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Technisches Gebiet
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Die Erfindung geht aus von optischen Systemen, die einen Kontrast projizieren.
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Stand der Technik
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An Kontrastübergängen der Lichtverteilung optischer Systeme ergeben sich, falls diese lichtbrechende Elemente enthalten, Farbsäume. Diese Farbsäume äußern sich im Wechsel verschiedener Farben am Kontrastübergang und haben ihre Ursache in der spektralen Leistungsdichte der Lichtquelle und im wellenlängen-abhängigen Brechungsindex der verwendeten lichtbrechenden Elemente, z. B. Linsen. Diese Problematik besteht unabhängig davon, ob die Erzeugung des Kontrastübergangs über eine Abblendvorrichtung oder über eine direkte Abbildung von Kontrastübergängen der Lichtquelle erfolgt.
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Eine Möglichkeit zur Verhinderung derartige Farbsäume wurde auf der Fachtagung ISAL 2007 in Darmstadt beschrieben. Im Vortrag A 8.1 „Chromatic Dipersion Compensation via Diffractive Optical Elements for Standard and LED based PES Head Lamps" wurde die Verwendung von diffraktiven optischen Elementen auf einer Seite der Linse vorgeschlagen, um den Einfluss der refraktiven Optik zu kompensieren.
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In der
DE 36 02 292 A1 ist ein Abblendlicht für ein Kraftfahrzeug gezeigt, bei dem über eine Kante ein Kontrastübergang mit einer entsprechenden Hell-Dunkel-Kontrastgrenze von einer Linse in Fahrtrichtung des Fahrzeugs nach vorn projiziert wird. Dabei ist die Linse zur Vermeidung von Farbsäumen an der Kontrastgrenze mit unterschiedlichen asphärischen Teilflächen versehen, wobei sich die Übergänge bzw. Grenzen zwischen diesen Teilflächen prinzipiell etwa entlang bzw. parallel zu der über die Kante projizierten Kontrastgrenze erstrecken.
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Nachteilig an derartigen optischen Systemen ist, dass seitliche Bereiche der projizierten Kontrastgrenze, die durch seitliche Abschnitte der Linse projiziert werden, weiterhin Farbsäume zeigen können.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein optisches System zu schaffen, dessen Farbsaumkompensation entlang einer Kontrastgrenze optimiert ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein optisches System gemäß Anspruch 1.
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Das erfindungsgemäße optische System dient zum projizieren eines Kontrastübergangs, der von einem hellen Bereich, einem dunklen Bereich und einer dazwischen verlaufenden Kontrastgrenze gebildet ist. Das System hat dazu eine Lichtquelle und einen deren Licht brechenden Körper. Eine erste gekrümmte Oberfläche des Körpers weist eine etwa parallel zur auf den Körper projizierten Kontrastgrenze verlaufende mittlere Grenzlinie auf. Diese grenzt zumindest ein Paar von Bereichen der Oberfläche voneinander ab, die zur Farbsaumkompensation unterschiedliche Krümmungsverläufe haben. Erfindungsgemäß sind auf der ersten Oberfläche des Körpers entlang der Grenzlinie zusätzlich benachbarte Bereiche mit unterschiedlichen Krümmungsverläufen vorgesehen. Durch diese nebeneinander angeordneten Bereiche können unterschiedliche Abschnitte der Kontrastgrenze bzgl. ihrer Farbsaumkompensation unterschiedlich optimiert werden. Damit ist die Farbsaumkompensation des Kontrastübergangs entlang seiner gesamten Kontrastgrenze optimiert.
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Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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Bei einem ersten besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist in einem mittleren Abschnitt der ersten Oberfläche ein mittleres Paar von Bereichen mit unterschiedlichen Krümmungsverläufen vorgesehen. Weiterhin ist an einem ersten seitlichen Abschnitt und an einem dem gegenüber liegenden zweiten seitlichen Abschnitt der ersten Oberfläche jeweils zumindest ein zusätzliches Paar von Bereichen mit unterschiedlichen Krümmungsverläufen vorgesehen. Die beiden Bereiche jedes Paares sind dabei durch die mittlere Grenzlinie voneinander abgegrenzt. Damit sind zumindest drei Paare von Bereichen gegeben, die jeweils unterschiedlich bzgl. Farbsaumkompensation optimiert werden können, wodurch die Farbsaumkompensation des Kontrastübergangs entlang seiner gesamten Kontrastgrenze optimiert ist.
