DE102010027322A1

DE102010027322A1 - Mikrooptik für angenähert transversalisotrope Aufweitung einer Scheinwerferlichtverteilung

Info

Publication number: DE102010027322A1
Application number: DE102010027322A
Authority: DE
Inventors: Dr. Kloos Gerhard
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2010-07-16
Filing date: 2010-07-16
Publication date: 2012-01-19

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart ein optisches Element 100 zur Aufweitung einer Lichtverteilung einer Beleuchtungsvorrichtung 400. Das optische Element 100 umfasst ein optisch durchlässiges Substrat 101 mit einer ersten Flächennormalen, wobei auf dem Substrat 101 eine Struktur 102 gebildet ist, wobei die Struktur 102 aus einer Vielzahl identisch ausgebildeter Elementarzellen 10 besteht, wobei in jeder Elementarzelle 10 zumindest eine refraktive Mikrooptikkomponente 1 angeordnet ist, die zumindest eine Fläche mit zumindest einer zweiten Flächennormalen aufweist, deren Orientierung sich von der Orientierung der ersten Flächennormale des Substrats 102 unterscheidet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Beleuchtungsvorrichtungen für Kraftfahrzeuge wie beispielsweise einen Scheinwerfer oder eine Rückleuchte und insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein optisches Element zur Aufweitung einer Lichtverteilung einer entsprechenden Beleuchtungsvorrichtung zum Homogenisieren der Lichtstärkeverteilung bei Verwendung von Lichtquellen, die eine unregelmäßige Abstrahlcharakteristik aufweisen, wie beispielsweise Multi- bzw. Array-LED-Lichtquellen.
Stand der Technik
DE 10 2005 041 234 A1 beschreibt einen Scheinwerfer für Fahrzeuge mit einer Mehrzahl von LED-Lichtquellen, die in einer gemeinsamen lichtabstrahlenden Fläche zusammen gefasst sind, wobei mindestens eine LED-Lichtquelle einer Optikeinheit zugeordnet ist zur teilweisen Erzeugung einer vorgegebenen Lichtverteilung, wobei einzelne oder mehrere LED-Lichtquellen ein- oder ausschaltbar sind, so dass die Lichtverteilung veränderbar ist. Auf Grund einer Beabstandung zwischen den einzelnen LED-Lichtquellen wird durch die Optikeinheit eine Lichtstärkeverteilung erzeugt, die horizontale und/oder vertikale Lücken aufweist. Diese werden unter anderem als Lichtfinger bzw. als Lichtlücken auf der Straße wahrgenommen und können störend wirken.
Es gibt Ansätze durch Aufrauen einer oder mehrerer Oberfläche eine Homogenisierung der Lichtstärkeverteilung zu erzielen. Nachteilig bei diesem Ansatz ist der damit verbundene vergleichsweise hohe Absorptionsverlust auf Grund von stochastischen Streuwirkungen sowie eine nachteilige Beeinflussung der Lichtverteilung, die damit einhergehen kann.
Aufgabenstellung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Homogenisierung der Lichtstärkeverteilung bei Verwendung von Multi- bzw. Array-Lichtquellen, insbesondere LED-Lichtquellen mit mehreren Lichtemittern, durch Schließen unerwünschter Lücken in der Lichtstärkeverteilung, so dass eine homogene Lichtverteilung einer Beleuchtungsvorrichtung erzielt werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein optisches Element zur Aufweitung einer Lichtverteilung einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 offenbart und ferner wird eine Beleuchtungsvorrichtung insbesondere für ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 13 der vorliegenden Erfindung offenbart.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein optisches Element zur Aufweitung einer Lichtverteilung einer Beleuchtungsvorrichtung offenbart, dass ein optisch durchlässiges Substrat mit einer ersten Flächennormalen umfasst, wobei auf dem Substrat eine Struktur gebildet ist, die aus einer Vielzahl identisch ausgebildeter Elementarzellen besteht, wobei in jeder Elementarzelle eine refraktive Mikrooptikkomponente angeordnet ist, die zumindest eine Fläche mit zumindest einer zweiten Flächennormalen aufweist, deren Orientierung sich von der Orientierung der ersten Flächennormale des Substrats unterscheidet.
