahinfraroter oder Infrarotstrahlung ausgeleuchtet und dann von
einer entsprechend sensitiven Kamera detektiert. Durch die Verwendung
eines Mikrolinsen-Arrays kann der auszuleuchtende Bereich gezielt
gestaltet werden. Eine weitere Verwendungsmöglichkeit bietet
sich bei der Produktionskontrolle. Hier ist wiederum die erzielbare
homogene und gleichförmige Abstrahlung des Infrarot-Beleuchtungssystems
von Vorteil. Mögliche Einsatzgebiete sind die Kontrolle
von Materialien, die im sichtbaren Spektralbereich etwa stark absorbieren.
Strahlung im kurzwelligeren Bereich, etwa UV- oder Röntgenstrahlung,
ist oft ungeeignet, da auch diese stark absorbiert wird oder nur
aufwändig und kostenintensiv zu erzeugen ist. Da optische
Komponenten wie Linsen im nahinfraroten Spektralbereich noch eine
gute Funktion aufweisen, können über Infrarotstrahlung auch
noch äußerst detaillierte Abbildungen erzielt werden,
im Gegensatz beispielsweise zu langwelligerer Ferninfrarot- oder
Mikrowellenstrahlung.
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Nachfolgend
wird das Infrarot-Beleuchtungssystem unter Bezugnahme auf die Zeichnung
anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Gleiche Bezugszeichen
geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind
dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge
dargestellt.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Schnittdarstellung einer Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels
eines Infrarot-Beleuchtungssystems,
-
2 eine
schematische Schnittdarstellung einer Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels
eines Beleuchtungssystems mit Antireflex-Beschichtungen,
-
3 eine
schematische Schnittdarstellung einer Seitenansicht eines weiteren
Ausführungsbeispiels eines Beleuchtungssystems,
-
4 schematische
Schnittdarstellungen einer Seitenansicht (a) und einer Draufsicht
(b) eines Ausführungsbeispiels eines asymmetrisch aufgebauten
Infrarot-Beleuchtungssystems,
-
5 schematische
Schnittdarstellungen von Seitenansichten (a, b) von Ausführungsbeispielen
von Infrarot-Beleuchtungssystemen mit mehrkomponentiger Kollimatoreinheit
und mehrkomponentigem Mikrolinsen-Array,
-
6 schematische
Schnittdarstellungen von Seitenansichten (a, b) von Ausführungsbeispielen
von Beleuchtungssystemen mit reflektierend wirkender Kollimatoreinheit,
und
-
7 schematische
Schnittdarstellungen von Seitenansichten (a, b, c) von Ausführungsbeispielen
von Beleuchtungssystemen mit zwei Lichtquellen.
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In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel eines Infrarot-Beleuchtungssystems 1 gezeigt.
Eine Laserdiode 2 emittiert nahinfrarote Strahlung. Die
nahinfrarote Strahlung verlässt die Laserdiode 2 divergent, wobei
sich die Divergenzwinkel in horizontaler und vertikaler Richtung
unterscheiden. Nach Verlassen der Laserdiode 2 trifft das
Strahlbündel 9, angedeutet durch Strichlinien,
auf eine Kollimatoreinheit 3.
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Die
Kollimatoreinheit 3 weist eine Lichteintrittsfläche 5 auf,
die der Laserdiode 2 zugewandt ist, und eine Lichtaustrittsfläche 6,
die der Laserdiode 2 abgewandt ist. Der Durchmesser d der
Kollimatoreinheit beträgt Zirka 1,5 mm. Der Abstand a zwischen Laserdiode 2 und
Lichteintrittsfläche 5 der Kollimatoreinheit 3 beträgt
zirka 1 bis 2 mm. Die Lichteintrittsfläche 5 der
Kollimatoreinheit 3 ist zylinderartig ausgestaltet. Dadurch
wird in vertikaler Richtung divergentes Licht der Laserdiode 2,
das eine Divergenz von zirka 40° aufweist, kollimiert,
so dass das Strahlbündel 9 nach Durchlaufen der
Kollimatoreinheit 3 eine kleinere vertikale Divergenz aufweist.
In horizontaler Richtung weist das von der Laserdiode 2 emittierte
Licht nur eine geringe Divergenz auf. Daher ist es erforderlich,
in horizontaler Richtung die Divergenz mittels der Kollimatoreinheit 3 zu
erhöhen. Dies wird erzielt, indem die Lichtaustrittsfläche 6 hyperbolisch
geformt ist. Nach Durchlaufen der Kollimatoreinheit 3 weist
das Lichtbündel 9 in vertikaler, als auch in horizontaler
Richtung eine etwa gleich große Divergenz auf. Hierdurch
wird ein der Kollimatoreinheit 3 nachgeordnetes Mikrolinsen-Array 4 homogen
ausgeleuchtet. Das heißt, eine Lichteintrittsfläche 7 des Mikrolinsen-Arrays 4 weist
lokal Abweichungen von weniger als 20 von einem über die
gesamte Lichteintrittsfläche 7 gemitteltem Wert
der Lichtintensität auf.