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Bei einer bevorzugten fertigungstechnisch einfachen Weiterbildung ist dabei am ersten seitlichen Abschnitt und am zweiten seitlichen Abschnitt des Körpers jeweils genau ein zusätzliches Paar von Bereichen mit unterschiedlichen Krümmungsverläufen vorgesehen, wobei diese beiden zusätzlichen Paare spiegelbildlich gleiche Krümmungsverläufe haben.
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Oder am ersten seitlichen Abschnitt und am zweiten seitlichen Abschnitt ist jeweils genau ein Paar von Bereichen mit unterschiedlichen Krümmungsverläufen vorgesehen, wobei sich die Krümmungsverläufe der beiden Paare unterscheiden, so dass der Licht brechende Körper nicht spiegelbildlich zu einer senkrechten Achse ausgestaltet ist.
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Bei einem zweiten besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist in einem zentralen Abschnitt der ersten Oberfläche ein sich beidseitig der mittleren Grenzlinie erstreckender zentralen Bereich mit einheitlichem Krümmungsverlauf vorgesehen, der differenzierbar und symmetrisch ist. Dabei grenzt die Grenzlinie ein Paar von bogenförmigen Bereichen voneinander ab, die den zentralen Bereich umfassen. Damit ist ein Licht brechender Körper für ein optisches System mit drei verschiedenen Krümmungsverläufen an der ersten Oberfläche geschaffen, die fertigungstechnisch besonders einfach ist.
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Der Licht brechende Körper kann eine Linse sein.
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Ein äußerer Rand bzw. eine äußere Kante der Linse kann elliptisch sein.
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Der zentrale Bereich kann dabei ebenfalls elliptisch und konzentrisch zum äußerer Rand sein.
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Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen optischen Systems ist die erste Oberfläche konvex.
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Eine der ersten Oberfläche gegenüber liegende zweite Oberfläche der Linse kann flächig und damit herstellungstechnisch einfach gestaltet sein.
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Alternativ kann die zweite Oberfläche der Linse die Form eines Zylindermantelabschnitts haben.
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Alternativ kann die zweite Oberfläche der Linse konkav geformt sein.
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Dabei können vorzugsweise neben der ersten Oberfläche auch auf der zweiten Oberfläche der Linse entlang der mittleren Grenzlinie benachbarte Bereiche unterschiedlicher Krümmungsverläufe vorgesehen sein. Damit lässt sich die Farbsaumkompensation weiter optimieren.
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Wenn Schnittkurven der ersten und/oder der zweiten Oberfläche an Übergängen zwischen Bereichen mit unterschiedlichen Krümmungsverläufen differenzierbar sind, haben die Oberflächen keine körperlichen Kanten.
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Bei einem besonders bevorzugter Anwendungsfall ist das erfindungsgemäße optische System ein Scheinwerfer eines Fahrzeugs, wobei der Kontrastübergang auf ein in Fahrtrichtung des Fahrzeugs vor dem Fahrzeug angeordnetes Objekt, insbesondere auf eine Straße, projiziert wird. Bei derartigen Anwendungsfällen wären die erfindungsgemäß auch im Seitebereich des Lichtkegels verhinderte Farbsäume für entgegenkommenden Verkehrsteilnehmer irritierend, wobei deren Tolerierung in einigen Ländern umstritten ist.
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Zur Abschattung eines Teils des von der Lichtquelle in Richtung zum Körper bzw. zur Linse abgestrahlten Lichts kann eine Blende eingesetzt werden, wobei eine Kante der Blende die Kontrastgrenze erzeugt.
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Oder eine Kante oder ein Rand einer Lichtquelle, z. B. LED, erzeugt die Kontrastgrenze.
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Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung des Anwendungsfalls als Fahrzeugscheinwerfer ist dieser in eine Abblendfunktion geschaltet, wobei die Kante und damit auch die Kontrastgrenze etwa horizontal verlaufen.
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Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das erfindungsgemäße optische System ein Projektionssystem.
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Bei einem Körper bzw. einer Linse aus Glas ist die Dispersion vorteilhaft verringert; die Abhängigkeit des Brechungsindex hängt dann nicht in dem Maße von den Wellenlängen der Spektralfarben ab, wie z. B. bei einem Körper bzw. bei einer Linse aus Kunststoff.
