DE102013220448B4 - Illumination arrangement with a laser as the light source - Google Patents

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Abstract

Beleuchtungsanordnung (1), die umfasstwenigstens einen Laser (2),mehrere diffraktive Elemente (4), die derart hintereinander und in Abständen in der Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahls (3) des Lasers (2) angeordnet sind, dass alle diffraktiven Elemente auf einer optischen Achse, welche durch den Lichtstrahl (3) des Lasers (2) definiert ist, angeordnet sind,wobei die diffraktiven Elemente (4) dazu ausgelegt sind, Licht aus dem Lichtstrahl (3) auszulenken,und wobei die diffraktiven Elemente (4) eine Gitterstruktur (5, 6) aufweisen, welche ein Material umfasst, dessen Brechzahl veränderbar ist, wenn das Material einem elektromagnetischen und/oder thermischen Feld und/oder Licht ausgesetzt ist,wobei die Gitterstruktur der diffraktiven Elemente (4) wenigstens ein Polymer-Stück (5) umfasst, das in ein Trägermaterial eingebettet ist,wobei auf einer oder auf beiden Seiten der diffraktiven Elemente (4) ein Element (10) zum Erzeugen eines elektromagnetischen und/oder thermischen Feldes und/oder von Licht angeordnet ist,und wobei mit Hilfe einer Veränderung des elektromagnetischen und/oder thermischen Feldes und/oder des Lichts der Unterschied zwischen der Brechzahl des Polymer-Stücks und der Brechzahl des Trägermaterials und damit die Stärke der Lichtauslenkung der diffraktiven Elemente (4) veränderbar ist.Illumination arrangement (1), which comprises at least one laser (2), several diffractive elements (4) which are arranged one behind the other and at intervals in the direction of propagation of a light beam (3) of the laser (2) such that all diffractive elements are on one optical axis , which is defined by the light beam (3) of the laser (2), wherein the diffractive elements (4) are designed to deflect light from the light beam (3), and wherein the diffractive elements (4) have a grating structure ( 5, 6) comprising a material whose refractive index is variable when the material is exposed to an electromagnetic and/or thermal field and/or light, the lattice structure of the diffractive elements (4) comprising at least one polymer piece (5) embedded in a carrier material, wherein on one or both sides of the diffractive elements (4) there is an element (10) for generating an electromagnetic and/or thermal field and/or which is arranged by light, and with the help of a change in the electromagnetic and/or thermal field and/or the light, the difference between the refractive index of the polymer piece and the refractive index of the carrier material and thus the strength of the light deflection of the diffractive elements (4) is changeable.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungsanordnung, mit der linear angeordnete punktförmige Lichtquellen zu Beleuchtungszwecken erzeugt werden können. Insbesondere weist die erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung dabei wenigstens einen Laser als Lichtquelle auf.The present invention relates to a lighting arrangement with which linearly arranged point light sources can be produced for lighting purposes. In particular, the lighting arrangement according to the invention has at least one laser as the light source.

Aus dem Stand der Technik, wie den Schriften WO 2007/014551 A1 oder WO 02/031575 A2 , sind bereits verschiedene Beleuchtungsanordnungen bekannt, die einen Laser als Lichtquelle verwenden. Diese Beleuchtungsanordnungen weisen alle eine Freistrahloptik auf. Typischerweise wird dabei Laserlicht über einen mikroelektromechanisches System (MEMS) Chip, der im einfachsten Fall ein verstellbarer Spiegel ist, umgelenkt und aus der Beleuchtungsanordnung ausgegeben. Ein Vorteil eines Lasers als Lichtquelle ist, dass Laserlicht besser in Wellenleitern transportierbar ist als bspw. das Licht von klassischen LEDs. Zudem ist mit einem Laser eine dynamischere Ausleuchtung von Bereichen möglich als bspw. mit LEDs.From the state of the art, such as the writings WO 2007/014551 A1 or WO 02/031575 A2 , Various lighting arrangements are already known that use a laser as a light source. These lighting arrangements all have free-beam optics. In this case, laser light is typically deflected via a microelectromechanical system (MEMS) chip, which in the simplest case is an adjustable mirror, and emitted from the lighting arrangement. One advantage of a laser as a light source is that laser light can be transported better in waveguides than, for example, the light from classic LEDs. In addition, a more dynamic illumination of areas is possible with a laser than with LEDs, for example.

Der Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Beleuchtungsanordnungen, insbesondere der bekannten MEMS-Lösungen, ist eine hohe Empfindlichkeit gegen Umwelteinflüsse, wie z.B. Wasserdampf auf den Oberflächen der Spiegel. Ferner sind bekannte Beleuchtungsanordnungen äußerst empfindlich auf Justierungenauigkeiten zwischen Laser und Spiegel, die bspw. durch Vibrationen verursacht werden. Insbesondere verstellbare Spiegel sind zudem auch mechanisch äußerst empfindlich und können leicht beschädigt werden. Ein weiterer Nachteil bekannter MEMS-Lösungen ist, dass nur die Lichtverteilung, d.h. die Position an der Licht abgegeben wird, aber nicht die Lichtintensität der Beleuchtungsanordnung veränderbar ist.The disadvantage of the lighting arrangements known from the prior art, in particular the known MEMS solutions, is a high sensitivity to environmental influences, such as water vapor on the surfaces of the mirrors. Furthermore, known lighting arrangements are extremely sensitive to alignment inaccuracies between the laser and the mirror, which are caused, for example, by vibrations. Adjustable mirrors in particular are also extremely sensitive mechanically and can easily be damaged. Another disadvantage of known MEMS solutions is that only the light distribution, i.e. the position at which the light is emitted, can be changed, but not the light intensity of the lighting arrangement.

Die DE 102 30 320 A1 und die DE 101 21 462 A1 beschreiben mögliche Gitteranordnungen sowie ihre physikalischen Eigenschaften.the DE 102 30 320 A1 and the DE 101 21 462 A1 describe possible lattice configurations and their physical properties.

