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Die Erfindung betrifft eine Projektionsvorrichtung mit (a) zumindest einer LED, die eine optische Achse aufweist, zum Aussenden von Lichtstrahlen, (b) einem Reflektor, der zum Reflektieren von Lichtstrahlen ausgebildet ist, die einen vorgegebenen Maximalwinkel zur optischen Achse überschreiten, (c) einem Diffusor, der im Strahlengang hinter der LED und hinter dem Reflektor und so angeordnet ist, dass er von Lichtstrahlen getroffen wird, die direkt von der LED kommen oder vom Reflektor reflektiert wurden, und (d) einem, beispielsweise pixelförmig ansteuerbaren, Bildschirm, der im Strahlengang hinter dem Diffusor angeordnet ist und von den Lichtstrahlen durchstrahlbar ist.
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Derartige Projektionsvorrichtungen werden beispielsweise in Blickfeldanzeigen (englisch: head up display) verwendet, die in ein Armaturenbrett integriert sind und mittels denen Informationen auf beispielsweise eine Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs projiziert werden.
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Bekannte Projektionsvorrichtungen haben den Nachteil, dass sie aufwändig zu fertigen und daher für das Massengeschäft wenig tauglich sind. Nachteilig ist zudem der oftmals große Bauraum, der eine Integration z. B. in einem Armaturenbrett eines Kraftfahrzeugs schwierig gestaltet. Nachteilig sind zudem häufig geringe Lichtstärken, die dazu führen, dass beispielsweise bei hellem Tageslicht projizierte Informationen oder Darstellungen schlecht wahrnehmbar sind. Bekannte Projektionsvorrichtungen zeigen zudem häufig eine deutlich inhomogene Leuchtstärke, was für die Anwendung beispielsweise in Kraftfahrzeugen nicht akzeptabel ist. Ein weiterer Nachteil ist, dass Projektionsvorrichtungen nach dem Stand der Technik häufig erheblich winkelabhängige Leuchtstärken besitzen, dass heißt, dass die mit dem Auge wahrnehmbare Lichtintensität stark davon abhängt, unter welchem Winkel die projizierte Information betrachtet wird.
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Die oben genannten Nachteile führen jeder für sich dazu, dass die Projektionssysteme beispielsweise für den Einsatz in Kraftfahrzeugen wenig geeignet sind. Es ist nämlich notwendig, dass für alle oben genannten Kriterien anspruchsvolle Mindestbedingungen erfüllt sind, damit ein Einsatz zum Beispiel in Kraftfahrzeugen überhaupt wirtschaftlich möglich ist, wobei die Winkelabhängigkeit ein besonders wichtiger Aspekt ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Projektionsvorrichtung anzugeben, die einfach aufgebaut ist und dennoch eine geringe Winkelabhängigkeit aufweist.
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Die Erfindung löst das Problem durch eine gattungsgemäße Projektionsvorrichtung, bei der der Diffusor eine Fresnel-Linse und ein Mikrolinsenarray und gegebenenfalls als Träger ein streuendes Substrat (Volumenstreuer) und/oder zumindest eine streuende Oberfläche (Oberflächensteuer) umfasst.
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Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass alle Anforderungen an eine Projektionsvorrichtung zur Verwendung beispielsweise in einer Blickfeldanzeige erfüllbar sind. So ist die Projektionsvorrichtung einfach herstellbar und weist eine hohe Lebensdauer auf. Es ist ein weiterer Vorteil, dass die erfindungsgemäße Projektionsvorrichtung nur einen kleinen Bauraum beansprucht, so dass eine Integration zum Beispiel in ein Armaturenbrett eines Kraftwagens leicht gelingen kann.
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Ein weiterer Vorteil ist die hohe erreichbare Lichtstärke, die durch einen hohen Wirkungsgrad erreicht wird. Vorteilhaft ist zudem die hohe Homogenität der Ausleuchtung. So ist die erreichbare Intensität am Rand des von der Projektionsvorrichtung projizierten Bildes im Wesentlichen die gleiche wie ein der Mitte.
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Ein wichtiger Vorteil ist, dass die von einem Benutzer wahrgenommene Leuchtstärke eines Bildes, das von der Projektionsvorrichtung beispielsweise auf eine Windschutzscheibe projiziert wird, nur wenig vom Winkel abhängig ist, unter dem das Bild betrachtet wird. Das erst ermöglicht beispielsweise eine Anwendung in Kraftfahrzeugen, wo hohe Sicherheitsanforderungen gestellt werden.
