DE102018205315A1

DE102018205315A1 - Optisches System mit Diffusoren und Wabenkondensoren

Info

Publication number: DE102018205315A1
Application number: DE102018205315.4A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Hartwig; Volker Gäbler
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: CLAY PAKY S.R.L., SERIATE, IT
Priority date: 2018-04-09
Filing date: 2018-04-09
Publication date: 2019-10-10
Also published as: US11009644B2; CN110360482B; CN110360482A; US20190310411A1

Abstract

Offenbart wird also ein optisches System (30) mit zwei Wabenkondensoren (34, 40) und einem nachgeschalteten Diffusor (56) zum Erreichen einer homogenen Lichtverteilung.

Description

Die Erfindung geht aus von einem optischen System und einem Scheinwerfer damit.
Zur Erzeugung lichtstarker Scheinwerfer ist es üblich, eine leistungsstarke Halogen- oder Entladungslampen zu verwenden oder eine Vielzahl von LED-Lichtquellen. Bei der Verwendung mehrerer Lichtquellen besteht das Problem, die abgegebene Strahlung so über eine Optik auszugeben, dass es zu keiner Inhomogenität der Farbe und/oder der Helligkeits-Verteilung im abgegebenen Licht kommt. Insbesondere führt eine parallele, aber nicht kollineare Einstrahlung verschiedener Lichtquellen in eine Optik zu einer nicht-homogenen Farb- und/oder Helligkeits-Verteilung im abgegebenen Licht. Eine mangelhafte Homogenität bedingt neben einer Untauglichkeit für manche technisch geprägten Aufgaben vor allem einen störenden Eindruck bei einem Betrachter.
Bekannt sind optische Systeme mit einer auf einem optischen Element angeordneten Leiterschleife aus optisch vergleichsweise transmissivem Indiumzinnoxid (ITO) oder Zinkoxid (ZnO) als Teil einer Überwachungseinrichtung, beispielsweise aus der DE 10 2015 220 838 A1 , der US 2014 / 0009952 A1 oder der US 2016 / 0290856 A1 .
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein optisches System zum räumlichen und/oder winkelbezogenen Homogenisieren des Lichts zumindest zweier parallel, aber nicht kollinear einstrahlender Lichtquellen vorzusehen. Eine Eignung für lichtstarke Anwendungen und/oder bauraumliche, fertigungstechnische und/oder wirtschaftliche Anforderungen wird bevorzugt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein optisches System aufweisend zumindest zwei hintereinander geschaltete Wabenkondensoren mit jeweils (zumindest) zwei hintereinander geschalteten Linsenrasterplatten und zumindest einen den Wabenkondensoren nachgeschalteten Diffusor. Die einzelnen Stufen dieses optischen Systems wirken dabei vorteilhaft synergetisch verstärkend homogenisierend zusammen.
Eine Linsenrasterplatte ist üblicherweise als eine transparente Platte aufweisend Linsenelemente (wie Mikrolinsen) in einem bspw. hexagonalen dichten Raster konfiguriert. Die Linsenrasterplatten sind bevorzugt gegenseitig ausgerichtet und/oder weisen ein identisches Raster (auch allgemein Muster oder wabenartige Anordnung genannt) der Linsenelemente auf, welche bevorzugt die gleiche Brennweite aufweisen. Jeder Wabenkondensor mit den zumindest zwei hintereinander geschalteten Linsenrasterplatten kann als eine Wabenkondensorstufe bezeichnet werden. Die Wabenkondensoren bewirken jeweils eine vervielfachende, zumindest verdoppelnde, Abbildung der auf jeweils zumindest zwei Linsenelemente der ersten Linsenrasterplatte einstrahlenden Lichtquellen, und hierdurch eine Homogenisierung. Ein Muster bzw. Raster der Linsenelemente einer Linsenrasterplatte kann dabei auf verschiedene Weisen, beispielsweise an den jeweiligen Einsatzzweck angepasst, ausgestaltet sein, siehe beispielsweise die EP 2212724 B1 . Vorteilhafte Gestaltungen umfassen neben einem regelmäßigen Muster, wie einem hexagonalen und/oder rechteckigen Muster, auch ein nicht-rotationssymmetrisches Muster, welches beispielsweise an zumindest eine Fibonacci-Spirale angelehnt ist.