Ausgehend von den aus dem Stand der Technik bekannten Beleuchtungsanordnungen, insbesondere den bekannten MEMS-Lösungen, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben beschriebenen Nachteile zumindest zu reduzieren, bestenfalls zu beseitigen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Beleuchtungsanordnung mit einem Laser als Lichtquelle bereitzustellen, die zuverlässiger und unabhängiger von Umwelteinflüssen ist als der Stand der Technik. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Beleuchtungsanordnung mit einem vereinfachten optischen Strahlengang bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, zusätzlich eine ortsaufgelöste Intensitätsmodulation und vorzugsweise sogar Farbkorrekturen zu ermöglichen. Idealerweise kann die Lichtfarbe der Punktlichtquellen der Beleuchtungsanordnung frei gewählt werden. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine exakte Aussichtung der Komponenten der Beleuchtungsanordnung einfacher zu ermöglichen.Proceeding from the lighting arrangements known from the prior art, in particular the known MEMS solutions, it is an object of the present invention to at least reduce, at best to eliminate, the disadvantages described above. In particular, it is an object of the present invention to provide an illumination arrangement with a laser as the light source, which is more reliable and less dependent on environmental influences than the prior art. A further object of the present invention is to provide an illumination arrangement with a simplified optical beam path. A further object of the present invention is to additionally enable a spatially resolved intensity modulation and preferably even color corrections. Ideally, the light color of the point light sources of the lighting arrangement can be freely selected. A further object of the present invention is to enable an exact sighting of the components of the lighting arrangement more easily.

Die oben beschriebenen Aufgaben werden durch eine Beleuchtungsanordnung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden den Kerngedanken der Erfindung auf vorteilhafte Art und Weise weiter, um weitere Anforderungen an die Beleuchtungsanordnung zu erfüllen.The objects described above are solved by a lighting arrangement according to independent claim 1 . The dependent claims develop the core idea of the invention in an advantageous manner in order to meet further requirements for the lighting arrangement.

Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Beleuchtungsanordnung, die wenigstens einen Laser und mehrere diffraktive Elemente umfasst, die derart hintereinander und in Abständen in der Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahls des Lasers angeordnet sind, dass alle diffraktiven Elemente auf einer optischen Achse, welche durch den Lichtstrahl des Lasers definiert ist, angeordnet sind und dazu ausgelegt sind, Licht aus dem Lichtstrahl auszulenken. Wobei die diffraktiven Elemente eine Gitterstruktur aufweisen, welche ein Material umfasst, dessen Brechzahl veränderbar ist, wenn das Material einem elektromagnetischen und/oder thermischen Feld und/oder Licht ausgesetzt ist, wobei die Gitterstruktur der diffraktiven Elemente wenigstens ein Polymer-Stück umfasst, das in ein Trägermaterial eingebettet ist, wobei auf einer oder auf beiden Seiten der diffraktiven Elemente ein Element zum Erzeugen eines elektromagnetischen und/oder thermischen Feldes und/oder von Licht angeordnet ist, und wobei mit Hilfe einer Veränderung des elektromagnetischen und/oder thermischen Feldes und/oder des Lichts der Unterschied zwischen der Brechzahl des Polymer-Stücks und der Brechzahl des Trägermaterials und damit die Stärke der Lichtauslenkung der diffraktiven Elemente veränderbar ist.In particular, the present invention relates to an illumination arrangement comprising at least one laser and a plurality of diffractive elements which are arranged one behind the other and at intervals in the direction of propagation of a light beam of the laser that all diffractive elements are on an optical axis which is defined by the light beam of the laser is, are arranged and are designed to deflect light from the light beam. Wherein the diffractive elements have a lattice structure which comprises a material whose refractive index is changeable when the material is exposed to an electromagnetic and/or thermal field and/or light, the lattice structure of the diffractive elements comprising at least one polymer piece which in a carrier material is embedded, with an element for generating an electromagnetic and/or thermal field and/or light being arranged on one or both sides of the diffractive elements, and with the aid of a change in the electromagnetic and/or thermal field and/or of the light, the difference between the refractive index of the polymer piece and the refractive index of the carrier material and thus the strength of the light deflection of the diffractive elements can be changed.

Formell zeichnet sich ein Laser dadurch aus, dass die stimulierte Emission stärker als die spontane Emission ist. Allerdings kann man einen (schlechten) Laser auch unterhalb der Schwelle betreiben, ab der die stimulierte Emission zu dominieren beginnt. Formell ist der Laser dann eine LED. Die Eigenschaften eines derart betriebenen schlechten Lasers sind aber immer noch für die vorliegende Erfindung geeignet. Alternativ kann auch das Licht einer herkömmlichen LED durch bspw. Frequenz- und räumliche Filter kohärent genug gemacht werden, dass es für die vorliegende Erfindung geeignet ist. Dementsprechend versteht die vorliegende Erfindung unter einem Laser eine Lichtquelle, deren Licht ausreichend kohärent für die erfindungsgemäßen Anwendungen ist.A laser is characterized in that the stimulated emission is stronger than the spontaneous emission. However, a (poor) laser can also be operated below the threshold at which stimulated emission begins to dominate. Formally, the laser is then an LED. However, the properties of a poor laser operated in this way are still suitable for the present invention. Alternatively, the light from a conventional LED can be made sufficiently coherent to be suitable for the present invention, such as by frequency and spatial filters. Accordingly, the present invention understands a laser as a light source whose Light is sufficiently coherent for the applications of the invention.