Die refraktiven Mikrooptikkomponenten können unterschiedliche Geometrien aufweisen. Beispielsweise kann die refraktive Mikrooptikkomponente die Form einer Halbkugel oder eines Halbellipsoiden aufweisen. Die Fläche bzw. die Oberfläche einer entsprechenden refraktiven Mikrooptikkomponente weist auch Flächenanteile auf, deren Flächennormalen sich von der Orientierung der Flächennormale des Substrats unterscheiden. Eine Flächennormale ist dabei ein senkrecht auf einer Fläche stehender Vektor. Auf Grund des Unterschiedes zwischen der ersten Flächennormale des Substrats und der zweiten Flächennormale der refraktiven Mikrooptikkomponente wird durch das optische Element transmittiertes Licht gebrochen, wodurch die aus diesem Licht bestehende Lichtverteilung aufgeweitet wird, so dass Lichtlücken in der Lichtverteilung geschlossen werden können. Die refraktiven Mikrooptikkomponenten können auch andere Geometrien aufweisen wie beispielsweise Geometrien mit zwei, drei, vier oder sechs Flächen, deren jeweilige Flächennormelen sich von der ersten Flächennormalen des Substrats unterscheiden, wie beispielsweise dreiseitige Pyramiden oder vierseitige Pyramiden oder entsprechend andere Geometrien mit entsprechend vielen Flächen.
Ein optisches Element, auf dessen Oberfläche eine Struktur gebildet ist, die aus einer Vielzahl von dreiseitigen Pyramiden besteht, weist eine dreizählige Winkelabstrahlcharakteristik auf.
In dem oben beschriebenen optischen Element können in jeder Elementarzelle auch mindestens zwei refraktive Mikrooptikkomponenten angeordnet sein.
Jede der oben beschriebenen Elementarzellen kann wiederum in mindestens zwei Teilzellen aufgeteilt sein, wobei in jeder der Teilzellen mindestens eine refraktive Mikrooptikkomponente angeordnet ist. Durch eine entsprechende Aufteilung der Elementarzellen in entsprechende Teilzellen ist es möglich, unterschiedliche Strukturen auf dem Substrat des optischen Elementes zu realisieren, die der Abstrahlcharakteristik unterschiedlicher Beleuchtungsvorrichtungen angepasst werden kann.
Bei dem anfangs beschriebenen optischen Element kann jede Elementarzelle mindestens zwei Teilzellen aufweisen, wobei in jeder Teilzelle zumindest zwei refraktive Mikrooptikkomponenten angeordnet sind. Durch eine entsprechende Aufteilung bzw. Unterteilung der Elementarzellen in entsprechende Teilzellen und eine entsprechende Anordnung von mindestens zwei refraktiven Mikrooptikkomponenten in jeder Teilzelle können Strukturen auf dem Substrat des optischen Elementes realisiert werden, die an unterschiedliche Geometrien und Abstrahlcharakteristiken unterschiedlicher Beleuchtungsvorrichtungen angepasst sein können. So können beispielsweise Lichtlücken bei Beleuchtungsvorrichtungen geschlossen werden, die aus einer LED-Zeile bestehen. Das heißt, die Beleuchtungsvorrichtung umfasst beispielsweise vier LEDs (Leuchtdioden), die voneinander beabstandet sind. Durch ein optisches Element gemäß der vorliegenden Erfindung auf dessen Substratoberfläche eine Struktur gebildet ist, in deren Vielzahl von identisch ausgebildeten Elementarzellen mikrooptische Komponenten mit zwei Flächen angeordnet sind, können die üblicherweise auftretenden Lichtlücken geschlossen werden. Wenn bei der Beleuchtungsvorrichtung beispielsweise ein LED-Array verwendet wird, treten ohne ein optisches Element gemäß der vorliegenden Erfindung durch Abbildung bzw. Projektion der Lichtquelle sowohl horizontale als auch vertikale Lichtlücken auf. Durch ein optisches Element gemäß der vorliegenden Erfindung, auf dessen Substratoberfläche eine Struktur gebildet ist, in deren Vielzahl identisch ausgebildeter Elementarzellen refraktive Mikrooptikkomponenten angeordnet sind, die jeweils vier Flächen aufweisen, können die horizontalen und vertikalen Lücken in der Lichtstärkeverteilung durch geeignete Orientierung des optischen Elementes zu dem LED-Array geschlossen werden.
Bei den oben beschriebenen optischen Elementen kann jede refraktive Mikrooptikkomponente N Flächen aufweisen, und die refraktiven Mikrooptikkomponenten auf der Struktur können M unterschiedliche Orientierungen aufweisen, so dass das optische Element eine n-zählige Winkelabstrahlcharakteristik aufweist, wobei n das Produkt aus der Anzahl N der Flächen jeder Mikrooptikkomponente und der Anzahl M der unterschiedlichen Orientierungen der refraktiven Mikrooptikkomponenten ist.
Wenn ein optisches Element beispielsweise refraktive Mikrooptikkomponenten mit jeweils drei Flächen aufweist, und wenn diese refraktiven Mikrooptikkomponenten zwei unterschiedliche Orientierungen aufweisen, dann weist das optische Element entsprechend eine sechszählige Winkelabstrahlcharkateristik auf (3 × 2 = 6).