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Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter der Leuchteinheit mit der zumindest einen LED eine Einheit mit zumindest einer Leuchtdiode verstanden, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weißes Licht emittiert. Günstig ist es, wenn die Leuchteinheit zumindest zwei, insbesondere drei, vier, fünf oder sechs LEDs umfasst, da so die Leuchtdichte gesteigert werden kann. Eine zu große Anzahl an LEDs hingegen erhöht den Bauaufwand, was nachteilig ist.
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Unter dem Diffusor wird insbesondere jede Vorrichtung verstanden, die einfallende Lichtstrahlen abhängig von dem Ort des Einfalls und/oder dem Ort, an dem sie einfallen, unterschiedlich umlenkt bzw. streut, wobei ein Lichtstrahl, der paralleles Licht enthält und den Diffusor vollständig ausleuchtet, den Diffusor aufgefächert verlässt. Im Strahlengang fallen so hinter dem Diffusor an jedem Punkt im Raum Lichtstrahlen unter mehreren Winkeln ein.
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Unter dem Merkmal, dass der Diffusor eine Fresnel-Struktur und eine Mikrolinsenarray-Struktur umfasst, wird insbesondere verstanden, dass der Diffusor sowohl die Wirkung einer Fresnel-Linse als auch die Wirkung eines Mikrolinsenarrays auf auftreffende Lichtstrahlen hat. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Diffusor eine Mikrolinsenarraystruktur-Struktur auf, die eine Meta-Struktur in Form einer Fresnel-Struktur aufweist. In diesem Fall besitzt der Diffusor ein Linsenarray aus einer Vielzahl an Linsen, die jede eine optische Linsen-Achse aufweisen. Jede einzelne optische Linsen-Achse ist entsprechen ihrer Zugehörigkeit zu einer Fresnelzone gegen eine optische Diffusor-Achse des Diffusors gekippt. Diese optische Diffusor-Achse verläuft dann, wenn der Diffusor wie in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, plattenförmig ist, senkrecht zur Normalen auf eine Ausgleichsebene durch den Diffusor. Die Anordnung hat den Vorteil, dass geringere Lichtverluste eintreten. Das gilt insbesondere für unter großen Einfallswinkeln im Außenbereich auf den Diffusor einfallende Lichtstrahlen. Es wird so eine geringere Abhängigkeit der Leuchtdichte vom Beobachtungswinkel des projizierten Bilds erreicht.
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Es ist aber auch möglich, dass der Diffusor eine Fresnel-Linse, die auf der Lichteinfallseite angeordnet ist, und ein Mikrolinsenarraystruktur in Form eines Mikrolinsenarray auf der Lichtausfallseite aufweist.
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Möglich ist auch, dass der Diffusor eine Fresnel-Linse, die auf der Lichtausfallseite angeordnet ist, und ein Mikrolinsenarraystruktur in Form eines Mikrolinsenarray auf der Lichteinfallseite aufweist. Dann ist es vorteilhaft, wenn die Linsen des Mikrolinsenarrays Sammellinsen sind. Gegebenenfalls ist der Träger der Fresnelstruktur und des Mikrolinsenarrays von streuender Art (Volumenstreuer) und/oder die Oberfläche des Fresnelstruktur und/oder des Mikrolinsenarrays streuend (Oberflächenstreuer). Dies hat den Vorteil, dass die auffächernde Wirkung des Diffusors positiv unterstützt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Bildschirm beispielsweise pixelförmig ansteuerbar. Hierunter wird insbesondere ein TFT(englisch: thinfilm-transistor, Dünnschichttransistor)-Bildschirm verstanden. Dieser eignet sich beispielsweise gut zum Einsatz in Kraftfahrzeugen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Diffusor eine (gegebenenfalls streuende) Diffusorplatte, die auf einer ersten Seite eine Fresnel-Linse und auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite ein Mikrolinsenarray aufweist. Ein derartiger Diffusor ist besonders leicht zu fertigen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Mikrolinsenarray Linsen auf, die eine Brennweite haben, wobei die Brennweite kleiner ist als ein Diffusorabstand zwischen dem Diffusor und der zumindest einen LED. Der Abstand ist, wie in der Mathematik üblich, die kürzeste Strecke zwischen zwei Objekten. Es wäre zu erwarten gewesen, dass die Brennweite dem Abstand zwischen Diffusor und LED entspricht. Es hat sich aber herausgestellt, dass die Homogenität der Beleuchtungsstärke steigt, wenn die Brennweite kleiner ist als der Diffusorabstand. Vorzugsweise hat der Bildschirm zum Diffusor einen Bildschirmabstand, wobei die Brennweite kleiner ist als der Bildschirmabstand. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Brennweite der Linsen des Mikrolinsensarrays kleiner als die Hälfte des Bildschirmabstands.