Ein diffraktives Element ist ein optisches Element, das dazu ausgelegt ist, einen Lichtstrahl durch Beugung (Diffraktion) zu Formen. Beispielweise ist ein diffraktives Element eine Gitterstruktur, eine Hologramm-Struktur oder eine Mikro-Struktur. Die erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung mit mehreren diffraktiven Elementen hat den Vorteil, dass sich das gesamte Lichtsystem auf der gleichen optischen Achse, d.h. auf der Achse des Lichtstrahls aus dem Laser befindet. Dadurch ist der optische Strahlengang der Beleuchtungsanordnung deutlich vereinfacht. Die mehreren diffraktiven Elemente, welche Licht aus dem Lichtstrahl auskoppeln, stellen mehrere Punktlichtquelle der Beleuchtungsanordnung dar. Ein diffraktives Element ist im Vergleich mit einem verstellbaren Spiegel oder einem MEMS-Chip deutlich unempfindlicher gegen Justierungenauigkeiten, bspw. verursacht durch Vibrationen, und auch deutlich unempfindlicher gegen Umwelteinflüsse wie Wasserdampf.A diffractive element is an optical element designed to shape a beam of light by bending (diffraction). For example, a diffractive element is a grating structure, a hologram structure or a microstructure. The lighting arrangement according to the invention with a plurality of diffractive elements has the advantage that the entire light system is on the same optical axis, i.e. on the axis of the light beam from the laser. This significantly simplifies the optical beam path of the lighting arrangement. The multiple diffractive elements, which decouple light from the light beam, represent multiple point light sources of the lighting arrangement. Compared to an adjustable mirror or a MEMS chip, a diffractive element is significantly less sensitive to adjustment inaccuracies, e.g. caused by vibrations, and also significantly less sensitive to Environmental influences such as water vapour.

Erfindungsgemäß sind alle diffraktiven Elemente und somit das ganze System auf einer optischen Achse angeordnet.According to the invention, all diffractive elements and thus the entire system are arranged on an optical axis.

Dadurch wird die erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung deutlich kompakter als der Stand der Technik und stellt zudem kostengünstige Punktlichtquellen bereit. Aufgrund des kleineren Raumbedarfs der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung können auch leichter ästhetische Ansprüche erfüllt werden. Die Anordnung mehrerer diffraktiver Elemente bzgl. des Laserstrahls kann im Vergleich zu Beleuchtungsanordnungen mit verstellbaren Spiegeln oder MEMS-Chips deutlich einfacher durchgeführt werden. Für eine kompakte und funktionierende erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung ist es lediglich erforderlich, dass die diffraktiven Elemente einmal zuverlässig in der gewünschten Art und Weise im Bereich des Laserstrahls angeordnet werden. Da es sich bei den diffraktiven Elementen aber vorzugsweise nicht um bewegliche Elemente handelt, ist die erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung im Hinblick auf ihren mechanischen Aufbau einfacher und auch stabiler als der bekannte Stand der Technik.As a result, the lighting arrangement according to the invention is significantly more compact than the prior art and also provides cost-effective point light sources. Due to the smaller space requirement of the lighting arrangement according to the invention, aesthetic requirements can also be met more easily. The arrangement of several diffractive elements with respect to the laser beam can be carried out much more easily in comparison to lighting arrangements with adjustable mirrors or MEMS chips. For a compact and functioning lighting arrangement according to the invention, it is only necessary for the diffractive elements to be reliably arranged in the desired manner in the area of the laser beam. However, since the diffractive elements are preferably not movable elements, the lighting arrangement according to the invention is simpler and also more stable than the known prior art with regard to its mechanical structure.

Erfindungsgemäß weisen die mehreren diffraktiven Elemente eine Gitterstruktur auf.According to the invention, the multiple diffractive elements have a grating structure.

Im einfachsten Fall handelt es sich bei der Gitterstruktur um eine klassische, vorzugsweise um eine periodische Gitterstruktur. Die Gitterstruktur ist oder umfasst ein optisches Gitter. Eine periodische Gitterstruktur ist insbesondere dann sinnvoll, wenn monochromatisches Licht von einem Laser abgegeben wird. Die Strukturgröße der Gitterstruktur bzw. des optischen Gitters liegt dann vorzugsweise im Größenordnungsbereich der halben Wellenlänge des Lasers. Eine solche periodische Gitterstruktur ist besonders einfach und kostengünstig herzustellen.In the simplest case, the lattice structure is a classic, preferably a periodic lattice structure. The lattice structure is or comprises an optical lattice. A periodic grating structure is particularly useful when monochromatic light is emitted by a laser. The structure size of the grating structure or of the optical grating is then preferably in the order of magnitude of half the wavelength of the laser. Such a periodic lattice structure is particularly simple and inexpensive to produce.

Insbesondere in Hinblick auf Weißlichtanwendungen umfasst die Gitterstruktur vorteilhafterweise ein stochastisch verteiltes Gitter.In particular with regard to white light applications, the grating structure advantageously comprises a stochastically distributed grating.

In anderen Worten kommen in der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung vorzugsweise solche diffraktiven Elemente zum Einsatz, welche stochastisch verteilte Strukturen aufweisen, die ein optisches Gitter bilden. Das bedeutet, dass Abstände zwischen den einzelnen Gitterlinien des Gitters vorzugsweise nicht gleich und regelmäßig, sondern zufällig gewählt sind. Bevorzugt wird die Verteilung der Abstände aber nur innerhalb eines bestimmten Größenbereichs stochastisch gewählt. Dieser Größenbereich entspricht in etwa der Größenordnung der halben Wellenlänge des wenigstens einen Lasers. Ein stochastisch verteiltes optisches Gitter ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung mehrere Laser umfasst, die vorzugsweise sogar mit unterschiedlichen Wellenlängen in den Lichtstrahl einkoppeln und diesen somit gemeinsam erzeugen. Ein gleichmäßiges periodisches Gitter ist nämlich nicht für eine Beleuchtungsanordnung mit mehreren Lasern geeignet, da ein bestimmter Gitterabstand nur das selektive Auslenken einer bestimmten Wellenlänge ermöglicht. Die stochastisch verteilten Gitterstrukturen mit zufällig verteilten Gitterabständen ermöglichen hingegen, Licht in der gewünschten Zusammensetzung, d.h. aus verschiedenen Wellenlängen zusammengesetzt, gleichmäßig aus dem Lichtstrahl auszulenken.In other words, such diffractive elements are preferably used in the lighting arrangement according to the invention which have stochastically distributed structures which form an optical grating. This means that the distances between the individual grid lines of the grid are preferably not chosen to be equal and regular, but rather random. However, the distribution of the distances is preferably selected stochastically only within a specific size range. This size range corresponds approximately to the order of half the wavelength of the at least one laser. A stochastically distributed optical lattice is particularly advantageous when the lighting arrangement according to the invention comprises a plurality of lasers, which preferably even couple into the light beam with different wavelengths and thus generate it together. A uniform periodic grating is not suitable for an illumination arrangement with a number of lasers, since a specific grating spacing only enables a specific wavelength to be selectively deflected. The stochastically distributed lattice structures with randomly distributed lattice spacing, on the other hand, enable light to be deflected uniformly from the light beam in the desired composition, i.e. made up of different wavelengths.