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Ein Körper bzw. eine Linse aus Kunststoff kann z. B. im Spritzgussverfahren mit geringerem fertigungstechnischen Aufwand hergestellt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Linse eines erfindungsgemäßen optischen Systems in einer Frontalansicht;
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2 das erste Ausführungsbeispiel der Linse gemäß 1 in einer Ansicht von unten;
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3 das erste Ausführungsbeispiel der Linse gemäß 1 in einer Seitenansicht;
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4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Linse eines erfindungsgemäßen optischen Systems in einer Frontalansicht;
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5 das zweite Ausführungsbeispiel der Linse gemäß 4 in einer Ansicht von unten; und
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6 das zweite Ausführungsbeispiel der Linse gemäß 4 in einer Seitenansicht.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Linse 1 eines erfindungsgemäßen optischen Systems in einer Frontalansicht. Es handelt sich dabei um einen (nicht näher gezeigten) Fahrzeugscheinwerfer, dessen Licht in Fahrtrichtung eines Fahrzeugs in Fahrtrichtung nach vorne aus der Zeichenebene heraus abgestrahlt wird. Dazu ist hinter der Linse 1 eine Lichtquelle vorgesehen, die vorzugsweise eine LED mit einem Rand bzw. einer Kante ist, durch den bzw. die eine Kontrastgrenze zwischen einem hellen und einem dunklen Bereich erzeugt wird. Die Lichtquelle kann auch eine Lampe mit einem Reflektor und mit einer Blende sein, die zur Abschattung eines Teils des von der Lampe in Richtung Linse 1 abgestrahlten Lichts dient. Die Blende ist flächig ausgebildet und hat eine etwa geradlinige Kante, von der die Kontrastgrenze erzeugt wird.
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Die Kontrastgrenze verläuft in beiden Fällen etwa parallel zu einer mittleren Grenzlinie 4, die waagerecht auf der in 1 gezeigten ersten Oberfläche 2 der Linse 1 verläuft. Die Kontrastgrenze wird auf die Straße vor dem Fahrzeug projiziert und bildet damit eine Grenze zwischen einem beleuchteten und einem nicht beleuchteten Straßenbereich ab.
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Zur Verminderung bzw. Verhinderung von Farbsäumen an der auf die Straße projizierten Kontrastgrenze, deren Entstehung in der Würdigung des Standes der Technik erläutert wurde, unterteilt die mittlere Grenzlinie 4 den mittleren Abschnitt der ersten Oberfläche 2 in zwei Bereiche 6, 8, deren Krümmungsverläufe voneinander abweichen. Das so gebildete Paar von mittleren Bereichen 6, 8 ist also nicht spiegelsymmetrisch zur Grenzlinie 4.
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Erfindungsgemäß ist auf der ersten Oberfläche 2 an deren seitlichen Abschnitten jeweils ein weiteres Paar von Bereichen 10a, 12a bzw. 10b, 12b vorgesehen, das ebenfalls unterschiedliche Krümmungsverläufe aufweist und von der mittleren Grenzlinie 4 voneinander abgegrenzt sind. Dabei sind (in 1) Trennlinien 14a, 14b gezeigt, die – wie auch die Grenzlinie 4 – auf der ersten Oberfläche 2 verrundet sein können und daher keine körperlichen Kanten ergeben. Bevorzugt wird es, wenn zwischen den Paaren von Bereichen 10a, 12a bzw. 10b, 12b kontinuierliche Übergänge ihrer Krümmungsverläufe vorgesehen sind.
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Erfindungsgemäß sind die Krümmungsverläufe der mittleren Bereiche 6, 8 derart ausgelegt, dass in dem durch sie projizierten mittleren Bereich der Kontrastgrenze ein Farbsaum optimal verhindert ist. Die beiden Paare von seitlichen Bereichen 10a, 12a bzw. 10b, 12b haben dabei Krümmungsverläufe, die von denjenigen der mittleren Bereiche 6, 8 abweichen. Sie sind derart ausgelegt bzw. gekrümmt, dass seitliche Bereiche der projizierten Kontrastgrenze (z. B. im Bereich einer Fahrbahnbegrenzungslinie oder des Randes der Straße) minimiert bzw. verhindert werden.