Bei den oben beschriebenen optischen Elementen kann n zwei oder drei oder vier oder sechs sein, so dass das entsprechende optische Element eine entsprechende zweizählige oder eine dreizählige oder eine vierzählige oder eine sechszählige Winkelabstrahlcharakteristik aufweist. Beispielsweise kann eine sechszählige Winkelabstrahlcharakteristik des optischen Elementes dadurch erreicht werden, dass auf der Oberfläche des optischen Elementes refraktive Mikrooptikkomponenten mit einer sechsseitigen Grundfläche angeordnet sind. Andererseits kann eine sechszählige Winkelabstrahlcharakteristik des optischen Elementes dadurch erreicht werden, dass auf der Oberfläche des optischen Elementes zwei unterschiedliche refraktive Mikrooptikkomponenten angeordnet sind, die jeweils eine dreiseitige Grundfläche aufweisen, deren Orientierung sich aber voneinander unterscheidet, so dass die jeweiligen Flächennormalen der Seiten der refraktiven Mikrooptikkomponenten sich voneinander unterscheiden.
Bei den oben beschriebenen optischen Elementen kann die Fläche bzw. können die Flächen der refraktiven Mikrooptikkomponenten plan oder gewölbt ausgebildet sein. So kann beispielsweise eine Mikrooptikkomponente eine halbkugelige Form aufweisen, die lediglich eine Oberfläche aufweist, wobei diese Oberfläche wiederum in Abhängigkeit der Position auf der Oberfläche unterschiedliche Flächennormalen aufweist. Die jeweiligen refraktiven Mikrooptikkomponenten können auch beispielsweise kegelförmig sein, so dass die entsprechenden Flächen der refraktiven Mikrooptikkomponenten plan sind.
Bei den oben beschriebenen optischen Elementen können in dem Fall, in dem in einer Elementarzelle zumindest zwei refraktive Mikrooptikkomponenten angeordnet sind, die entsprechenden refraktiven Mikrooptikkomponenten unterschiedlich orientiert angeordnet sein. Dadurch kann, wie bereits oben beschrieben wurde, beispielsweise eine sechszählige Winkelabstrahlcharakteristik eines optischen Elementes dadurch erreicht werden, dass in einer Elementarzelle zwei refraktive Mikrooptikkomponenten mit einer jeweils dreieckigen Grundfläche angeordnet sind, wobei die refraktiven Mikrooptikkomponenten in der Elementarzelle unterschiedlich orientiert angeordnet sind. Durch eine entsprechende Anordnung weist jede Elementarzelle eines entsprechenden optischen Elementes sechs Flächen von refraktiven Mikrooptikkomponenten auf, deren jeweiligen Flächennormalen sich von der ersten Flächennormalen des Substrates unterscheiden. Dadurch wird in diesem beispielshaften Fall eine sechszählige Abstrahlcharakteristik des optischen Elementes erreicht.
In den oben beschriebenen optischen Elementen können die refraktiven Mikrooptikkomponenten zueinander beabstandet oder aneinander angrenzend sein. Durch eine entsprechende Ausbildung des optischen Elementes kann das optische Element an unterschiedliche Lichtquellen angepasst werden. Beispielsweise kann durch eine Beabstandung der refraktiven Mikrooptikkomponenten zueinander erreicht werden, dass ein Teil des von der Lichtquelle ausgestrahlten Lichtes durch das optische Element ungebrochen transmittiert, wohingegen ein anderer Teil des von der Lichtquelle ausgestrahlten Lichtes durch die entsprechenden refraktiven Mikrooptikkomponenten des optischen Elementes gebrochen wird. Folglich wird ein Teil des von der Lichtquelle ausgestrahlten Lichtes durch das optische Element transmittiert, wohingegen ein anderer Teil des von der Lichtquelle ausgestrahlten Lichtes gebrochen und somit abgelenkt wird.
Bei den oben beschriebenen optischen Elementen können die Elementarzellen zueinander beabstandet oder aneinander angrenzend sein. Durch eine entsprechende Ausbildung eines optischen Elementes kann dieses an unterschiedliche Geometrien und Formen von Lichtquellen angepasst werden, und weiterhin können unterschiedliche Lichtabstrahlcharakteristiken entsprechender optischer Elemente erreicht werden.
Bei den oben beschriebenen optischen Elementen können das Substrat und die refraktiven Mikrooptikkomponenten aus Glas oder Kunststoff gebildet sein. Das Substrat und die refraktiven Mikrooptikkomponenten können auch aus unterschiedlichen Materialien gebildet sein. So kann beispielsweise das Substrat aus Glas geformt sein, wohingegen die refraktiven Mikrooptikkomponenten aus Kunststoff gebildet sind. Im Allgemeinen können sowohl das Substrat als auch die refraktiven Mikrooptikkomponenten aus jeglichem optisch durchlässigen Material gebildet sein.