Der nachgeschaltete Diffusor bewirkt ein Aufweiten der von den Linsenelementen der zweiten (letzten) Linsenrasterplatte des zweiten Wabenkondensors abgegebenen Lichtstrahlen. Hierdurch wird einerseits ein weiteres räumliches wie winkelbezogenes Homogenisieren des abgegebenen Lichts erreicht. Weiters wird das abgegebene Licht auch im Nahfeld (Ebene in endlicher Objektentfernung), nämlich der fokalen Ebene der Linsenelemente der zweiten Linsenrasterplatte, homogenisiert. Die vorstehende Aufgabe wird auch gelöst durch einen Scheinwerfer mit dem vorbeschriebenen optischen System und zumindest zwei Lichtquellen, die zum parallelen, aber nicht-kollinearen Einstrahlen in das optische System angeordnet sind. Dieser Scheinwerfer verwirklicht die genannten Vorteile und Eigenschaften des optischen Systems.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Weiterbildend kann das optische System zumindest einen den Wabenkondensoren vorgeschalteten Diffusor aufweisen. Der vorgeschaltete Diffusor bewirkt ein Aufweiten jeweiliger eingehender Lichtstrahlen, sodass vorteilhaft ein eingehender Lichtstrahl auf mehrere Linsenelemente der ersten Linsenrasterplatte einstrahlt. Neben der durch die Aufweitung an sich eintretenden Homogenisierung erhöht der Diffusor also eine Homogenisierungs-Zuverlässigkeit auch bei einstrahlenden Lichtstrahlen mit sehr kleinen Strahldurchmessern. Die auch unabhängig beanspruchbare Kombination aus vorgeschaltetem Diffusor und zumindest einem Wabenkondensor bewirkt ein im Fernfeld (Ebene in unendlicher Objektentfernung) besonders räumlich wie winkelbezogen homogenes Leuchtbild bei gleichzeitig besonders hoher Homogenisierungs-Zuverlässigkeit. Dadurch ist das optische System für viele unterschiedliche Scheinwerferkonfigurationen geeignet. Durch die Doppelintegration jeweils eines vor- und nachgeschalteten Diffusors in ein optisches System mit zumindest zwei Wabenkondensoren werden vorteilhaft sowohl das Nah- als auch das Fernfeld vorteilhaft räumlich wie winkelbezogen vorteilhaft zuverlässig homogen ausgeleuchtet, wobei das optische System gegenüber Inhomogenitäten der einstrahlenden Lichtverteilung vorteilhaft in hohem Maße nicht sensitiv ist.
Zusätzlich zu dem vorgeschalteten Diffusor oder anstelle des vorgeschalteten Diffusors kann eine Kollimationsoptik der einzelnen Laserstrahlen vorgesehen sein, die vorteilhaft einen entsprechend großen Strahldurchmesser in der Wabenkondensorebene ergibt.
Ein Diffusor (Streuscheibe) kann ein dezidiertes Bauteil sein, sodass ein besonders gezieltes Anpassen an gewünschte Eigenschaften erreicht werden kann. Ein Diffusor kann durch eine optisch streuende und/oder mischende Eigenschaft eines anderen Bauteils, wie eine diffusive Oberfläche einer Linse oder dergleichen, gestaltet sein, um beispielsweise Montageschritte, Bauraum, Gewicht und Stückkosten reduzieren zu können. Eine definiertere Winkelverteilung wird durch Verwenden zumindest eines mit einer holographischen Struktur ausgebildeten Diffusors erreicht. Ein Diffusor mit einer fein strukturierten Oberflächenrauheit ist sehr wirtschaftlich einsetzbar. Dabei ist eine Strukturbreite bevorzugt kleiner als 200 µm, besonders bevorzugt sogar kleiner als 100 µm, um bei typischen Lichtstrahldurchmessern eine hohe Aufweitung bzw. Durchmischung zu erzielen. Wenn zumindest ein Diffusor einstückig aus einem optisch transparenten Material, vorzugsweise aus einem Glas, einem Polymethylmethacrylat (PMMA), einem Polycarbonat (PC), einem Silikon und/oder dergleichen, gebildet ist, verringert dies interne Verluste. Ein Diffusor kann eine Diffusoranordnung mit zumindest zwei hintereinander geschalteten Diffusoren sein, wodurch eine Ausfallsicherheit und eine Versagenssicherheit verbessert werden.
Um durch einen bestimmten, vorzugsweise zumindest einen dem Wabenkondensor nachgeschalteten, Diffusor erzeugte Artefakte, wie Laser-Speckles, auszugleichen, kann dieser Diffusor und/oder ein diesem Diffusor nachgeschalteter Diffusor zu einer Bewegung mit zumindest einem Freiheitsgrad antreibbar angeordnet sein. Durch die Bewegung werden die Artefakte „verwischt“. Dabei ist der Diffusor bevorzugt innerhalb eines Strahlengangs bzw. ohne ein Verlassen des Strahlengangs bewegbar, um die Diffusion vorteilhaft kontinuierlich sicherzustellen. Beispielsweise kann der Diffusor zu einer lateral alternierenden Bewegung („Hin-und-Her-Bewegung quer zum Strahlengang“), einer rotierenden Bewegung, eine kippenden Bewegung und/oder einer transversal alternierenden Bewegung („Hin-und-Her-Bewegung entlang des Strahlengangs“) antreibbar sein.
Das optische System kann zusätzlich zu dem zumindest einen nachgeschalteten Diffusoren und den Wabenkondensoren zumindest ein weiteres vor- zwischen- und/oder nachgeschaltetes optisches Element umfassen. Besonders bevorzugt ist eine zwischen die Wabenkondensoren geschaltete Übertragungsoptik beispielsweise zum vorteilhaften Strahlenganganpassen. Wenn die Übertragungsoptik zumindest eine Linse aufweist, kann beispielsweise ein Abstand zwischen ansonsten baugleichen Linsenrasterplatten angepasst werden. Die Linse ist vorzugsweise eine abbildende Linse, wie eine Transferlinse. Bevorzugt ist dabei zumindest einer der Wabenkondensoren etwa in einer fokalen Ebene der Übertragungsoptik angeordnet; der Wabenkondensor ist beispielsweise dann etwa in einer fokalen Ebene angeordnet, wenn er bis zu +/- 10mm, bevorzugt bis zu +/- 5mm, bevorzugter bis zu +/- 2mm und besonders bevorzugt bis zu +/-1mm neben der fokalen Ebene und/oder in der fokalen Ebene angeordnet ist. Wenn die Übertragungsoptik zusätzlich oder alternativ zumindest einen Umlenkspiegel umfasst, kann eine optische Achse geändert werden, beispielsweise um eine bauraumlich geeignete Konstruktion zu erzielen.
