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Die Erfindung geht aus von einer optischen Vorrichtung mit zumindest einem optischen Element und zumindest einer Leiterplatte. Des Weiteren geht die Erfindung von einem Fahrzeug mit der optischen Vorrichtung und einem Verfahren zur Herstellung der optischen Vorrichtung aus.
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Optische Vorrichtungen für beispielsweise Frontscheinwerfer eines Fahrzeugs sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie können beispielsweise eine Leiterplatte mit einer oder mehreren Lichtquellen, wie beispielsweise einer oder mehrerer Light emitting Diode/n (LED), enthalten. Damit die optische Vorrichtung einen gewünschten Bereich bestrahlt ist es zudem vorteilhaft, wenn die optische Vorrichtung zumindest eine Optik aufweist. Diese wird von einem Optikhalter gehalten. Da besonders der Abstand zwischen Lichtquelle und einer Einkoppelfläche der Primäroptik relevant für die Effizienz der optischen Vorrichtung ist, kann zwischen der Leiterplatte und dem Optikhalter meist ein Abstandshalter angeordnet sein, der den Abstand zwischen Lichtquelle und der Optik festlegt. Die Leiterplatte, der Abstandshalter und der Optikhalter können miteinander verschraubt sein. Die Optik kann in dem Optikhalter beispielsweise durch eine Klemme gehalten sein. Daraus folgt, dass die Leiterplatte, der Abstandshalter, der Optikhalter und die Primäroptik, da sie eine Toleranzkette bilden, geringe Fertigungstoleranzen aufweisen sollten, damit der Abstand zwischen Lichtquelle und Primäroptik in einem gewissen Toleranzbereich liegt, so dass die Effizienz der optischen Vorrichtung erfüllt ist und das Lichtbild wie gewünscht ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine vorrichtungstechnisch einfache und kostengünstige optische Vorrichtung zu schaffen, die prozesssicher montierbar ist und eine hohe Effizienz aufweist. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Fahrzeug mit dieser optischen Vorrichtung zu schaffen, sowie ein Verfahren zur Herstellung der optischen Vorrichtung zu schaffen.
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Die Aufgabe hinsichtlich der optischen Vorrichtung wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1, hinsichtlich des Verfahrens gemäß den Merkmalen des Anspruchs 13 und hinsichtlich des Fahrzeugs gemäß den Merkmalen des Anspruchs 14.
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Besonders vorteilhafte Ausgestaltung finden sich in abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß ist es eine optische Vorrichtung vorgesehen, die zumindest ein optisches Element, wie beispielsweise eine Primäroptik und/oder eine Optik und/oder eine Linse und/oder eine Linsenanordnung, enthält. Des Weiteren weist die optische Vorrichtung zumindest eine Leiterplatte, auch printed circuit board (PCB) genannt, auf, die zumindest eine Lichtquelle aufweist. Das Licht der Lichtquelle ist in das optische Element einkoppelbar. Des Weiteren weist die Leiterplatte zumindest eine Befestigungsaussparung, wie beispielsweise ein Durchgangsloch und/oder ein Senkloch, auf. Das optische Element und/oder ein Gehäuse des optischen Elements weist vorzugsweise zumindest einen Befestigungszapfen auf. Dieser ist derart ausgestaltet, dass er über die Befestigungsaussparung die Leiterplatte hintergreifen kann, um somit das optische Element und die Leiterplatte zueinander zu positionieren. Mit anderen Worten ist das optische Element und/oder das Gehäuse des optischen Elements, insbesondere einstückig, mit einem Befestigungszapfen verbunden, der in die Befestigungsaussparung eingeführt werden kann und somit das optische Element und die Leiterplatte zueinander fixiert und/oder positioniert.
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Ein Vorteil der Erfindung ist es, dass durch die niedrige Anzahl von Bauteilen, da keine zusätzlichen Befestigungsmittel notwendig sind, die Produktionskosten und/oder Herstellungskosten gering sind. Des Weiteren ist die Toleranzkette sehr kurz, da diese nur aus zwei Bauteilen besteht, die sich aneinander abstützen, und somit kann einfach gewährleistet sein, dass der Abstand zwischen Lichtquelle und einer Einkoppelfläche des optischen Elements innerhalb eines Toleranzbereiches liegt und somit kann auch eine hohe Effizienz und ein scharfes Lichtbild einfach garantiert werden. Die Toleranzkette besteht vorzugsweise aus der Leiterplatte und dem optischen Element und da vorzugsweise nur Anlageflächen des optischen Elements und der Leiterplatte, auf diesen das optische Element und die Leiterplatte aneinander anliegen, sehr genau gefertigt werden, kann die Herstellung der optischen Vorrichtung einfacher und kostengünstiger realisiert werden, Ein weiterer Vorteil ist es, dass durch den Befestigungszapfen, der in die Befestigungsaussparung eingreift und/oder die Leiterplatte hintergreift, eine zusätzliche Verschraubung nicht notwendig ist. Somit kann Zeit bei der Montage gespart werden und somit die Produktionskosten gesenkt werden.