Vorteilhafterweise sind die mehreren diffraktive Element durch eine Folie gebildet.Advantageously, the multiple diffractive elements are formed by a film.

Ein diffraktives Element, das aus einer Folie gebildet ist, ist einerseits äußerst einfach herzustellen und ist andererseits sehr widerstandsfähig, insbesondere gegen Umwelteinflüsse. Auf die Folie können geeignete Mikro-Strukturen aufgebracht sein, beispielweise durch Bedrucken oder durch fotolithographische Prozesse.A diffractive element that is formed from a foil is extremely easy to manufacture on the one hand and is very resistant, in particular to environmental influences, on the other hand. Suitable microstructures can be applied to the film, for example by printing or by photolithographic processes.

Erfindungsgemäß umfasst die Gitterstruktur der diffraktiven Elemente ein Material, dessen Brechzahl veränderbar ist.According to the invention, the lattice structure of the diffractive elements comprises a material whose refractive index can be changed.

Durch die Veränderung der Brechzahl des Materials kann die Effizienz der Auslenkung durch das jeweilige diffraktive Element eingestellt bzw. verändert werden. Die Veränderung der Brechzahl bestimmt also die Stärke des diffraktiven Elements hinsichtlich der Menge an Licht, die über dieses diffraktive Element aus dem Lichtstrahl ausgelenkt wird. Damit werden dynamischere Lichtverteilungen mit der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung möglich.By changing the refractive index of the material, the efficiency of the deflection can be set or changed by the respective diffractive element. The change in refractive index thus determines the strength of the diffractive element in terms of the amount of light that passes through this diff ractive element is deflected from the light beam. More dynamic light distributions are thus possible with the lighting arrangement according to the invention.

Erfindungsgemäß ist die Brechzahl des Materials veränderbar, wenn das Material einem elektromagnetischen und/oder thermischen Feld und/oder Licht ausgesetzt ist. Hierzu ist auf einer oder auf beiden Seiten des wenigstens einen diffraktiven Elements ein Element zum Erzeugen eines elektromagnetischen und/oder thermischen Feldes und/oder von Licht angeordnet.According to the invention, the refractive index of the material can be changed when the material is exposed to an electromagnetic and/or thermal field and/or light. For this purpose, an element for generating an electromagnetic and/or thermal field and/or light is arranged on one or on both sides of the at least one diffractive element.

Durch das Element zum Erzeugen der entsprechenden Felder bzw. des Lichts kann vorzugsweise jedes diffraktive Element in der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung bzgl. seiner Brechzahl gesteuert werden.The element for generating the corresponding fields or the light can preferably be used to control each diffractive element in the lighting arrangement according to the invention with regard to its refractive index.

Wie bereits erwähnt umfasst die Gitterstruktur der diffraktiven Elemente wenigstens ein Polymer-Stück. Polymere bieten den Vorteil, gut zu verarbeiten und gleichzeitig kostengünstig zu sein. Ferner finden sich geeignete Polymere, deren Brechzahl mittels elektromagnetischer oder thermischer Felder einfach verändert werden kann.As already mentioned, the lattice structure of the diffractive elements comprises at least one piece of polymer. Polymers offer the advantage of being easy to process and at the same time inexpensive. There are also suitable polymers whose refractive index can easily be changed by means of electromagnetic or thermal fields.

Die Gitterstruktur wird also durch Polymer-Stücke gebildet, die in das Trägerglas entweder in regelmäßigen oder in stochastischen Abständen eingebettet sind. Durch das Verändern der Brechzahl der Polymer-Stücke kann ein Unterschied zu der Brechzahl des Glases vergrößert bzw. verkleinert werden. Ist der Unterschied der Brechzahl der Polymer-Stücke größer, so ist die Gitterstruktur für den Laserstrahl besser sichtbar. Gleicht sich hingegen die Brechzahl der Polymer-Stücke der Brechzahl des Glases an, ist also der Unterschied kleiner, so ist das Gitter nahezu unsichtbar für den Laserstrahl. Somit kann beeinflusst werden, wie stark die Gitterstruktur das Laserlicht in dem Lichtstrahl beeinflusst und entsprechend aus dem Laserstrahl auslenkt. Die Mikrostrukturen in dem Glasträger, in welche die Polymer-Stücke eingebettet werden, können beispielweise durch Fotolithographie erzeugt werden.The lattice structure is thus formed by pieces of polymer that are embedded in the carrier glass either at regular or stochastic intervals. By changing the refractive index of the polymer pieces, a difference to the refractive index of the glass can be increased or decreased. If the difference in the refractive index of the polymer pieces is greater, the lattice structure is more visible to the laser beam. If, on the other hand, the refractive index of the polymer pieces matches the refractive index of the glass, i.e. the difference is smaller, the grating is almost invisible to the laser beam. It can thus be influenced to what extent the grating structure influences the laser light in the light beam and correspondingly deflects it out of the laser beam. The microstructures in the glass substrate, in which the polymer pieces are embedded, can be produced, for example, by photolithography.

Vorteilhafterweise umfasst die erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung mehrere Laser, vorzugsweise Laser unterschiedlicher Farbe, die dazu ausgelegt sind, einen gemeinsam erzeugten Lichtstrahl durch das wenigstens eine diffraktive Element zu strahlen.The lighting arrangement according to the invention advantageously comprises a plurality of lasers, preferably lasers of different colors, which are designed to radiate a jointly generated light beam through the at least one diffractive element.