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An
einer Lichtaustrittsfläche 8 des Mikrolinsen-Arrays 4 sind
eine Vielzahl von Mikrolinsen 40 ausgebildet. Die einzelnen
Mikrolinsen 40 sind jeweils identisch zueinander. Der Durchmesser
der Mikrolinsen 40 beträgt zirka 1 mm. Zwischen
Lichteintrittsfläche 7 und Lichtaustrittsfläche 8 verlaufen
die einzelnen Strahlen des Strahlbündels 9 im
Mikrolinsen-Array 4 parallel zueinander. Kollimatoreinheit 3 und
Mikrolinsen-Array 4 sind in einem Abstand b von etwa 45
mm voneinander beabstandet. Über die Mikrolinsen 40 des
Mikrolinsen-Arrays 4 kann die Abstrahlcharakteristik des
Beleuchtungssystems 1 nach Durchlaufen des Mikrolinsen-Arrays 4 vielfältig
angepasst werden.
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Die
Längsausdehnung des Beleuchtungssystems L beträgt
in diesem Ausführungsbeispiel zirka 60 mm, der Durchmesser
D zirka 45 mm. In Vorderansicht sind Kollimatoreinheit 3 und
Mikrolinsen-Array 4 rotationssymmetrisch, etwa kreisartig. Bezüglich
einer vertikalen Ausdehnung des Beleuchtungssystems 1 befinden
sich Laserdiode 2 und Kollimatoreinheit 3 in etwa
in der Mitte.
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Der
Durchmesser D, der kleiner oder gleich der Längsausdehnung
L ist, ist hierbei senkrecht zu dieser zu messen und entspricht
der maximalen Ausdehnung senkrecht zur Längsausdehnung
L. Die Längsausdehnung L ist so in einer bestimmten Richtung
zu bestimmen, dass das Produkt aus Längsausdehnung L und
dem Quadrat des Durchmessers D, also LD2,
minimiert wird.
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In 2 ist
ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die Positionierung
von Laserdiode 2, Kollimatoreinheit 3 und Mikrolinsen-Array 4 im
Wesentlichen der des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels
entspricht. Zusätzlich weist das Infrarot-Beleuchtungssystem 1 eine
Abdeckung 12 auf, die flach ausgestaltet und dem Mikrolinsen-Array 4 in
Strahlrichtung nachgeordnet ist. Durch die Abdeckung 12 vergrößert
sich die Längsausdehnung L des Beleuchtungssystems 1 geringfügig.
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Zur
Erhöhung der Effizienz beziehungsweise der Transmittivität
sind Kollimatoreinheit 3, Mikrolinsen-Array 4 und
eine Lichteintrittsfläche 16 der Abdeckung 12 mit
antireflektierend wirkenden Beschichtungen 15 versehen.
Auch werden durch die Antireflexbeschichtung 14 Reflexe
unterbunden, die die Abstrahlcharakteristik des Beleuchtungssystems 1 nachteilig
beeinflussen könnten. Die Abdeckung 12 schützt
die Mikrolinsen 14 vor zum Beispiel Verschmutzung und mechanischer
Belastung.
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Die
Lichtaustrittsfläche 13 der Abdeckung 12 kann
farbig beschichtet sein. Im sichtbaren Bereich farbige Beschichtungen
können im infraroten, insbesondere im nahinfraroten Spektralbereich
transparent sein. Eine solche Beschichtung kann auch die chemischen
und physikalischen Eigenschaften der Abdeckung gezielt beeinflussen.
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Beim
Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist die
Lichteintrittsfläche 7 des Mikrolinsen-Arrays 4 verkippt
gegenüber der Hauptabstrahlrichtung der Laserdiode 2.
Auch die Abdeckung 12 ist verkippt gegenüber der
Hauptabstrahlrichtung des Mikrolinsen-Arrays 4. Die Abdeckung 12 ist
planparallel ausgestaltet, so dass die Abdeckung 12 keine
funktionssignifikante optische Wirkung auf die von der Laserdiode 2 emittierte
und durch Kollimatoreinheit 3 und Mikrolinsen-Array 4 hindurch
getretene Strahlung ausübt. Durch die Verkippung von Mikrolinsen-Array 4 beziehungsweise
Abdeckung 12 gegenüber der Hauptabstrahlrichtung
der Laserdiode 2 können Anordnungen der Komponenten
erreicht werden, bei denen bei gleicher Funktion die Längsausdehnung
L reduziert ist.
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In 4a ist ein vertikaler Schnitt, in 4b ein horizontaler Schnitt durch ein
weiteres Ausführungsbeispiel eines Beleuchtungssystems 1 gezeigt. In
vertikaler Richtung besitzt das Mikrolinsen-Array 4 eine
Symmetrieebene S, das heißt, der Teil des Mikrolinsen-Arrays 4,
der sich auf einer Seite der Symmetrieebene S befindet, kann durch
Spiegelung an der Symmetrieebene S den auf der anderen Seite des
Symmetrieebene liegenden Teil des Mikrolinsen-Arrays 4 abbilden.