In den oben beschriebenen optischen Elementen kann die Vielzahl der Elementarzellen auf dem Substrat periodisch oder quasi-periodisch angeordnet sein. Eine periodische Anordnung der entsprechenden Elementarzellen ist vorteilhaft für eine einfache Herstellung eines entsprechenden optischen Elementes. Bei eine quasi-periodischen Anordnung der Elementarzellen und somit der entsprechenden in den Elementarzellen angeordneten refraktiven Mikrooptikkomponenten können beispielsweise im Zentrum des optischen Elementes weniger Elementarzellen angeordnet sein als im Randbereich des optischen Elementes. Auch können andersherum im Zentrum eines anderen optischen Elementes mehr Elementarzellen und somit mehr refraktive Mikrooptikkomponenten angeordnet sein als in Randbereichen dieses optischen Elementes. Durch entsprechende Anordnungen lässt sich innerhalb gewisser Grenzen einstellen, in welchem Umfang welche Winkeländerungen des Lichtfeldes, das von der Lichtquelle ausgestrahlt wird, dem Lichtfeld aufgeprägt wird, bzw. welcher Lichtstromanteil unbeeinflusst durch die Komponente treten soll.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug offenbart, wobei die Beleuchtungsvorrichtung eine Lichtquelle, eines der oben beschriebenen optischen Elemente und eine Abbildungseinrichtung umfasst. Dabei ist das optische Element zwischen der Lichtquelle und der Abbildungseinrichtung angeordnet. Bei der Lichtquelle kann es sich beispielsweise um eine Multi-LED-Lichtquelle handeln, bei der mehrere LEDs entweder linear oder in einem Gitter angeordnet sind. Auch kann es sich bei der Lichtquelle um eine Glühlampe mit einem oder mit mehreren Glühdrähten handeln. Auch kann die Lichtquelle beispielsweise eine Halogenlichtquelle sein. Die Abbildungsvorrichtung kann beispielsweise eine Linse oder mehrere Linsen sein. Die Abbildungseinrichtung ist aber nicht auf refraktive Abbildungseinrichtungen begrenzt, sondern die Abbildungseinrichtung kann auch mit reflektiven Komponenten realisiert werden. So kann beispielsweise die Abbildungseinrichtung ein Spiegelsystem zum Abbilden der Lichtquelle sein.
Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt:
1 eine Beleuchtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine Lichtverteilung, die mit einer Anordnung einer Vier-Chip-LED als Lichtquelle und einer Scheinwerferlinse als Abbildungsvorrichtung erzeugt wird, und die unerwünschten Lücken in der Lichtverteilung aufweist;
3 die Wirkung eines optischen Elementes gemäß der vorliegenden Erfindung auf die Lichtverteilung, die mit einer Anordnung aus Vier-Chip-LED als Lichtquelle und einer Scheinwerferlinse als Lichtquelle erreicht wird;
4 eine isometrische Darstellung einer Struktur, die auf einem Substrat eines optischen Elementes gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet ist;
5 eine isometrische Darstellung einer anderen Struktur, die auf einem Substrat eines optischen Elementes gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet ist;
6 eine Aufsicht einer Struktur, die auf einem Substrat eines optischen Elementes gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet ist;
7 eine isometrische Darstellung einer wiederum anderen Struktur, die auf einem Substrat eines optischen Elementes gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet ist;
8 eine isometrische Darstellung einer Struktur, die auf einem Substrat eines optischen Elementes gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet ist;
9 eine Aufsicht einer Struktur, die auf einem Substrat eines optischen Elementes gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet ist;
10 eine isometrische Darstellung einer Struktur, die auf einem Substrat eines optischen Elementes gemäß der dritten Ausführungsform gebildet ist;
11 eine vergrößerte Ansicht der isometrischen Darstellung aus 10;
12 eine Aufsicht einer Struktur, die auf einem Substrat eines optischen Elementes gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet ist;
13 eine Aufsicht einer anderen Struktur, die auf einem Substrat eines optischen Elementes gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet ist;
14 eine Queransicht eines optischen Elementes gemäß der vorliegenden Erfindung.
In 1 ist eine schematische Ansicht einer Beleuchtungsvorrichtung 400 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. In 1 ist das optische Element 100 vorteilhaft zwischen der Lichtquelle 200 und der Abbildungseinrichtung 300 angeordnet. Eine bevorzugte Form eines optischen Elementes 100 ist ein refraktives Element mit deckglasförmigem Substrat, das in unmittelbarer Nähe einer Lichtquelle, so wie einer LED-Lichtquelle, und vor einer Abbildungseinrichtung, so wie der Primäroptik bzw. der Linsengruppe einer Abbildungseinrichtung, angebracht ist, so dass das optische Element 100 sehr kompakt gehalten werden kann.
Die vorliegende Erfindung ist aber nicht auf diese Anordnung begrenzt, sondern das optische Element 100 kann auch beispielsweise hinter der Abbildungseinrichtung 300 angeordnet sein, so dass die Abbildungseinrichtung 300 zwischen der Lichtquelle 200 und dem optischen Element 100 angeordnet ist.