Vorzugsweise können verschiedenfarbige Laser verwendet werden, um insgesamt Weißlicht in den Lichtstrahl einzukoppeln. Jedes sich im Lichtstrahl befindliche diffraktive Element kann dann vorzugsweise Weißlicht einer bestimmten Intensität und/oder einer bestimmten Farbtemperatur auslenken, und/oder kann Licht einer bestimmten Farbe oder Mischfarbe auslenken.Lasers of different colors can preferably be used in order to couple white light into the light beam overall. Each diffractive element located in the light beam can then preferably deflect white light of a specific intensity and/or a specific color temperature, and/or can deflect light of a specific color or mixed color.

Die vorliegende Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren im Detail beschrieben.

  • 1 zeigt eine erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung.
  • 2 zeigt ein diffraktives Element einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung.
  • 3 zeigt einen Ausschnitt aus einer beispielhaften Beleuchtungsanordnung, welche nicht Teil der Ansprüche ist.
The present invention will now be described in detail with reference to the attached figures.
  • 1 shows a lighting arrangement according to the invention.
  • 2 shows a diffractive element of a lighting arrangement according to the invention.
  • 3 shows a section of an exemplary lighting arrangement, which is not part of the claims.

Die erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung 1 der 1 weist erfindungsgemäß wenigstens einen Laser 2 auf. Die Beleuchtungsanordnung 1 kann auch mehr als einen Laser 2 aufweisen. Falls mehrere Laser 2 in der Beleuchtungsanordnung 1 vorhanden sind, werden diese vorzugsweise über Spiegel oder andere geeignete optische Elemente derart miteinander gekoppelt, dass sie in einen gemeinsam erzeugten Lichtstrahl 3 einkoppeln. Der Lichtstrahl 3 der Beleuchtungsanordnung 1 strahlt erfindungsgemäß durch mehrere diffraktive Elemente 4 hindurch. Das wenigstens eine diffraktive Element 4 befindet sich also vorteilhafterweise im Strahlengang des wenigstens einen Lasers 2. Erfindungsgemäß sind mehrere diffraktive Elemente 4 hintereinander und in bestimmten Abständen in Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls 3 des Lasers 2 angeordnet. Die Abstände zwischen den einzelnen diffraktiven Elementen 4 können regelmäßig oder unterschiedlich sein, je nach gewünschter Lichtverteilung der Beleuchtungsanordnung 1. Jedes diffraktive Element 4 ist nämlich dazu ausgelegt, Licht aus dem Lichtstrahl 3 auszulenken bzw. daraus auszukoppeln und somit eine Punktlichtquelle der Beleuchtungsanordnung zu definieren. Die Auslenkung beruht auf dem Prinzip der Lichtbeugung an Strukturen eines diffraktiven Elements 4. Das ausgelenkte Licht ist in der 1 durch Pfeile angedeutet.The lighting arrangement 1 of the invention 1 has at least one laser 2 according to the invention. The lighting arrangement 1 can also have more than one laser 2 . If several lasers 2 are present in the lighting arrangement 1, these are preferably coupled to one another via mirrors or other suitable optical elements in such a way that they couple into a light beam 3 that is generated together. According to the invention, the light beam 3 of the lighting arrangement 1 radiates through a plurality of diffractive elements 4 . The at least one diffractive element 4 is therefore advantageously located in the beam path of the at least one laser 2. According to the invention, a plurality of diffractive elements 4 are arranged one behind the other and at specific distances in the propagation direction of the light beam 3 of the laser 2. The distances between the individual diffractive elements 4 can be regular or different, depending on the desired light distribution of the lighting arrangement 1. Each diffractive element 4 is designed to deflect or decouple light from the light beam 3 and thus to define a point light source of the lighting arrangement. The deflection is based on the principle of light diffraction on structures of a diffractive element 4. The deflected light is in the 1 indicated by arrows.

Die diffraktiven Elemente 4 können erfindungsgemäß eine Gitterstruktur wie in 2 gezeigt umfassen oder als eine solche Gitterstruktur ausgebildet sein. Im einfachsten Fall weist ein diffraktives Element 4 eine periodische Gitterstruktur auf, d.h. ein optisches Gitter, das aus regelmäßig angeordneten Gitterlinien gebildet wird. Vorzugsweise wird aber eine stochastische Gitterstruktur verwendet, d.h. ein optisches Gitter, dessen einzelne Gitterlinien unregelmäßig angeordnet sind, vorzugsweise in zufällig variierenden Abständen zueinander. Vorzugsweise übersteigt der Abstand zwischen zwei benachbarten Gitterlinien dabei aber nicht das Zweifache der Wellenlänge des Lasers 2 bzw. unterschreitet dieser Abstand nicht die halbe Wellenlänge des Lasers 2.According to the invention, the diffractive elements 4 can have a grating structure as in 2 shown include or be formed as such a lattice structure. In the simplest case, a diffractive element 4 has a periodic grating structure, ie an optical grating that is formed from regularly arranged grating lines. However, a stochastic grating structure is preferably used, ie an optical grating whose individual grating lines are arranged irregularly, preferably at randomly varying distances from one another. However, the distance between two adjacent grating lines preferably does not exceed twice the wavelength of the laser 2 and this distance does not fall below half the wavelength of the laser 2.