Insbesondere bei lichtstarken Anwendungen kann zum Vermeiden eines Sekundärschadens, wie eines Personenschadens, zum Erfassen eines Primärschadens, wie eines strukturellen Versagens eines optischen Elements, zumindest ein Diffusor und/oder Wabenkondensor mit einer Integritäts-Überwachung verschaltet sein. Die Integritätsüberwachung ist bevorzugt als ITO-Streifen oder dergleichen ausgeführt. Mittels einer Strommessung des ITO-Streifens kann eine Sicherheitsschaltung ein Treiben einer Lichtquelle / der Lichtquellen beispielsweise gezielt unterbrechen. Weitere Methoden zur Integritäts-Überwachung eines optischen Elements sind die Verwendung von Ultraschall-Propagation (Ultraschall-Sensorik), die Verwendung eines akustischen Mikrofons zur Detektion eines bei einer Sprung- oder Riss-Bildung entstehenden Geräusches, oder die Verwendung einer Streulichtanalyse (eine defektes optisches Element hat eine geänderte Lichtstreuung bzw. Lichtleitung).
Ist ein Diffusor, vorzugsweise zumindest der nachgeschaltete Diffusor, in einem Rahmen aufgenommen, wie steif aufgenommen, erhöht dies sowohl die Zuverlässigkeit wie auch die funktionale Sicherheit.
Zum Verringern von Fehlabbildungen, wie sogenannten Geisterbildern, kann vorgesehen sein, eine Blendenöffnung bzw. eine Blendenvorrichtung mit einer definierten Öffnung in einer Ebene des ersten Wabenkondensors anzuordnen.
Als Lichtquelle kommt jede Art Strahlungsquelle in Betracht, solange sie zumindest einen Anteil einer emittierten Strahlung im sichtbaren und/oder ultravioletten und/oder infraroten Bereich abgibt. Alle Lichtquellen eines Scheinwerfers können von einem Typ, von zumindest einem Typ und/oder mehr als einem Typ sein. Besonders bevorzugt kann sein, dass die unterschiedlichen Farben durch unterschiedliche Lichtquellentypen erzeugt werden.
Die Lichtquelle kann beispielsweise ausgebildet sein: als eine Glühlampe; als eine Halogenlampe; als eine Entladungslampe; als eine Licht emittierende Diode (LED); als eine Licht emittierende Quantum-Dot-Diode (QD-LED); als ein Laser, insbesondere ein Halbleiterlaser; ein Laserdioden-Array, insbesondere eine VCSEL- oder VECSEL-Laser-Matrixanordnung, als eine LED oder ein Laser oder eine andere Lichtquelle, die jeweils ein nach dem Prinzip Laser Activated Remote Phosphor (LARP) arbeitendes System sind; als eine IR-Strahlungsquelle; oder als eine andere eine elektromagnetische Strahlung in und/oder teilweise in und/oder nahe bei und/oder teilweise nahe bei dem sichtbaren Bereich abgebende, wiedergebende und/oder erzeugende Vorrichtung.
Eine Entladungslampe kann als High Intensity Discharge (HID) bezeichnet sein, und/oder sie kann beispielsweise eine Gasentladungslampe sein.
Unter einer Licht emittierenden Diode sollen insbesondere eine LED mit einem nachgelagerten Leuchtstoff zur teilweisen Umwandlung von Primärlicht (Emissionslicht der LED) in Sekundärlicht (Konversionslicht des Leuchtstoffs); eine ein warmweißes Licht emittierende LED; eine ein kaltweißes Licht emittierende LED; eine LED, welche in Vollkonversion betrieben wird; eine LED ohne einen nachgelagerten Leuchtstoff; eine pixelierte LED-Matrixanordnung; eine organische LED (OLED) und/oder dergleichen verstanden werden. Weiterbildend kann eine LED eine LED-Anordnung, wie rein beispielsweise eine zum Erzeugen mehrfarbigen Lichts vorbereitete LED-Anordnung, sein. Bevorzugt emittieren die LED-Chips weißes Licht im genormten ECE-Weißfeld der Automobilindustrie, beispielsweise realisiert durch einen blauen Emitter und einen gelb/grünen Konverter. Einsetzbar und bevorzugt sind auch Mikro-LEDs bzw. µLEDs mit beispielsweise einer Fläche von 0,25mm² bzw. 500µm Kantenlänge. Bei mehrfarbigen LEDs kann durch ein Zusammenschalten ein weißes Licht erzeugt werden, was hier bevorzugt ist.
Bei der LARP-Technologie wird ein von einer Strahlungsquelle meist beabstandet angeordnetes Konversionselement, das einen Leuchtstoff (Hinweis: der Begriff Phosphor umfasst fachsprachlich auch Phosphor-freie Leuchtstoffe) aufweist oder daraus besteht, mit einer Anregungsstrahlung, insbesondere einem Anregungsstrahl oder Pumpstrahl oder Pumplaserstrahl, bestrahlt, insbesondere mit dem Anregungsstrahl einer Laserdiode. Die Anregungsstrahlung wird vom Leuchtstoff zumindest teilweise absorbiert und zumindest teilweise in eine Konversionsstrahlung oder in ein Konversionslicht umgewandelt, deren Wellenlängen und somit spektralen Eigenschaften und/oder Farbe durch die Konversionseigenschaften des Leuchtstoffs bestimmt wird. Beispielsweise kann so mit Hilfe des Konversionselements eine blaue Anregungsstrahlung, insbesondere ein blaues Laserlicht, in eine rote und/oder grüne und/oder gelbe Konversionsstrahlung konvertiert werden. Bei einer teilweisen Konversion ergibt dann beispielsweise eine Überlagerung eines nichtkonvertierten blauen Anregungslichts und eines gelben Konversionslichts ein weißes Nutzlicht.