2 zeigt eine Lichtverteilung, die mit einer Anordnung aus Vier-Chip-LED als Lichtquelle 200 und einer Scheinwerferlinse als Abbildungseinrichtung 300 erzeugt wird, und die unerwünschten Lücken in der Lichtverteilung aufweist. Die unerwünschten Lücken in der Lichtverteilung finden ihren Ursprung in der Beabstandung der LEDs der Vier-Chip-LED. Die in 2 gezeigten Lichtlücken sind entsprechend der Beabstandung der einzelnen LEDs vertikal angeordnet. Bei Verwendung einer Array-Chip-LED als Lichtquelle 200 weist die entsprechend erzeugte Lichtverteilung neben den vertikalen Lichtlücken auch nicht dargestellte horizontale Lichtlücken auf.
In 3 ist eine Lichtverteilung dargestellt, die mit einer Anordnung aus Vier-Chip-LED als Lichtquelle 200 und einer Scheinwerferlinse als Abbildungseinrichtung 300 erzeugt ist, wobei ein optisches Element 100 gemäß der vorliegenden Erfindung zwischen der Lichtquelle 200 und der Abbildungseinrichtung 300 angeordnet ist. 3 zeigt die Wirkung eines optischen Elementes 100 gemäß der vorliegenden Erfindung auf die Lichtverteilung. Die in 2 gezeigten Lichtlücken können durch Anordnen eines optischen Elementes 100 gemäß der vorliegenden Erfindung zwischen der Lichtquelle 200 und der Abbildungseinrichtung 300 geschlossen werden. Entsprechende horizontale Lücken, die bei einer Array-Chip-LED als Lichtquelle 200 auftreten, können ebenfalls mit einem optischen Elemente 100 gemäß der vorliegenden Erfindung geschlossen werden.
4 zeigt eine isometrische Ansicht einer Struktur 102, die auf einem Substrat 101 eines optischen Elementes 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet ist. Die Struktur 102 ist aus einer Vielzahl identisch ausgebildeter Elementarzellen 10 gebildet, wobei in jeder Elementarzelle 10 eine refraktive Mikrooptikkomponenten 1 angeordnet ist. Die in 4 gezeigten refraktiven Mikrooptikkomponenten 1, die in den entsprechenden Elementarzellen 10 angeordnet sind, weisen eine vierzählige Symmetrie auf, das heißt, dass die refraktiven Mikrooptikkomponenten 1 vier Flächen aufweisen, deren jeweilige Flächennormalen sich von einer ersten Flächennormale des Substrates unterscheiden. Die in 4 gezeigte Struktur 102 des Substrates 101 des optischen Elementes 100 ist hochsymmetrisch, und durch solch eine Anordnung kann die Herstellung des Masters, der ein Negativ der entsprechenden Struktur 102 ist, in zwei gleichartigen Bearbeitungsschritten erleichtert werden.
In der in 4 gezeigten Struktur 102 grenzen die einzelnen Elementarzellen 10 und die einzelnen refraktiven Mikrooptikkomponenten 1 aneinander. Jedoch ist die vorliegende Ausführungsform und die vorliegende Erfindung nicht hierauf begrenzt. Vielmehr können die jeweiligen Elementarzellen 10 voneinander beabstandet sein, so dass auch die in den Elementarzellen 10 angeordneten refraktiven Mikrooptikkomponenten 1 voneinander beabstandet sind. Die Anordnung der Elementarzellen 10 auf dem Substrat 101 kann symmetrisch oder quasi-symmetrisch sein.
5 zeigt eine weitere Struktur 102, die auf einem Substrat 101 eines optisches Elementes 100 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet ist. In 5 weisen die jeweiligen refraktiven Mikrooptikkomponenten 1 in den jeweiligen Elementarzellen 10 eine dreizählige Symmetrie auf. Dadurch wird erreicht, dass ein von einer Lichtquelle 200 emittiertes Lichtfeld, das durch ein optisches Element 100 transmittiert, wobei das optische Element 100 eine Struktur 102 wie in 5 gezeigt aufweist, nach Durchstrahlen des optischen Elementes 100 eine dreizählige Symmetrie aufweist. Folglich weist die Struktur 102, die in 5 dargestellt ist, eine dreizählige Winkelabstrahlcharakteristik auf.