2 zeigt ein Beispiel eines diffraktiven Elements 4, das mit einer regelmäßigen Gitterstruktur versehen ist. Das diffraktive Element 4 weist erfindungsgemäß wenigstens ein Polymer-Stück 5 auf, das in ein Trägermaterial 6 eingebettet sind. Das Trägermaterial 6 umfasst oder besteht vorzugsweise aus Glas oder Plexiglas. Durch mehrere Polymer-Stücke 5, die in das Trägermaterial eingebettet sind, entsteht vorzugsweise eine abwechselnde Anordnung von Trägermaterial-Abschnitten und Polymer-Abschnitten. Die Abstände zwischen diesen Abschnitten können wie beschrieben variieren und sind vorzugsweise sogar für jeden Abstand zufällig gewählt. Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Polymer-Abschnitten sollte aber in etwa der Wellenlänge des wenigstens einen verwendeten Laser 2 angepasst sein und liegt deshalb vorzugsweise im Größenordnungsbereich der Wellenlänge dieses wenigstens einen Lasers 2. 2 shows an example of a diffractive element 4, which is provided with a regular grating structure. According to the invention, the diffractive element 4 has at least one polymer piece 5 which is embedded in a carrier material 6 . The carrier material 6 preferably includes or consists of glass or Plexiglas. A plurality of polymer pieces 5 embedded in the carrier material preferably results in an alternating arrangement of carrier material sections and polymer sections. The distances between these sections can vary as described and are preferably even chosen randomly for each distance. However, the distance between two consecutive polymer sections should be approximately adapted to the wavelength of the at least one laser 2 used and is therefore preferably in the order of magnitude of the wavelength of this at least one laser 2.

Vorzugsweise wird das diffraktive Element 4 noch durch ein Stützelement 7 vervollständigt, das vorzugsweise aus demselben Material wie das Trägermaterial 6, insbesondere bevorzugt aus Glas besteht. Durch das Stützelement 7 erhält das diffraktive Element 4 eine höhere Stabilität. Vorzugsweise sind nämlich die Polymer-Abschnitte und vorzugsweise Glas-Abschnitte in etwa so dick oder zumindest nicht deutlich dicker als eine Wellenlänge des Laserlichts.Preferably, the diffractive element 4 is completed by a support element 7, which is preferably made of the same material as the carrier material 6, particularly preferably made of glass. The support element 7 gives the diffractive element 4 greater stability. This is because the polymer sections and preferably glass sections are preferably approximately as thick or at least not significantly thicker than a wavelength of the laser light.

Erfindungsgemäß ist das wenigstens eine Polymer-Stück 5, das in das Trägermaterial 6 aus bevorzugt Glas eingebettet ist, bzgl. seiner Brechzahl veränderbar. Es können auch verschiedene Polymere oder Polymer-Mischungen verwendet werden. Erfindungsgemäß kann das in das Trägermaterial 6 eingebettete Material dahingehend gewählt werden, dass es durch Aussetzen eines elektromagnetischen Feldes, eines thermischen Feldes und/oder eines Lichtfeldes hinsichtlich seiner Brechzahl veränderbar ist. Durch die Veränderbarkeit der Brechzahl des Materials, also des Polymers, ist auch der Unterschied der Brechzahlen zwischen den Glas-Abschnitten und den bevorzugt Polymer-Abschnitten veränderbar und vorzugsweise durch eine oder mehrere geeignete Einstelleinrichtungen 10 (wie in 1 gezeigt) steuerbar. Erfindungsgemäß ist dabei jedem zu steuernden diffraktiven Element 4 wenigstens auf einer Seite, vorzugsweise auf beiden Seiten, eine Einstelleinrichtung 10 zugeordnet. Die Einstelleinrichtung 10 kann bspw. ein elektromagnetisches, ein thermisches und/oder ein Lichtfeld erzeugen bzw. das erzeugte Feld variieren und infolgedessen die Brechzahl des Materials des zugeordneten diffraktiven Elements 4 verändern. According to the invention, the at least one piece of polymer 5, which is embedded in the carrier material 6, which is preferably made of glass, can be changed with regard to its refractive index. Different polymers or polymer blends can also be used. According to the invention, the material embedded in the carrier material 6 can be selected such that its refractive index can be changed by exposure to an electromagnetic field, a thermal field and/or a light field. Due to the changeability of the refractive index of the material, i.e. the polymer, the difference in the refractive index between the glass sections and the preferably polymer sections can also be changed and preferably adjusted by one or more suitable adjustment devices 10 (as in 1 shown) controllable. According to the invention, each diffractive element 4 to be controlled is assigned an adjustment device 10 at least on one side, preferably on both sides. The setting device 10 can, for example, generate an electromagnetic, a thermal and/or a light field or vary the generated field and consequently change the refractive index of the material of the associated diffractive element 4 .

Dadurch wird die Stärke der Lichtauslenkung aus dem Lichtstrahl 3 des jeweiligen diffraktiven Elements 4 verändert, da je nach Brechzahlunterschied zwischen Glas-Abschnitt und Polymer-Abschnitt die Gitterstruktur des betreffenden diffraktiven Elements 4 mehr oder weniger stark mit dem Lichtstrahl 3 wechselwirken kann.This changes the strength of the light deflection from the light beam 3 of the respective diffractive element 4, since the lattice structure of the relevant diffractive element 4 can interact more or less strongly with the light beam 3 depending on the difference in refractive index between the glass section and the polymer section.

In 3 ist eine alternative Ausführungsform, welche nicht Teil der Ansprüche ist, für ein diffraktives Element 4 gezeigt, nämlich eine Hologramm-Struktur. Das diffraktive Element 4 umfasst oder ist vorzugsweise eine Hologramm-Struktur. Die Hologramm-Struktur ist dabei entweder zweidimensionaler (2D) oder dreidimensionaler (3D) Natur, vorzugsweise ist sie dreidimensional, um Farbkorrekturen implementieren zu können. Je nach Ausbildung, d.h. je nach Größe und Form der Hologramm-Struktur, kann Licht auf unterschiedliche Art und Weise aus dem Lichtstrahl 3 ausgelenkt werden. Durch das ausgelenkte Licht kann somit eine Fläche beliebiger Form beleuchtet werden. Vorzugsweise wird die Hologramm-Struktur in einem Material, bspw. in einem Polymer, ausgebildet. Vorteilhafterweise wird ein Polymer oder ein anderes Material verwendet, in das Hologramm-Strukturen mehrfach bzw. dynamisch eingeschrieben und/oder gelöscht werden können. Zusätzlich kann auch noch die Brechzahl des Polymers oder des Materials wie oben beschrieben verändert werden. Durch die Veränderung der Hologramm-Struktur kann wiederum die Stärke und die Art und Weise der Auslenkung des Lichts aus dem Lichtstrahl 3 des entsprechenden diffraktiven Elements 4 eingestellt werden. Durch dreidimensionale Hologramm-Strukturen kann sogar die Farbauslenkung aus dem Lichtstrahl verändert werden, d.h. es kann beeinflusst werden, welche Lichtfarbe stärker bzw. welche Lichtfarbe weniger stark ausgelenkt wird.In 3 An alternative embodiment, which does not form part of the claims, is shown for a diffractive element 4, namely a hologram structure. The diffractive element 4 includes or is preferably a hologram structure. The hologram structure is either two-dimensional (2D) or three-dimensional (3D) in nature; it is preferably three-dimensional in order to be able to implement color corrections. Depending on the design, ie depending on the size and shape of the hologram structure, light can be deflected from the light beam 3 in different ways. An area of any shape can thus be illuminated by the deflected light. The hologram structure is preferably formed in a material, for example in a polymer. Advantageously, a polymer or another material is used in which hologram structures can be repeatedly or dynamically written and/or erased. In addition, the refractive index of the polymer or the material can also be changed as described above. By changing the hologram structure, the intensity and the way in which the light is deflected from the light beam 3 of the corresponding diffractive element 4 can in turn be adjusted. The color deflection from the light beam can even be changed by three-dimensional hologram structures, ie it can be influenced which light color is deflected more or which light color is less deflected.