Eine IR-Strahlungsquelle kann insbesondere eine IR-Laserdiode sein.
Bevorzugt sind die Lichtquellen vom Typ Licht emittierende Dioden (LEDs), weil LEDs sehr platz- und energiesparende Lichtquellen sind, wobei auch andere Dioden, wie Laser-Dioden, diese Vorteile aufweisen.
Weiterbildend wird bevorzugt, wenn die Lichtquellen, wie LEDs, ihrem Binning gemäß zum Abgeben der unterschiedlichen Lichtfarben angeordnet sind. Unter einem Binning wird eine Klassierung gefertigter Lichtquellen, insbesondere LEDs, nach zumindest einer Eigenschaft, wie vorliegend nach der abgebbaren Lichtfarbe, verstanden. Hierdurch wird erreicht, dass die unterschiedlichen Lichtfarben sehr präzise bestimmbar sind. Vorteilhaft können unterschiedliche Lichtfarben mit Lichtquellen gleichen Typs (und damit beispielsweise gleichen Anforderungen und gleicher Ansteuerung) verwendet werden.
Die Lichtquellen des Scheinwerfers können einer Lichtquellengruppe angehören. Eine Lichtquellengruppe kann gleiche Lichtquellen (wie LEDs gleichen Binnings), zumindest typgleiche Lichtquellen (wie LEDs), zumindest typähnliche Lichtquellen (wie LEDs und Laserdioden) und/oder verschiedene Lichtquellen umfassen. Eine bevorzugte Lichtquellengruppe kann jeweils eine rote, eine blaue und eine grüne Lichtquelle umfassen. Eine andere bevorzugte Lichtquellengruppe kann nur aus kaltweißen und/oder warmweißen Lichtquellen bestehen, also Lichtquellen unterschiedlicher Farbtemperatur. Eine andere bevorzugte Lichtquellengruppe kann eine kaltweiße, ein warmweiße, eine rote, eine grüne und eine blaue Lichtquelle umfassen.
Besonders bevorzugt wird eine Laser-Diode als zumindest eine der zumindest zwei Lichtquellen eingesetzt. Eine Laser-Diode kann insbesondere zum Abgeben eines roten, blauen, grünen, warmweißen oder kaltweißen Laserstrahls konfiguriert sein. Eine Laser-Diode ist eine bevorzugte Form einer Laserquelle.
Bevorzugt weist der Scheinwerfer zumindest einen zumindest einer der Lichtquellen nachgeschalteten Kollimator auf, wobei der zumindest eine den Wabenkondensoren vorgeschaltete Diffusor zumindest einen dem Kollimator vor- und/oder nachgeschalteten und/oder in den Kollimator integrierten Diffusor enthält. Ein dem Kollimator vorgeschalteter Diffusor kann auf die jeweilige Lichtquelle individuell abgestimmt sein. Ein dem Kollimator nachgeschalteter Diffusor kann ein Gleichteil sein. Ein in den Kollimator integrierter Diffusor kann Montagekosten und Bauraum sparend als eine strukturierte Oberfläche des Kollimators gestaltet sein. Ebenfalls Montagekosten und Bauraum sparend kann der in den Kollimator integrierte Diffusor zum Bewirken einer Kollimation konfiguriert und/oder angeordnet sein, wobei deren Ausgangsstrahlen divergieren, aber definiert bis zu einem spezifizierbaren Betrag, beispielsweise <4°, (voller Öffnungswinkel) divergieren. Insbesondere mit einer Lichtquelle mit vergleichsweise großer Auskoppelgeometrie ergibt sich so vorteilhaft ein integrierter Diffusor.
Falls der Scheinwerfer zumindest eine Lichtquellenanordnung und eine zum Umlenken eines Lichts von der Lichtquellenanordnung zu den Wabenkondensoren angeordnete Stufenspiegelanordnung aufweist, kann der zumindest eine den Wabenkondensoren vorgeschaltete Diffusor vorteilhaft zumindest einen der Stufenspiegelanordnung vorgeschalteten, in die Stufenspiegelanordnung integrierten und/oder der Stufenspiegelanordnung nachgeschalteten Diffusor enthalten.
Beispielsweise falls die Lichtquellen zumindest zwei unterschiedliche Wellenlängen abgeben, kann vorteilhaft der zumindest eine den Wabenkondensoren vorgeschaltete Diffusor einen nur einem Teil der Lichtquellen und/oder Wellenlängen zugeordneten Diffusor enthalten. Dies ermöglicht ein gezieltes Aufweiten des entsprechenden Lichts. Auch in anderen Fällen kann ein Diffusor nur einem Teil der eintreffenden Lichtstrahlen zugeordnet sein, um beispielsweise unterschiedliche einstrahlenden Lichtstrahlen gleich oder unterschiedlich zum Homogenisieren aufzuweiten.