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Bei den Linsen des Mikrolinsenarrays kann es sich um sphärische Linsen, asphärische Linsen und Zylinderlinsen handeln. Günstig ist es, wenn die Linsenflächen des Mikrolinsenarrays rotationssymmetrisch sind. Beispielsweise ist die Linsenfläche beschreibbar durch den Krümmungsradius und eine konische Konstante.
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Vorzugsweise haben die Linsen einen Linsenquerschnitt, der rechteckförmig ist, und eine Linsenbreite und eine Linsenlänge. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Linsenlänge höchstens Dreiviertel des Bildschirmabstandes. Es hat sich gezeigt, dass größere Linsenlängen zu einem inhomogenen Bild führen, das von der Projektionsvorrichtung projiziert werden kann. Unter einem rechteckförmigen Linsenquerschnitt wird dabei insbesondere auch ein quadratischer Linsenquerschnitt verstanden. Als Linsenlänge wird dabei die größere Länge verstanden, das heißt, dass die Linsenlänge stets zumindest so groß ist wie die Linsenbreite.
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Bevorzugt beträgt die Linsenlänge zumindest ein Fünftel des Bildschirmabstandes. Bei kleineren Linsenlängen kann das projizierte Bild beim Betrachten unter einem großen Winkel relativ zur optischen Achse gegebenenfalls nur schwach erkannt werden, was nachteilig ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Linsenlänge zumindest so groß, dass ein parallel auf die Linse fallender Lichtstrahl an den Rändern der Linse und zumindest 3° von der optischen Achse abgelenkt wird. Bei den Linsen handelt es sich um Streulinsen. Dadurch, dass es auch im einfallenden Teillichtbündel Strahlen gibt, die die Linsen unter einem Winkel von zumindest 10° bezüglich ihrer optischen Achse treffen, wird erreicht, dass das zum Beispiel auf die Windschutzscheibe projizierte Bild auch unter größeren Blickwinkeln mit hoher Leuchtdichte erkennbar ist.
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Die Fresnel-Struktur ist vorzugsweise so ausgebildet, dass sie eine Fresnel-Brennweite von mindestens 60 Millimeter und/der höchstens 80 Millimeter hat. Günstig ist es, wenn die Fresnel-Brennweite mindestens das 1,5-fache und/oder höchstens das Doppelte des Diffusorabstands beträgt. Das ist dann besonders vorteilhaft, wenn die ausstrahlseitige Reflektorlänge (siehe unten) zwischen dem 0,5-fachen und dem 1,5-fachen der Reflektorhöhe liegt.
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Wenn der Bauraum von untergeordneter Bedeutung ist, kann die ausstrahlseitige Reflektorlänge höchstens die Hälfte der Reflektorhöhe betragen, wobei dann die Fresnel-Brennweite vorzugsweise zwischen dem 0,5-fachen und dem 1,5-fachen des Diffusorabstands liegt.
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Es hat sich herausgestellt, das es besonders vorteilhaft ist, wenn der Reflektor ein Metallreflektor ist und/oder zumindest im Wesentlichen gerade Seitenwände hat. Unter einem Metallreflektor wird insbesondere jeder Reflektor verstanden, dessen reflektierende Wirkung auf eine Reflexion an einer Metallschicht beruht. Es ist möglich, dass der Reflektor eine Metallbeschichtung aufweist. Es ist aber auch möglich, dass der Metallreflektor Seitenwände aus Metall aufweist.
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Unter dem Merkmal, dass die Seitenwände zumindest im Wesentlichen gerade sind, ist zu verstehen, dass es besonders günstig ist, wenn die Seitenwände gerade, das heißt eben, sind. Es ist aber auch möglich, dass die Seitenwände kleinere Krümmungen aufweisen. So können insbesondere Seitenwände noch als im Wesentlichen gerade aufgefasst werden, wenn der lokale Krümmungsradius zumindest überwiegend größer ist als die dreifache Reflektorhöhe. Der Begriff „zumindest überwiegend” bedeutet insbesondere, dass der Flächenanteil entsprechend gekrümmter Flächen an der gesamten zur Reflexion zur Verfügung stehenden Fläche zumindest drei Viertel beträgt.