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2 zeigt das erste Ausführungsbeispiel der Linse 1 gemäß 1 in einer Ansicht von unten. Dabei ist eine zweite Oberfläche 16 (in einer Seitenansicht) dargestellt, durch die das Licht des (nicht näher gezeigten) Fahrzeugscheinwerfers in die Linse 1 eintritt. Diese zweite Oberfläche 16 hat die Form eines Zylindermantelabschnitts.
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3 zeigt das erste Ausführungsbeispiel der Linse 1 gemäß den 1 und 2 in einer Seitenansicht. Die Form des gezeigten Randes 18 der zweiten Oberfläche 16 ergibt sich aus der zylindrischen Krümmung der zweiten Oberfläche 16 in Verbindung mit dem ellipsenförmigen äußeren Rand 20 der Linse 1.
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Abweichend von dem gezeigten ersten Ausführungsbeispiel einer Linse eines erfindungsgemäßen optischen Systems gemäß den 2 und 3 kann die zweite Oberfläche auch konkav gewölbt sein. Dabei ist – vergleichbar mit der ersten Oberfläche 2 – eine erfindungsgemäße Unterteilung der zweiten Oberfläche in Bereiche mit unterschiedlichen Krümmungsverläufen möglich.
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Abweichend von dem ersten Ausführungsbeispiel können die beiden Paare von seitlichen Bereichen sich auch (untereinander) unterschieden, so dass die Linse nicht spiegelbildlich zu einer senkrechten Achse ist.
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Erfindungsgemäß können an den seitlichen Bereichen der Linse 1 auch jeweils zwei oder mehr Paare von Bereichen mit unterschiedlichen Krümmungsverläufen angeordnet sein, um so eine noch feiner gestufte Optimierung der Farbsaumkompensation entlang der projizierten Kontrastgrenze zu erreichen.
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4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Linse 101 eines erfindungsgemäßen optischen Systems in einer Frontalansicht. Dabei ist die Linse 101 prinzipiell in der gleichen Weise in einen Fahrzeugscheinwerfer eingesetzt, wie die Linse 1 des ersten Ausführungsbeispiels.
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Die Linse 101 hat einen elliptischen zentralen Bereich 107, der etwa konzentrisch zum elliptischen äußeren Rand 120 der Linse 101 angeordnet ist. Damit erstreckt sich der zentrale Bereich 107 beidseitig einer mittleren Grenzlinie 104 der ersten Oberfläche 102.
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(Im eingebauten Zustand der Linse 101) oberhalb der mittleren Grenzlinie 104 und des zentralen Bereichs 107 erstreckt sich ein bogenförmiger Bereich 110, während sich unterhalb der mittlere Grenzlinie 104 und des zentralen Bereichs 107 ein bogenförmiger Bereich 112 erstreckt. Es entsteht eine um den zentralen Bereich umlaufende Trennlinie 114, die – wie auch die mittlere Grenzlinie 104 – verrundet ist.
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Das Paar von bogenförmigen Bereichen 110, 112 ist zur Verhinderung eines Farbsaums in den seitlichen Bereichen der Kontrastgrenze (z. B. am Straßenrand und an einer Fahrbahnbegrenzungslinie) ausgelegt. Der zentrale Bereich 107, aus dem das Licht näherungsweise achsparallel austritt, ist hingegen z. B. aus Kostengründen nicht unterteilt, da hier der Einfluss der Dispersion nicht so stark ist wie in den Außenbereichen der Linse 101.
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5 zeigt das zweite Ausführungsbeispiel der Linse 101 gemäß 4 in einer Ansicht von unten, während 6 die Linse 101 in einer Seitenansicht zeigt. Dabei ist zu erkennen, dass eine zweite Oberfläche 116 der Linse 101 flächig bzw. planar ist. Damit ist der Herstellungsaufwand des der Linse 101 gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel verringert.
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Auch das zweite Ausführungsbeispiel gemäß den 4 bis 6 bietet eine optimierte Farbsaumverhinderung entlang eines Kontrastübergangs bzw. einer Kontrastgrenze, die etwa parallel zur mittleren Grenzlinie 104 auf die Linse 101 trifft und von dieser in Fahrtrichtung des Fahrzeugs nach vorn projiziert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Vortrag A 8.1 „Chromatic Dipersion Compensation via Diffractive Optical Elements for Standard and LED based PES Head Lamps” [0003]