In 6 ist eine Aufsicht einer Struktur 102, die auf einem Substrat 101 eines optischen Elements 100 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet ist, darstellt. Die in 6 gezeigte Struktur besteht aus einer Vielzahl identisch ausgebildeter Elementarzellen 10, und in jeder Elementarzelle 10 ist eine Mikrooptikkomponente 1 angeordnet, die die Form einer Pyramide mit vierseitiger Grundfläche aufweist. Die Winkelabstrahlcharakteristik eines entsprechenden optischen Elementes 100 ist in diesem Fall vierzählig, da die in den einzelnen Elementarzellen 10 angeordneten refraktiven Mikrooptikkomponenten 1 jeweils vier Flächen aufweisen, die zweiten Flächennormale aufweisen, deren Orientierung sich jeweils von der Orientierung der ersten Flächennormalen des Substrates unterscheidet. Ein Lichtfeld, das durch ein entsprechendes optisches Element 100 durchstrahlt wird, weist nach Bestrahlung des optischen Elementes 100, wie dieses in 6 dargestellt ist, eine vierzählige Symmetrie auf.
7 zeigt eine isometrische Darstellung einer Struktur 102, die auf einem Substrat 101 eines optischen Elementes 100 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet ist. Die in 7 gezeigten refraktiven Mikrooptikkomponenten 1 sind voneinander in sowohl horizontaler als auch vertikaler Richtung beabstandet. Ein Lichtfeld, das durch ein entsprechendes optisches Element 100 strahlt, wird folglich lediglich an den Mikrooptikkomponenten gebeugt, wohingegen das Lichtfeld, das durch das Substrat 101 strahlt, an den Positionen nicht gebeugt wird, an denen keine refraktiven Mikrooptikkomponenten 1 angeordnet sind. Durch eine entsprechende Anordnung der refraktiven Mikrooptikkomponenten 10 auf dem Substrat 101 des optischen Elementes 100 kann erreicht werden, dass nicht das gesamte Lichtfeld, das von der Lichtquelle 200 ausgestrahlt wird, durch das optische Element 100 gebeugt wird.
8 ist eine isometrische Darstellung einer Struktur 102, die auf einem Substrat 101 eines optischen Elementes 100 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet ist. In den in 4 bis 7 gezeigten Strukturen 102 wirken die entsprechenden optischen Elemente 100 mit einem jeweiligen diskreten Wert bzw. mit jeweiligen diskreten Werten der brechenden Kante bzw. der brechenden Kanten auf das Winkelspektrum. In 8 ist eine Struktur 102 dargestellt, in der das Winkelspektrum in einer Hauptrichtung über einen kontinuierlichen Kantenverlauf beeinflusst wird. Bei den refraktiven Mikrooptikkomponenten 1, die in den jeweiligen Elementarzellen 10 angeordnet sind, erkennt man zwei plane Flächen, die eine Hauptrichtung beeinflussen, und eine gekrümmte Fläche, die die Winkelverteilung in der dazu senkrechten Hauptrichtung beeinflusst. Bei einer Struktur 102, wie diese in 8 gezeigt ist, kann beispielsweise eine Parametrisierung der gekrümmten Flächenstücke über Splines gewählt werden.
9 ist eine Aufsicht einer Struktur 102, die auf einem Substrat 101 eines optischen Elementes 100 gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet ist. In 9 sind die jeweiligen Elementarzellen 10 rautenförmig und aneinander angrenzend ausgebildet. In jeder Elementarzelle 10 sind jeweils zwei refraktive Mikrooptikkomponenten 1 angeordnet. Die refraktiven Mikrooptikkomponenten 1 innerhalb einer Elementarzelle 10 weisen unterschiedliche Orientierungen auf. Jede Mikrooptikkomponente 1 der gezeigten Struktur 102 weist eine dreizählige Winkelabstrahlcharakteristik auf. Auf Grund der unterschiedlichen Orientierungen der einzelnen refraktiven Mikrooptikkomponenten 1 weist das optische Element 100 mit der Struktur 102, die in 9 gezeigt ist, eine sechszählige Winkelabstrahlcharakteristik auf. Die sechszählige Winkelabstrahlcharakteristik des optischen Elementes 100 ergibt sich daraus, dass die eine Hälfte der refraktiven Mikrooptikkomponenten 1, die eine dreizählige Winkelabstrahlcharakteristik aufweisen, anders orientiert ist als die andere Hälfte der refraktiven Mikrooptikkomponenten 1. Dadurch weist jede Elementarzelle 10 zwei refraktive Mikrooptikkomponenten 1 und entsprechend sechs Flächen der Mikrokomponenten 1 auf, wobei die jeweiligen Flächennormalen der sechs Flächen sich von der ersten Flächennormale des Substrates 101 unterscheiden.
Eine entsprechende sechszählige Winkelabstrahlcharakteristik eines optischen Elementes 100 kann auch dadurch erreicht werden dass in einer Elementarzelle 10 lediglich eine refraktive Mikrooptikkomponente 1 angeordnet ist, die sechs Flächen aufweist, deren jeweilige Flächennormalen sich von der ersten Flächennormale des Substrates 101 unterscheidet.