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Vorzugsweise besitzt der Reflektor benachbart zu der zumindest einen LED einen zumindest im Wesentlichen rechteckigen einstrahlseitigen Querschnitt, der eine einstrahlseitige Reflektorlänge und eine einstrahlseitige Reflektorbreite hat, wobei der Reflektor benachbart zum Bildschirm einen zumindest im Wesentlichen rechteckigen ausstrahlseitigen Querschnitt hat, der eine ausstrahlseitige Reflektorlänge und eine ausstrahlseitige Reflektorbreite hat, wobei der einstrahlseitige Querschnitt und der ausstrahlseitige Querschnitt im mathematischen Sinne ähnlich sind. Auf diese Weise ergibt sich eine besonders homogene Leuchtdichte beim projizierten Bild.
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In einer bevorzugten Ausführungsform hat der Reflektor eine Reflektorhöhe, wobei eine ausstrahlseitige Querschnittsfläche des ausstrahlseitigen Querschnitts zumindest 10-fach so groß ist wie eine einstrahlseitige Querschnittsfläche des einstrahlseitigen Querschnitts So ergibt sich eine kompakte Projektionsvorrichtung.
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Vorzugsweise beträgt die Reflektorhöhe zumindest die einstrahlseitige Reflektorlänge. Dadurch ist das Winkelspektrum der nicht vom Reflektor reflektierten Strahlen hinter dem Reflektor so weit eingeschränkt, dass das Lichtbündel durch die nachfolgende Fresnel-Struktur gut kollimiert werden kann.
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Es hat sich gezeigt, dass ein Öffnungswinkel des Reflektors, also der Winkel zwischen der optischen Achse einer Seitenwand des Reflektors, vorzugsweise maximal 35° beträgt. Dann laufen die Strahlen so auf den Diffusor, dass sich nach Durchlaufen des Diffusors ein Bild ergibt, das gleichzeitig scharf ist und unter verschiedenen Richtungen gut zu sehen ist. Wenn der Reflektor einen rechteckigen Querschnitt hat, so betragen bevorzugt alle Öffnungswinkel höchstens 35°.
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Die Projektionsvorrichtung kann als Head-Up-Display oder auch als Down-light verwendet werden. Down-lights können an einer Gebäudedecke montiert sein. Erfindungsgemäß ist zudem eine Projektionsanlage mit zumindest zwei Projektionsvorrichtungen, wobei die von diesen projizierten Bilder vorzugsweise nahtlos ineinander übergehen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
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1 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung,
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2 eine 3D-Ansicht der erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung nach 1,
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3 einen Diffusor einer erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung in einer Ansicht von unten,
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4 eine Ansicht des Diffusor in einer Ansicht von oben und
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5 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Projektionsvorrichtung.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Projektionsvorrichtung 10 mit zumindest einer LED 12, die auf einer Platine 14 angeordnet ist. Die Projektionsvorrichtung 10 umfasst zudem einen Reflektor 16, der im vorliegenden Fall durch einen Metallreflektor realisiert ist.
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Im Strahlengang hinter dem Reflektor 16 ist ein Diffusor 18 angeordnet und im Strahlengang hinter dem Diffusor 18 zum Beispiel ein pixelförmig ansteuerbarer Bildschirm 20. Von der LED 12 ausgesandte Lichtstrahlen 22.1., 22.2, ... gelangen entweder auf direktem Wege zum Diffusor 18 oder werden, wenn sie einen vorgegebenen Maximalwinkel αmax zu einer optischen Achse A überschreiten, vom Reflektor 16 so reflektiert, dass sie nach einmalige Reflexion zum Diffusor 18 gelangen. Der Reflektor 16 hat einen Öffnungswinkel αR1 bezüglich einer x-z-Ebene und einen in 1 nicht sichtbaren Öffnungswinkel αR2 bezüglich einer y-z-Ebene, wobei beide Öffnungswinkel gleich sein können, das ist aber nicht notwendig. Die Öffnungswinkel αR1, αR2 werden zur optischen Achse A gemessen und sind in der Regel größer als 20° und kleiner als 35°.