Vorzugsweise ist einerseits zumindest eine der Lichtquellen (jeweils einzeln) und/oder andererseits der dem Wabenkondensor vorgeschaltete Diffusor dazu konfiguriert und/oder angeordnet, dass ein unterscheidbarer, wie abgegrenzter, Lichtstrom-unterscheidbarer und/oder Wellenlängen-unterscheidbarer, auf die erste Linsenrasterplatte einstrahlender Lichtstrahl zumindest einen dem Durchmesser bzw. der Strukturbreite der Linsen der Linsenrasterplatte entsprechenden, vorzugsweise doppelt großen, Durchmesser aufweist. Dies verbessert eine Aufweitung von der ersten zu der zweiten Linsenrasterplatte, und trägt somit verstärkend zur Homogenisierung bei.
Eine hohe Effizienz kann erreicht werden, wenn der Einstrahlwinkel der Gesamtheit der Laser-Strahlenbündel in die erste Linsenrasterplatte innerhalb eines Annahmewinkels (Akzeptanzwinkels) der jeweiligen Linse(n) enthalten ist, und bevorzugt kleiner als eine volle Halbwertsbreite, hier 4°, ist. Der Einstrahlwinkel ist einerseits durch zumindest eine der Lichtquellen (jeweils einzeln) und/oder andererseits durch den dem Wabenkondensor vorgeschalteten Diffusor konfigurierbar.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:

1 einen schematischen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Scheinwerfer gemäß der Ausführungsform,
2 eine perspektivische Ansicht eines Lichtmoduls des erfindungsgemäßen Scheinwerfers,
3 eine perspektivische Ansicht der optischen Elemente des Lichtmoduls einschließlich eines erfindungsgemäßen optischen Systems,
4 eine perspektivische Ansicht eines Auslassdiffusors in einem Rahmen,
5 eine beispielhafte räumliche Verteilung in das erfindungsgemäße optische System einstrahlender Lichtstrahlen,
6 eine beispielhafte räumliche Verteilung eines aus dem erfindungsgemäßen optischen System ausstrahlenden Lichtstrahls,
7 eine beispielhafte winkelbezogene Verteilung in das erfindungsgemäße optische System einstrahlender Lichtstrahlen,
8 eine beispielhafte winkelbezogene Verteilung eines aus dem erfindungsgemäßen optischen System ausstrahlenden Lichtstrahls,
9 eine beispielhafte räumliche Verteilung eines aus dem erfindungsgemäßen optischen System ausstrahlenden Lichtstrahls,
10 eine beispielhafte räumliche Verteilung eines von einem Wabenkondensor des erfindungsgemäßen optischen Systems abgegebenen Lichtstrahls, und
11 einen vergrößerten Ausschnitt der 10.

Ein in den 1 bis 4 dargestellter Scheinwerfer 1, als ein Beispiel eines stationären Scheinwerfers für Veranstaltungs- und Unterhaltungszwecke, umfasst ein Lichtmodul 2, das zusammen mit einer zumindest teilschließenden Blende 4 (fachsprachlich shutter) und weiteren optischen Elementen 6 (fachsprachlich gate) einer Projektionslinse 8 vorgeschaltet in einem Gehäuse 10 untergebracht ist.
Ein aus dem Lichtmodul 2 ausgekoppeltes Licht 12 wird durch die Blende 4 und noch mehrere der optischen Elemente 6 geleitet, um durch die Projektionslinse 8 kollimiert abgestrahlt zu werden.
Die optischen Elemente 6 umfassen interne optische Elemente 14, welche innerhalb des Lichtmoduls 2 im optischen Pfad oder zumindest in den optischen Pfad einschaltbar / einbringbar angeordnet und konfiguriert sind, und externe optische Elemente 16, welche außerhalb des Lichtmoduls 2 im optischen Pfad oder zumindest in den optischen Pfad einschaltbar / einbringbar angeordnet und konfiguriert sind. Zumindest ein externes optisches Element kann beispielsweise ein fachsprachlich als Gobo bzw. graphical optical black-out bezeichnetes Element sein. Zumindest ein optisches Element 6 kann beispielsweise aus einem optischen Material, vorzugsweise mit einem Brechungsindex von 1,3 oder darüber, gebildet sein. Zumindest ein optisches Element 6 kann beispielsweise eine Linse, eine Zylinderlinse, ein Prisma, eine Diamant-ähnliche Struktur, ein TIR-Element (totale interne Reflexion bzw. fachsprachlich total internal reflection), ein Kaleidoskop-Element, eine Blende, eine Vielzahl davon bzw. Anordnung damit und/oder eine Kombination daraus sein. Zumindest ein optisches Element 6 kann beispielsweise stationär, durch eine rotierbare Scheibe oder dergleichen austauschbar und/oder selbst rotierbar ausgeführt sein. Zumindest ein optisches Element 6 kann beispielsweise in LCD-Technik (Flüssigkristall-Anzeigen bzw. fachsprachlich liquid crystal displays), wie in LCOS-Technik (Flüssigkristalle auf einem Silizium/-substrat, bzw. fachsprachlich liquid crystal on silicon) oder in DMD-Technik (Digital-(micro-)spiegelvorrichtung bzw. fachsprachlich digital (micro-)mirror device), ausgeführt sein. Ein optisches Element 6 in LCD-Technik kann zum Erzeugen eines variablen Musters dienen, wobei in beispielhafter Kombination mit einem Laserlicht wegen der Polarisation die Verluste vorteilhaft niedrig sind. Eine Vielzahl optischer Elemente 6 in LCD-Technik im optischen Pfad kann vorteilhaft sein, um nicht nur eine Ebene des Lichtstrahls, sondern den gesamten Lichtstrahl zu formen, wobei insbesondere hierzu die LCD-Elemente beispielsweise direkt vor einer ersten Linsenrasterplatte, zwischen den Linsenrasterplatten und/oder nach den Linsenrasterplatten nahe einem Auslass des Lichtmoduls 2 vorteilhaft angeordnet sein können.