Wiederum weist die Beleuchtungsanordnung 1 vorzugsweise wenigstens eine Einstellvorrichtung auf. Dabei wird vorzugsweise ein Schreiblaser 8 verwendet, wie in der 3 gezeigt. Der Schreiblaser 8 befindet sich vorzugsweise auf der gegenüberliegenden Seite des Lasers 2 bzgl. des diffraktiven Elements 4. Ein Schreiblaser 8 kann alle diffraktiven Elemente 4 beleuchten. Es kann aber auch jedem diffraktiven Element 4 ein Schreiblaser 8 zugeordnet sein. Der Schreiblaser 8 kann vorzugsweise einen Lichtstrahl 9 mit hoher Intensität auf das wenigstens eine diffraktive Element 4 strahlen, um dessen Hologramm-Struktur thermisch zu löschen und/oder entsprechend eine neue Hologramm-Struktur zu schreiben oder wiederzuschreiben. Der Schreiblaser 8 kann von einer Steuervorrichtung wie einem Mikrocontroller oder einem Computer gesteuert werden. Insbesondere kann die Steuervorrichtung die Hologramm-Strukturen generieren und den Schreiblaser 8 entsprechend ansteuern, um die generierte Hologramm-Struktur zu schreiben.Again, the lighting arrangement 1 preferably has at least one adjustment device. In this case, a writing laser 8 is preferably used, as in FIG 3 shown. The writing laser 8 is preferably located on the opposite side of the laser 2 with respect to the diffractive element 4. A writing laser 8 can illuminate all the diffractive elements 4. A write laser 8 can also be assigned to each diffractive element 4 . The writing laser 8 can preferably radiate a light beam 9 with high intensity onto the at least one diffractive element 4 in order to thermally erase its hologram structure and/or correspondingly write or rewrite a new hologram structure. The writing laser 8 can be controlled by a control device such as a microcontroller or a computer. In particular, the control device can generate the hologram structures and correspondingly control the writing laser 8 in order to write the generated hologram structure.

Die oben erwähnten Materialien für die diffraktiven Elemente 4, also bspw. Glas als Trägermaterial 6 und darin eingebettete Polymer-Stücke 5 für die Gitterstruktur, oder Polymere für die Ausbildung der Hologramm-Strukturen, stellen bevorzugte Ausführungen dar. In beiden Fällen wären auch Alternativmaterialien denkbar, allerdings sind die bevorzugten Ausführungsformen weniger intensiv als die Alternativen. Die beispielhafte Beleuchtungsanordnung 1 kann mehrere diffraktive Elemente 4 umfassen, von denen eines oder mehrere als Gitterstruktur und eines oder mehrere als Hologramm-Struktur ausgebildet ist, je nach benötigter Art der Ausleuchtung entsprechender Bereiche.The materials mentioned above for the diffractive elements 4, e.g. glass as the carrier material 6 and pieces of polymer 5 embedded therein for the lattice structure, or polymers for the formation of the hologram structures, represent preferred embodiments. In both cases, alternative materials would also be conceivable , however, the preferred embodiments are less intensive than the alternatives. The exemplary illumination arrangement 1 can comprise a plurality of diffractive elements 4, one or more of which is designed as a grating structure and one or more as a hologram structure, depending on the required type of illumination of corresponding areas.

Die vorliegende Erfindung beschreibt zusammenfassend eine Beleuchtungsanordnung 1 mit wenigstens einem Laser 2 als Lichtquelle. Der wenigstens eine Laser 2 koppelt Licht in einen Lichtstrahl 3 ein, auf dessen optischer Achse mehrere diffraktive Elemente 4 angeordnet sind. Das Laserlicht kann durch mehrere diffraktive Elemente 4 strahlen, die jeweils dazu ausgelegt sind, einen Teil des Lichts aus dem Laserstrahl 3 auszulenken. Die diffraktiven Elemente 4 sind erfindungsgemäß Gitterstrukturen, wobei die Gitterstruktur der diffraktiven Elemente wenigstens ein Polymer-Stück umfasst, das in ein Trägermaterial eingebettet ist. Erfindungsgemäß sind die diffraktiven Elemente 4 hinsichtlich ihrer Licht-Auslenkungscharakteristik veränderbar, insbesondere hinsichtlich der Intensität und/oder der Farbe des von ihnen ausgelenkten Lichts, wobei auf einer oder auf beiden Seiten der diffraktiven Elemente ein Element zum Erzeugen eines elektromagnetischen und/oder thermischen Feldes und/oder von Licht angeordnet ist, wobei mit Hilfe einer Veränderung des elektromagnetischen und/oder thermischen Feldes und/oder des Lichts der Unterschied zwischen der Brechzahl des Polymer-Stücks und der Brechzahl des Trägerelements und damit die Stärke der Lichtauslenkung der diffraktiven Elemente veränderbar ist.In summary, the present invention describes an illumination arrangement 1 with at least one laser 2 as a light source. The at least one laser 2 couples light into a light beam 3, on the optical axis of which several diffractive elements 4 are arranged. The laser light can radiate through a number of diffractive elements 4 which are each designed to deflect part of the light from the laser beam 3 . According to the invention, the diffractive elements 4 are grating structures, the grating structure of the diffractive elements comprising at least one polymer piece that is embedded in a carrier material. According to the invention, the diffractive elements 4 can be changed with regard to their light deflection characteristics, in particular with regard to the intensity and/or the color of the light deflected by them, with an element for generating an electromagnetic and/or thermal field and /or is arranged by light, with the help of a change in the electromagnetic and/or thermal field and/or the light, the difference between the refractive index of the polymer piece and the refractive index of the carrier element and thus the strength of the light deflection of the diffractive elements can be changed.