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Der Reflektor 16 besitzt Seitenwände 24.1, 24.2, 24.3, 24.4. Diese Seitenwände 24 begrenzen benachbart zu der LED 12 einen einstrahlseitigen Querschnitt Qe, der bezüglich einer x-y-Ebene auf Höhe der LED 12 gemessen wird. Die optische Achse A ist dabei die z-Achse des relevanten Koordinatensystems. Der einstrahlseitige Querschnitt Qe besitzt eine einstrahlseitige Reflektorlänge LR,e und eine senkrecht dazu verlaufende einstrahlseitige Reflektorbreite BR,e. Benachbart zum Diffusor 18 hat der Reflektor 16 einen ausstrahlseitigen Querschnitt Qa, der eine ausstrahlseitige Reflektorlänge LR,a und eine senkrecht dazu verlaufende ausstrahlseitige Reflektorbreite BR,a hat.
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2 zeigt eine dreidimensionale Ansicht der Projektionsvorrichtung 10 mit austretenden Lichtstrahlen 22. Es ist zu erkennen, dass der Diffusor 18 einen Diffusorabstand D zur LED 12 besitzt. Der Bildschirm 20 wird beispielsweise von einer eingezeichneten Steuereinheit 26 so angesteuert, dass ein Bild beispielsweise auf eine Windschutzscheibe projiziert werden kann.
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2 zeigt zudem eine Linsenbreite B32 und eine Linsenlänge 132.
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3 zeigt eine Ansicht von unten auf den Diffusor 18, der als Diffusorplatte ausgebildet ist. Es ist zu erkennen, dass die Unterseite der Diffusorplatte eine Fresnel-Struktur 28 aufweist. Das heißt, dass der Diffusor 18 ein der LED 12 zugewandtes Relief hat, das die Wirkung einer Fresnel-Linse besitzt.
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4 zeigt eine Ansicht von oben auf den Diffusor 18.
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5 zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Projektionsvorrichtung 10 mit der schematisch eingezeichneten LED 12 zum Aussenden von Lichtstrahlen 22.1, 22.2, ... und dem Reflektor 16 mit in 5 sichtbaren Seitenwänden 24.1, 24.2, ... und einer Reflektorhöhe H16. Der Diffusor 18 hat auf seiner einstrahlseitigen Seite die Fresnel-Struktur 28 in Form einer Fresnel-Linse und auf seiner ausstrahlseitigen Seite eine Mikrolinsenarraystruktur 30 in Form eines Mikrolinsenarrays.
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Das Mikrolinsenarray besitzt einzelne Linsen 32.1, 32.2, ... die eine Brennweite fL besitzen. Da es sich bei den Linsen 32 im vorliegenden Fall um Streulinsen handelt, ist die Brennweite negativ. Die Aussagen zur Brennweite beziehen sich hier wie im gesamten Text stets auf den Betrag der Brennweite, wobei der Einfachheit halber von der Brennweite gesprochen wird, wenn eigentlich der Betrag der Brennweite gemeint ist. Die Brennweite der Linsen fL ist kleiner als der Diffosorabstand D zwischen dem Diffusor 18 und der zumindest einen LED. Die Brennweite fL beträgt zudem höchstens die Hälfte eines Bildschirmabstandes T zwischen dem Bildschirm 20 und dem Diffusor 18. Die Fresnel-Struktur 28 des Diffusors 18 besitzt eine Fresnel-Brennweite fF, die das 1,5-fache des Diffusorabstands D beträgt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Projektionsvorrichtung
- 12
- LED
- 14
- Platine
- 16
- Reflektor
- 18
- Diffusor
- 20
- Bildschirm
- 22
- Lichtstrahl
- 24
- Seitenwand
- 26
- Steuereinheit
- 28
- Fresnel-Struktur
- 30
- Mikrolinsenarraystruktur
- 32
- Linse
- A
- optische Achse
- αm
- Maximalwinkel
- αR1
- Öffnungswinkel
- Qe
- einstrahlseitiger Querschnitt
- Qa
- ausstrahlseitiger Querschnitt
- LR,e
- einstrahlseitige Reflektorlänge
- BR,e
- einstrahlseitige Reflektorbreite
- LR,a
- ausstrahlseitige Reflektorlänge
- BR,a
- ausstrahlseitige Reflektorbreite
- fL
- Brennweite der Linse
- fF
- Fresnel-Brennweite
- D
- Diffusorabstand
- T
- Bildschirmabstand