Die Blende 4 kann zum Steuern der Lichtabgabe verwendet werden. Sie kann beispielsweise vor den externen optischen Elementen 16 angeordnet sein, um die gesamte Lichtabgabe zu steuern, oder einer beliebigen Position entlang des optischen Pfads innerhalb des Lichtmoduls 2, um beispielswiese nur für einen Teil des Lichts, wie eine Wellenlängenmenge, die Lichtabgabe zu steuern. Eine Blende kann beispielsweise als eine Blendeniris (fachsprachlich iris diaphragm) und/oder zumindest ein einstellbarer Schlitz ausgeführt sein.
Das Lichtmodul 2 in der 2 ist gegenüber der in der 1 dargestellten Ausführung des Lichtmoduls 2 geringfügig bspw. hinsichtlich ausgeführter Kühlradiatoren variiert. Ein Inneres des Lichtmoduls 2 ist in der 3 dargestellt.
Das Lichtmodul 2 enthält drei Lichtquellenanordnungen 18, welche jeweils eine Laserbank mit vorliegend acht Laserdioden 20 als Lichtquellen und einem der jeweiligen Laserdiode 20 nachgeschalteten Kollimator 22 in einem gemeinsamen Kühlkörper aufgenommen umfassen. Die drei Lichtquellenanordnungen 18 sind vorliegend eine zum Abgeben roten Lichts konfigurierte Laserbank 18r, eine zum Abgeben grünen Lichts konfigurierte Laserbank 18g und eine zum Abgeben blauen Lichts konfigurierte Laserbank 18b. Jeder Lichtquellenanordnung ist ein Stufenspiegel 24 nachgeschaltet, dessen Spiegelelemente zum Umlenken eines von zumindest einer jeweiligen Lichtquelle 20 zu einem nachgeschalteten optischen Element, hier einem zumindest dichroitischen Umlenkspiegel 26 (d.h. einem „normalen“ Umlenkspiegel oder einem dichroitischen Umlenkspiegel; also ein zumindest eine Wellenlänge reflektierender Umlenkspiegel), umzulenken. Die Umlenkspiegel 26 dienen dem Sammeln bzw. Umlenken der verteilt von den einzelnen Lichtquellenanordnungen 18r, 18g, 18b einstrahlenden Lichtstrahlbündel in ein einziges Lichtstrahlenbündel, wobei vorliegend ein Umlenkspiegel 26b zum reflektierenden Umlenken zumindest von blauem Licht konfiguriert ist, ein Umlenkspiegel 26g zum reflektierenden Umlenken zumindest von grünem Licht und zum Durchlassen zumindest von blauem Licht konfiguriert ist, und ein Umlenkspiegel 26r zum reflektierenden Umlenken zumindest von rotem Licht und zum Durchlassen zumindest von blauem und grünem Licht konfiguriert ist.
Den Umlenkspiegeln 26b, 26g nachgeschaltet entlang des optischen Pfads ist ein erster Diffusor 28 angeordnet, der ein Teil eines optischen Systems 30 ist. Der Diffusor 28 bewirkt somit ein Aufweiten vorliegend der blauen und grünen Anteile im Lichtstrahlenbündel. Diese Anordnung ist vorteilhaft, wenn beispielsweise Lichtquellenbauartbedingt die einzelnen blauen und grünen Lichtstrahlen einen geringeren Durchmesser als die einzelnen roten Lichtstrahlen aufweisen.
Dem Umlenkspiegel 26r (und somit auch dem Diffusor 28) nachgeschaltet ist eine erste Linsenrasterplatte 32 eines ersten Wabenkondensors 34, der ein erfindungsgemäßer Teil des optischen Systems 30 ist. Zwischen einer nachfolgend angeordneten zweiten Linsenrasterplatte 36 des ersten Wabenkondensors 34 und einer ersten Linsenrasterplatte 38 eines zweiten Wabenkondensors 40 ist eine Übertragungsoptik 42 angeordnet; die Übertragungsoptik 42 ist also zwischen die inneren Linsenrasterplatten 36, 38 der Wabenkondensoren 34, 40 zwischengeschaltet. Die Übertragungsoptik 42 umfasst vorliegend zwei Übertragungslinsen 44. Die Linsenrasterplatten 36, 38 liegen in der jeweiligen Brennweite der zugeordneten Übertragungslinse 44 (d.h. bspw. die zweite Linsenrasterplatte 36 liegt in der fokalen Ebene der daneben positionierten Übertragungslinse 40). Ferner umfasst die vorliegende Übertragungsoptik 42 beispielhaft drei Umlenkspiegel 46, welche derart angeordnet sind, dass mittels vorliegend dreier 90°-Umlenkungen eine erste optische Achse 48 der ersten Linsenrasterplatte 32 etwa senkrecht zu einer zweiten optischen Achse 50 einer zweiten Linsenrasterplatte 52 steht, wobei ein Schnittpunkt (oder kürzester Abstand) beider optischer Achsen 48, 50 etwa im mittleren Drittel, vorzugsweise etwa mittig, der ersten optischen Achse 48 positioniert ist. Die Anordnung der Umlenkspiegel 46 ermöglicht, dass die zweite optische Achse 50, und somit der Ausgangslichtstrahl 12, etwa zentral zu dem Lichtmodul 2 angeordnet ist. Hieraus folgen vorteilhaft eine (beispielsweise bauraumliche) Symmetrie des Lichtmoduls 2 zu dessen stationärer Aushängung und eine bezüglich der optischen Achse 50 gleichmäßige Gewichtsverteilung. Die Umlenkspiegel 46 bewirken also einen Formfaktor.