Bei dieser Spiegelung werden die einzelnen Mikrolinsen 40 nicht
einzeln berücksichtigt, sondern nur deren Einhüllende 17.
In vertikaler Richtung besitzt das Mikrolinsen-Array 4 keine Symmetrieebene.
Es weist hier, wie die Abdeckung 12, eine signifikante
Krümmung auf. Eine solche Bauform kann aerodynamische Vorteile
bringen, falls das Infrarot-Beleuchtungssystem 1 in einem Kfz-Scheinwerfer
verwendet wird und die Abdeckung 12 entsprechend ausgestaltet
ist.
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Beim
Ausführungsbeispiel gemäß 5 sind
Kollimatoreinheit 3 und Mikrolinsen-Array 4 mehrkomponentig
ausgeführt. Gemäß 5a sind die
Subkomponenten 3a, 3b der Kollimatoreinheit 3 sowie
die Subkomponenten 4a, 4b des Mikrolinsen-Arrays 4 so
aneinandergefügt, dass kein Luftspalt zwischen den jeweiligen Subkomponenten entsteht.
Die Gestaltung ähnelt der eines Achromaten. Gemäß dem
Ausführungsbeispiel, wie in 5b gezeigt,
sind die Subkomponenten voneinander getrennt. Zwischen den Subkomponenten
tritt ein Luftspalt auf.
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Um
die Längsausdehnung L zu reduzieren, ist bei den Ausführungsbeispielen
gemäß 6 der Weg des Strahlbündels 9 zwischen
Kollimatoreinheit 3 und Mikrolinsen-Array 4 über
einen Spiegel 15 gefaltet. Wie in 6a gezeigt,
trifft das von der Laserdiode 2 emittierte Licht auf die
Kollimatoreinheit 3, tritt durch diese hindurch und wird
anschließend vom Spiegel 15 in Richtung Mikrolinsen-Array 4 gelenkt.
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Gemäß 6b ist der Spiegel 15 paraboloid ausgestaltet,
wodurch der Spiegel 15 gleichzeitig eine reflektiv wirkende
Kollimatoreinheit 3 ausbildet. Die Kollimatoreinheit 3 kann
ein mit Metall bedampftes Kunststoffspritzgussteil sein.
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Gemäß dem
Ausführungsbeispiel wie in 7a gezeigt,
weist das Infrarot-Beleuchtungssystem 1 zusätzlich
eine Lichtquelle 10 für sichtbares Licht auf.
Laserdiode 2 und Lichtquelle 10 sind in vertikaler
Richtung übereinander angeordnet und verfügen
je über eine eigene Kollimatoreinheit 3a, 3b.
Das Infrarotstrahlbündel 9a sowie das sichtbare
Strahlbündel 9b treffen unter unterschiedlichen
Winkeln auf das für beide gemeinsam wirkende Mikrolinsen-Array 4,
so dass die Strahlbündel 9a, 9b nach
Durchlaufen des Mikrolinsen-Arrays 4 leicht unterschiedlich
verlaufen.
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Sofern
die Lichtquelle für sichtbares Licht 10 nicht
nur als eine Art Betriebsleuchte verwendet wird, die immer dann
in Betrieb ist, wenn auch die Laserdiode 2 in Betrieb ist, sondern
auch zur Ausleuchtung dient, so kann eine Anordnung gemäß 7b gewählt werden. Das Licht
einer Lichtquelle 10 wird über Umlenkspiegel 15a, 15b so
umgelenkt, dass ein gemeinsames Lichtbündel 9 resultiert
und die Lichtbündel 9a der Laserdiode 2 und 9b der
sichtbaren Lichtquelle 10 in gleicher Art und Weise auf
das Mikrolinsen-Array 4 auftreffen. Mindestens der zweite Spiegel 15a ist
als dichroitischer Spiegel ausgestaltet, so dass sichtbares Licht
reflektiert und infrarotes Licht transmittiert wird.
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Gemäß dem
Ausführungsbeispiel wie in 7C dargestellt,
ist eine Anordnung verwendet, bei der der dichroitische Spiegel 15 gleichzeitig
als Kollimatoreinheit 3b für das von der Lichtquelle 10 emittierte
Licht fungiert. Wiederum treffen die Lichtbündel von Laserdiode 2 und
Lichtquelle 10 unter einem gemeinsamen Winkel auf das Mikrolinsen-Array 4.
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Alternativ
können, gegenüber der Darstellung in den 7b und 7c,
Lichtquelle 10 und Laserdiode 2 gegeneinander
vertauscht werden. Ebenso möglich ist es, dass zwei beispielsweise
in verschiedenen Infrarot-Wellenlängenbereichen emittierende Laserdioden 2 verwendet
werden. Über analoge Anordnungen ist es auch möglich,
mehr als zwei Lichtquellen 10 beziehungsweise Laserdioden 2 miteinander
zu kombinieren.
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Die
hier beschriebene 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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - „Revision
of Guidelines On Limits of Exposure To Laser Radiation of Wavelengths
Between 400 nm And 1.4 μm”, Seiten 431 bis 440 [0016]
- - Europäischen Norm EN60825-1 [0018]