Die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist aber nicht darauf begrenzt, dass die jeweiligen Elementarzellen 10 aneinander angrenzen, sondern die jeweiligen Elementarzellen 10 können voneinander beabstandet sein. Auch können die dargestellten refraktiven Mikrooptikkomponenten 1 aneinander angrenzend sein, oder können, wie dargestellt, voneinander beabstandet sein.
10 ist eine isometrische Darstellung einer Struktur 102, die auf einem Substrat 101 eines optischen Elementes 100 gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet ist. 11 ist eine entsprechende vergrößerte Darstellung der isometrischen Darstellung von 10. Die Struktur 102 gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist aus aneinander angrenzenden Elementarzellen 10 gebildet, wobei jede Elementarzelle 10 aus vier Teilzellen 9 besteht. In jeder Teilzelle 9 ist eine refraktive Mikrooptikkomponente 1 angeordnet. In dem in 10 und 11 gezeigten Beispiel ist in jeder Teilzelle 9 eine vierzählige refraktive Mikrooptikkomponente 1 angeordnet. Die dritte Ausführungsform ist aber nicht darauf begrenzt, dass die jeweiligen refraktiven Mikrooptikkomponenten 1 eine vierzählige Symmetrie aufweisen, sondern die jeweiligen refraktiven Mikrooptikkomponenten 1 können eine zwei- oder drei- oder sechszählige Symmetrien aufweisen. In der in 10 und 11 gezeigten Struktur 102 besteht die Elementarzelle 10 aus vier Teilzellen 9, wobei drei der Teilzellen 9 gleich ausgebildet sind, wohingegen die vierte Teilzelle 9 der Elementarzelle 10 eine andere Geometrie und Größe aufweist. Bei den in 10 und 11 gezeigten Strukturen 102 handelt es sich um Strukturen, die das Einstellen zweier unterschiedlicher Winkelwerte für jeweils eine Raumrichtung erlaubt. Somit bietet eine entsprechende Struktur 102 aus optischer Sicht erweiterte Gestaltungsmöglichkeiten. In den in 10 und 11 gezeigten Strukturen 102 sind drei der vier Teilzellen 9 gelichartig gestaltete, so dass eine anteilig höhere Beeinflussung des Winkelspektrums durch die brechenden Flächen dieser Art Teilzelle 9 erfolgt. Durch eine solche geometrische Aufteilung und durch eventuelle Beabstandungen innerhalb der Elementarzelle 10 bzw. der Wiederholeinheiten zueinander lässt sich innerhalb gewisser Grenzen einstellen, in welchem Umfang welche Winkelveränderungen aufgeprägt werden, bzw. welcher Lichtstromanteil unbeeinflusst durch das optische Element 100 tritt.
12 zeigt eine andere Struktur 102, die auf einem Substrat 101 eines optischen Elementes 100 gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet ist. Jede Elementarzelle 10 weist zwei Teilzellen 9 auf. In den zwei Teilzellen 9 einer Elementarzelle 10 sind jeweils zwei refraktive Mikrooptikkomponenten 1 mit dreizähliger Symmetrie angeordnet. Dabei sind die refraktiven Mikrooptikkomponenten 1 einer Teilzelle 9 in dieser Teilzelle 9 anders angeordnet als refraktive Mikrooptikkomponenten 1 in der anderen Teilzelle 9 der Elementarzell 10. Die in 12 gezeigte Struktur 102, die auf dem Substrat 101 des optischen Elementes 100 gebildet ist, führt dazu, dass das optische Element 100 eine sechszählige Winkelabstrahlcharakteristik aufweist. Entsprechende Gestaltungsmöglichkeiten der Struktur 102 sind nützlich, um ein vorgegebenes Verhältnis zwischen beeinflusstem Lichtstrom und Lichtstrom mit unveränderter Winkelverteilung einstellen zu können. Des Weiteren können sich Vorgaben an die zwischen den refraktiv wirksamen Elementen zu wählenden Beabstandungen aus den Erfordernissen der mikroskopischen Fertigung ergeben, die bestimmte kanalartige Strukturen mit planer Oberfläche günstig erscheinen lässt, um Bearbeitungswerkzeuge an die eigentlichen Strukturen heranführen zu können.
13 zeigt eine Struktur 102, die auf einem Substrat 101 eines optischen Elementes 100 gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet ist. Die in 13 gezeigte Struktur 102 ist durch Elementarzellen 10 gebildet, wobei jede Elementarzelle 10 aus zwei Teilzellen 9 gebildet ist. Die einzelnen Elementarzellen 10 sind voneinander beabstandet. In den jeweiligen Teilzellen 9 sind jeweils zwei refraktive Mikrooptikkomponenten 1 mit jeweils dreizähliger Symmetrie angeordnet. In einer ersten Teilzelle 9 einer Elementarzelle 10 sind die refraktiven Mikrooptikkomponenten 1 voneinander beabstandet, wohingegen die zwei Mikrooptikkomponenten 1 der anderen Teilzelle 9 der Elementarzelle 10 an einer anderen Position der Teilzelle 9 angeordnet sind, und wobei die entsprechenden refraktiven Mikrooptikkomponenten 1 eine andere Beabstandung aufweisen. Auch die in 13 gezeigte Struktur 102 erzeugt eine sechszählige Ausgangswinkelverteilung, mit der eine transversal isotrope Beeinflussung der Ausgangswinkelverteilung in guter Näherung verwirklicht werden kann. Man erkennt an 13 gut, welche Gestaltungsmöglichkeiten sich ergeben, um Belange der mikroskopischen Fertigung einfließen zu lassen. Die kanalartigen Strukturen können auf fertigungstechnisch günstige Verfahrwege des Bearbeitungskopfes abgestimmt werden.