Ein Wabenkondensor 34, 40 ist beispielsweise wie folgt konfiguriert: Eine Linsenrasterplatte ist vorzugsweise ca. 2 mm dick. Die Mikrolinsen sind vorzugsweise eingangsseitig der jeweils ersten Linsenrasterplatte 32, 38 und ausgangsseitig der jeweils zweiten Linsenrasterplatte 36, 52 angeordnet. Ein Abstand (Zwischenraum) zwischen den Linsenrasterplatten 32 und 36 bzw. 38 und 52 beträgt vorzugsweise ca. 5-15 mm. Eine Fokusebene der Mikrolinsen ist vorzugsweise etwa 5 bis 20 mm von der jeweiligen Linsenrasterplatte 32, 36, 38, 52 beabstandet.
Den Wabenkondensoren 34, 40 nachgeschaltet sind eine optionale und vorteilhaft Anwendungsfall-anpassbare Auslasslinse 54 und ein zweiter Diffusor 56, welcher ein erfindungsgemäßer Teil des optischen Systems 30 ist. Der zweite Diffusor 56 ist beispielsweise in einem Rahmen 58 aufgenommen, vgl. 4, um zum Steigern der Ausfallsicherheit mechanische Beanspruchungen vom optisch durchlässigen Bauteil fern zu halten. Ferner bewirkt der Rahmen 58, dass der Diffusor 56 nicht herausfallen kann, wenn der Diffusor 56 bricht, sodass der Rahmen 58 zur funktionalen Sicherheit beiträgt. Vorliegend bildet der zweite Diffusor 56 die Auskoppelfläche des Lichtmoduls 2.
Innerhalb des Lichtmoduls 2 bewirkt das optische System 30 eine gute farbliche Homogenisierung des abgestrahlten Lichts und eine gleichmäßige Beleuchtungsstärkeverteilung (fachsprachlich flat top irradiance distribution genannt) für jede der Farben, und zwar sowohl räumlich als auch winkelbezogen im Nahfeld und Fernfeld.
Die Laserbänke 18 sind die hauptsächlichen Wärmequellen in dem Lichtmodul 2, und sie sind beispielsweise über zumindest ein Wärmerohr mit zumindest einem Radiator oder Ventilator-angeströmten Radiator thermisch gekoppelt. Darüber hinaus kann das Lichtmodul 2 einen Speicher, wie ein EEPROM, zum Speichern von Modulinformationen wie einer Seriennummer, einer Betriebsdauer und/oder einer Komponenteninformation, wie einer Laserdiodeninformation, sowie elektrische und/oder elektronische Komponenten zum Verbinden und/oder Steuern enthalten. Ferner weist das Lichtmodul beispielsweise ein Gehäuse mit Befestigungspunkten insbesondere für stationäre Anwendungen auf.
Die Wirkung des optischen Systems wird nachfolgend anhand von Lichtverteilungsdiagrammen dargestellt. Die 5 zeigt eine räumliche Lichtverteilung, und die 7 zeigt eine winkelmäßige Lichtverteilung, jeweils bezogen auf die erste Linsenrasterplatte 32. In den Diagrammen ist also die aufweitende Wirkung des ersten Diffusors 28 bezüglich zwei der drei Farben enthalten. Die einzelnen in die erste Linsenrasterplatte 32 einstrahlenden Lichtstrahlen sind anhand ihrer Helligkeits- und Farbverteilung deutlich unterscheidbar. Demgegenüber zeigt die 6 eine räumliche Lichtverteilung und die 8 eine winkelbezogene Lichtverteilung nach dem zweiten Diffusor 56. Es sind fast keine farblichen oder intensitätsbezogenen Unterschiede mehr feststellbar, vielmehr wird eine etwa gleichmäßige Lichtverteilung erreicht.
Die 9 bis 11 stellen eine Wirkung des zweiten Diffusors 56 dar. Während die 9 vergleichbar der 6 eine räumliche Lichtverteilung nach dem zweiten Diffusor 56 darstellt, welche homogen und gleichmäßig ist, stellt die 10 eine räumliche Lichtverteilung in der um einen Abstand d von der zweiten Linsenrasterplatte 36 beabstandeten fokalen Ebene (Nahfeld) der zweiten Linsenrasterplatte 52 dar. Die Lichtverteilung bildet eine regelmäßige Struktur entsprechend dem Raster der Linsenrasterplatte 52 aus, wobei die 11 eine ausgeschnittene Vergrößerung zu Demonstrationszwecken zeigt. Darin ist eine Strukturweite s als kürzester Abstand zwischen jeweiligen Mittelpunkten zweier benachbarter dunkler Bereiche angezeigt. Der in einem Abstand 1 von der zweiten Linsenrasterplatte 52 angeordnete zweite Diffusor 56 weist einen mittleren Streuwinkel α auf, welcher vorzugsweise α≥arctan(s/(ld)) genügt, sodass eine besonders gute Homogenisierung erreicht wird.