Die Beleuchtungsanordnung 1 der vorliegenden Erfindung ist kompakter als der Stand der Technik. Außerdem ist die erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung 1 unabhängiger von Umwelteinflüssen und deutlich unempfindlicher gegen äußere Störungen, wie Vibrationen oder Erschütterungen als aus dem Stand der Technik bekannte Freistrahloptiken ist. Eine Veränderung der Licht-Auslenkcharakteristik der diffraktiven Elemente 4, bspw. durch das Verändern der Brechzahl eines in dem diffraktiven Element 4 enthaltenen Materials, kann den Anteil des Lichts bestimmen, der aus jeder durch ein diffraktives Element 4 bestimmten punktlichtförmigen Lichtquelle der Beleuchtungsanordnung 1 ausgegeben wird.The lighting assembly 1 of the present invention is more compact than the prior art. In addition, the lighting arrangement 1 according to the invention is less dependent on environmental influences and significantly less sensitive to external disturbances, such as vibrations or shocks, than free-beam optics known from the prior art. A change in the light deflection characteristic of the diffractive elements 4, e.g. by changing the refractive index of a material contained in the diffractive element 4, can determine the proportion of the light that is emitted from each point light source of the lighting arrangement 1 determined by a diffractive element 4 .

Claims (5)

Beleuchtungsanordnung (1), die umfasst wenigstens einen Laser (2), mehrere diffraktive Elemente (4), die derart hintereinander und in Abständen in der Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahls (3) des Lasers (2) angeordnet sind, dass alle diffraktiven Elemente auf einer optischen Achse, welche durch den Lichtstrahl (3) des Lasers (2) definiert ist, angeordnet sind, wobei die diffraktiven Elemente (4) dazu ausgelegt sind, Licht aus dem Lichtstrahl (3) auszulenken, und wobei die diffraktiven Elemente (4) eine Gitterstruktur (5, 6) aufweisen, welche ein Material umfasst, dessen Brechzahl veränderbar ist, wenn das Material einem elektromagnetischen und/oder thermischen Feld und/oder Licht ausgesetzt ist, wobei die Gitterstruktur der diffraktiven Elemente (4) wenigstens ein Polymer-Stück (5) umfasst, das in ein Trägermaterial eingebettet ist, wobei auf einer oder auf beiden Seiten der diffraktiven Elemente (4) ein Element (10) zum Erzeugen eines elektromagnetischen und/oder thermischen Feldes und/oder von Licht angeordnet ist, und wobei mit Hilfe einer Veränderung des elektromagnetischen und/oder thermischen Feldes und/oder des Lichts der Unterschied zwischen der Brechzahl des Polymer-Stücks und der Brechzahl des Trägermaterials und damit die Stärke der Lichtauslenkung der diffraktiven Elemente (4) veränderbar ist.Lighting assembly (1) comprising at least one laser (2), a plurality of diffractive elements (4) which are arranged one behind the other and at intervals in the direction of propagation of a light beam (3) of the laser (2) such that all diffractive elements are on an optical axis which is guided by the light beam (3) of the laser (2) is defined, are arranged, wherein the diffractive elements (4) are designed to deflect light from the light beam (3), and wherein the diffractive elements (4) have a lattice structure (5, 6) which comprises a material whose refractive index can be changed when the material is exposed to an electromagnetic and/or thermal field and/or light, wherein the lattice structure of the diffractive elements (4) comprises at least one polymer piece (5) which is embedded in a carrier material, an element (10) for generating an electromagnetic and/or thermal field and/or light being arranged on one or on both sides of the diffractive elements (4), and wherein the difference between the refractive index of the polymer piece and the refractive index of the carrier material and thus the strength of the light deflection of the diffractive elements (4) can be changed by changing the electromagnetic and/or thermal field and/or the light. Beleuchtungsanordnung (1) gemäß Anspruch 1, wobei die Gitterstruktur (5, 6) ein stochastisch verteiltes Gitter umfasst.Lighting arrangement (1) according to claim 1 , wherein the lattice structure (5, 6) comprises a stochastically distributed lattice. Beleuchtungsanordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die mehreren diffraktiven Elemente (4) durch eine Folie gebildet sind.Lighting arrangement (1) according to one of Claims 1 or 2 , wherein the plurality of diffractive elements (4) are formed by a film. Beleuchtungsanordnung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Gitterstruktur durch Polymer-Stücke (5) gebildet wird, die in ein aus Glas bestehendes Trägerelement (6) eingebettet sind.Lighting arrangement (1) according to one of the preceding claims, in which the lattice structure is formed by polymer pieces (5) embedded in a support element (6) made of glass. Beleuchtungsanordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, die mehrere Laser (2) umfasst, vorzugsweise Laser (2) unterschiedlicher Farbe, die dazu ausgelegt sind, einen gemeinsam erzeugten Lichtstrahl (3) durch die diffraktiven Elemente (4) zu strahlen.Lighting arrangement (1) according to one of Claims 1 until 4 , which comprises a plurality of lasers (2), preferably lasers (2) of different colors, which are designed to radiate a jointly generated light beam (3) through the diffractive elements (4).
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