In 14 ist ein Querschnitt eines optischen Elementes 100 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Aus 14 ist die Gestaltung des optischen Elementes 100 gut zu sehen. Auf dem Substrat 101 des optischen Elementes 100 ist eine Struktur 102 gebildet. Es ist zu beachten, dass die in 14 dargestellten Größen nicht maßstabsgerecht sind.
Bezugszeichenliste

1: refraktive Mikroopfikkomponente
9: Teilzelle
10: Elementarzelle
100: optisches Element
101: Substrat
102: Struktur
200: Lichtquelle
300: Abbildungseinrichtung
400: Beleuchtungsvorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005041234 A1 [0002]

Claims

Ein optisches Element (100) zur Aufweitung einer Lichtverteilung einer Beleuchtungsvorrichtung, umfassend ein optisch durchlässiges Substrat (101) mit einer ersten Flächennormalen, wobei auf dem Substrat (101) eine Struktur (102) gebildet ist, wobei die Struktur (102) aus einer Vielzahl identisch ausgebildeter Elementarzellen (10) besteht, wobei in jeder Elementarzelle (10) zumindest eine refraktive Mikrooptikkomponente (1) angeordnet ist, die zumindest eine Fläche mit zumindest einer zweiten Flächennormalen aufweist, deren Orientierung sich von der Orientierung der ersten Flächennormale des Substrats (102) unterscheidet.
Das optische Element (100) gemäß Anspruch 1, wobei jede Elementarzelle (10) mindestens zwei Teilzellen (9) aufweist, und wobei in jeder Teilzelle (9) mindestens eine refraktive Mikrooptikkomponente (1) angeordnet ist.
Das optische Element (100) gemäß Anspruch 1, wobei jede Elementarzelle (10) mindestens zwei Teilzellen (9) aufweist, und wobei in jeder Teilzelle (9) mindestens zwei refraktive Mikrooptikkomponenten (1) angeordnet sind.
Das optische Element (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei jede refraktive Mikrooptikkomponente (1) N Flächen aufweist, und wobei die refraktiven Mikrooptikkomponenten (1) auf der Struktur (102) M unterschiedliche Orientierungen aufweisen, so dass das optische Element (100) eine n-zählige Winkelabstrahlcharakteristik aufweist, wobei n das Produkt aus der Anzahl N der Flächen jeder Mikrooptikkomponente (1) und der Anzahl M der unterschiedlichen Orientierungen der refraktiven Mikrooptikkomponenten (1) ist.
Das optische Element (100) nach Anspruch 4, wobei n zwei oder drei oder vier oder sechs ist, so dass das optische Element (100) entsprechend eine zweizählige oder einer dreizählige oder einer vierzählige oder eine sechszählige Winkelabstrahlcharakteristik aufweist.
Das optische Element (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Fläche oder die Flächen der refraktive Mikrooptikkomponente (1) plan oder gewölbt ausgebildet ist/sind.
Das optische Element (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei in einer Teilzelle (9) die refraktiven Mikrooptikkomponenten (1) unterschiedlich orientiert sind.
Das optische Element (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei die refraktiven Mikrooptikkomponenten (1) zueinander beabstandet oder aneinander angrenzend sind.
Das optische Element (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei in den mindestens zwei Teilzellen (9) die refraktiven Mikrooptikkomponenten (1) unterschiedlich orientiert angeordnet sind.
Das optische Element (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Elementarzellen (10) zueinander beabstandet sind oder die Elementarzellen (20) aneinander angrenzen.
Das optische Element (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Substrat (101) und die refraktiven Mikrooptikkomponenten (1) aus Glas oder Kunststoff gebildet sind.
Das optische Element (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Vielzahl der identisch ausgebildeten Elementarzellen (10) auf dem Substrat (102) periodisch oder quasi-periodisch angeordnet sind.
Beleuchtungsvorrichtung (400), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend – eine Lichtquelle (200); – ein optisches Element (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12; und – eine Abbildungseinrichtung (300), wobei das optische Element (100) zwischen der Lichtquelle (200) und der Abbildungseinrichtung (300) angeordnet ist.