Offenbart wird also ein optisches System mit zwei Wabenkondensoren und einem nachgeschalteten Diffusor zum Erreichen einer homogenen Lichtverteilung. BEZUGSZEICHENLISTE

Scheinwerfer	1
Lichtmodul	2
Blende	4
optisches Element	6
Projektionslinse	8
Gehäuse	10
Licht	12
internes optisches Element	14
externes optisches Element	16
Lichtquellenanordnung	18, 18r, 18g, 18b
Laser-Diode	20
Kollimator	22
Stufenspiegel	24
dichroitischer Umlenkspiegel	26, 26r, 26g, 26b
erster Diffusor	28
optisches System	30
erste Linsenrasterplatte	32
erster Wabenkondensor	34
zweite Linsenrasterplatte	36
erste Linsenrasterplatte	38
zweiter Wabenkondensor	40
Übertragungsoptik	42
Übertragungslinse	44
Umlenkspiegel	46
erste optische Achse	48
zweite optische Achse	50
zweite Linsenrasterplatte	52
Auslasslinse	54
zweiter Diffusor	56
Rahmen	58
Abstand	l
Strukturweite	s

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015220838 A1 [0003]
US 2014/0009952 A1 [0003]
US 2016/0290856 A1 [0003]
EP 2212724 B1 [0006]

Claims

Optisches System aufweisend zwei hintereinander geschaltete Wabenkondensoren (34, 40) mit jeweils zwei hintereinander geschalteten Linsenrasterplatten (32, 36, 38, 52) und zumindest einen den Wabenkondensoren (34, 40) nachgeschalteten Diffusor (56).
Optisches System gemäß dem Anspruch 1, ferner aufweisend zumindest einen den Wabenkondensoren (34, 40) vorgeschalteten Diffusor (28).
Optisches System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei zumindest ein Diffusor (28, 56) mit einer holographischen Struktur ausgebildet ist.
Optisches System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zumindest ein Diffusor (28, 56) eine fein strukturierte Oberflächenrauheit, vorzugsweise eine Strukturbreite kleiner als 200 µm, insbesondere kleiner als 100 µm, aufweist.
Optisches System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zumindest ein Diffusor (28, 56), vorzugsweise zumindest ein den Wabenkondensoren (34, 40) nachgeschalteter Diffusor (56), innerhalb eines Strahlengangs zu einer Bewegung mit zumindest einem Freiheitsgrad antreibbar angeordnet ist.
Optisches System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner aufweisend eine zwischen die Wabenkondensoren (34, 40) geschaltete Übertragungsoptik (42).
Optisches System gemäß dem Anspruch 6, wobei die Übertragungsoptik (42) zumindest eine Linse (44) aufweist, und wobei zumindest einer der Wabenkondensoren (34, 40) etwa in einer fokalen Ebene der Übertragungsoptik (42, 44) angeordnet ist.
Optisches System gemäß einem der Ansprüche 6 bis 7, wobei die Übertragungsoptik (42) zumindest einen Umlenkspiegel (46) umfasst.
Optisches System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei zumindest ein Diffusor (28, 56) und/oder Wabenkondensor (34, 40) mit einer Integritäts-Überwachung verschaltet ist.
Optisches System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei zumindest ein Diffusor (28, 56) in einen Rahmen aufgenommen ist.
Scheinwerfer mit einem optischen System (30) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, aufweisend zumindest zwei zum parallelen, aber nicht kollinearen Einstrahlen in das optische System (30) angeordnete Lichtquellen (20).
Scheinwerfer gemäß dem Anspruch 11, aufweisend zumindest einen zumindest einer der Lichtquellen (20) nachgeschalteten Kollimator, wobei der zumindest eine den Wabenkondensoren (34, 40) vorgeschaltete Diffusor (28) zumindest einen dem Kollimator vor- und/oder nachgeschalteten und/oder in den Kollimator integrierten Diffusor enthält.
Scheinwerfer gemäß einem der Ansprüche 11 bis 12, aufweisend zumindest eine Lichtquellenanordnung (18, 18r, 18g, 18b) und eine zum Umlenken eines Lichts von der Lichtquellenanordnung (18, 18r, 18g, 18b) zu den Wabenkondensoren (34, 40) angeordnete Stufenspiegelanordnung, wobei der zumindest eine den Wabenkondensoren (34, 40) vorgeschaltete Diffusor (28) zumindest einen der Stufenspiegelanordnung vorgeschalteten, in die Stufenspiegelanordnung integrierten und/oder der Stufenspiegelanordnung nachgeschalteten Diffusor enthält.
Scheinwerfer gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Lichtquellen (20) zumindest zwei unterschiedliche Wellenlängen abgeben, wobei der zumindest eine den Wabenkondensoren (34, 40) vorgeschaltete Diffusor (28) einen nur einem Teil der Lichtquellen (20) und/oder Wellenlängen zugeordneten Diffusor (28) enthält.
Scheinwerfer gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei zumindest eine der Lichtquellen (20) eine LARP-Lichtquelle, eine Laserquelle und/oder zumindest ein Teil einer RGB-Lichtquellenanordnung ist.