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Vorzugsweise weist der Befestigungszapfen einen elastisch verformbaren Kragen auf. Dieser hintergreift bevorzugt die Befestigungsaussparung. Ist die Befestigungsaussparung ein Durchgangsloch, so kann sich der Kragen an einer Seite der Leiterplatte abstützen und die Leiterplatte kann, insbesondere sandwichartig, zwischen dem Kragen und der Anlagefläche des optischen Elements angeordnet sein. Mit anderen Worten weist der Befestigungszapfen eine Nut auf, die sich in Umfangsrichtung des Befestigungszapfens erstreckt. Der Befestigungszapfen kann in die Befestigungsaussparung einführbar und/oder durchführbar sein und die Leiterplatte ist bevorzugt in der Nut positionierbar. Die Nut ist vorzugsweise von dem Kragen und der Anlagefläche des optischen Elements begrenzt. Mit anderen Worten kann die Leiterplatte zwischen einer Auflagefläche des optischen Elements und dem Kragen des Befestigungszapfens in der Nut des Befestigungszapfens angeordnet sein.
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Besonders vorteilhaft ist es zudem, wenn der Kragen und die Befestigungsaussparung derart ausgestaltet sind, dass der Kragen bei der Montage ausgehend von einem Ausgangszustand elastisch verformt wird und im montierten Zustand in den Ausgangszustand zurückgeht. Mit anderen Worten sind der Durchmesser der Befestigungsaussparung sowie der Durchmesser des Befestigungszapfens und/oder der Durchmesser des Kragens und/oder die Elastizität des Kragens aufeinander abgestimmt. Die Elastizität des Kragens und/oder der Durchmesser des Kragens sollten derart gewählt sein, so dass ein Einführen des Befestigungszapfens in die Befestigungsaussparung möglich ist, aber ein ungewolltes Trennen von optischem Element und Leiterplatte nicht möglich ist. So kann ein Lösen der Befestigung und/oder der Verbindung zwischen Leiterplatte und optischen Element während der Benutzung der optischen Vorrichtung ausgeschlossen werden. Dies trägt zur Betriebssicherheit der optischen Vorrichtung während der Benutzung bei. Durch eine Ablösung des optischen Elements von der Leiterplatte während des Betriebs kann beispielsweise der beleuchtete Bereich verändert werden, was beispielsweise eine Gefahr sein kann, falls die optische Vorrichtung beispielsweise als Frontscheinwerfer eingesetzt ist.
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Des Weiteren kann der elastische Kragen in einem Ausführungsbeispiel kegelförmig und/oder kegelstumpfförmig ausgebildet sein, so dass er in einer Einführrichtung zur Montage leicht deformierbar und in der anderen Richtung nach der Montage steifer, das heißt weniger leicht verformbar ist. Mit anderen Worten kann der Kragen auf der Seite, die im montierten Zustand auf die Leiterplatte zuweist, einen größeren Durchmesser aufweisen, als auf der Seite, die im montierten Zustand von der Leiterplatte weg weist. Somit ist der Befestigungszapfen leicht und mit wenig Kraftaufwand in die Befestigungsaussparung einführbar.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Kragen als ein symmetrischer Ring oder symmetrischer Bund ausgeführt sein. Dies hat den Vorteil, dass die Leiterplatte und das optische Element mit der gleichen Kraft montiert und demontiert werden können. Somit ist es möglich, dass beispielsweise eine Reparatur durchgeführt werden kann. Der Ring ist vorzugsweise symmetrisch zu einer Ebene, die sich quer zu einer Längsachse des Befestigungszapfens erstreckt. Der Ring ist beispielsweise vollständig oder teilweise umlaufend um den Befestigungszapfen ausgebildet.
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Es ist vorzuziehen, dass das optische Element zumindest teilweise oder im Wesentlichen vollständig oder vollständig aus Kunststoff, insbesondere einem spritzgussfähigen Kunststoff, wie beispielsweise Silikon, besteht. Ist der Befestigungszapfen einstückig mit dem optischen Element ausgebildet, so kann dieser ebenfalls aus Kunststoff bestehen. Ist die optische Vorrichtung einstückig und aus demselben Material wie die Befestigungszapfen ausgebildet, so ist eine Herstellung der optischen Vorrichtung mit dem Befestigungszapfen besonders einfach, kostengünstig und in großer Stückzahl umzusetzen, beispielsweise durch einen Gussprozess, insbesondere durch einen Spritzgussprozess.
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Besonders vorteilhaft ist es außerdem, wenn der elastische Kragen des Befestigungszapfens einen größeren Durchmesser hat als die Befestigungsaussparung. So ist es möglich die Leiterplatte leicht zwischen dem Kragen und der optischen Vorrichtung zu fixieren und/oder zu positionieren.
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Vorzugsweise erstreckt sich der Befestigungszapfen in etwa parallel zur optischen Hauptachse der optischen Vorrichtung. Somit kann der Befestigungszapfen leicht in die Befestigungsaussparung eingebracht werden und die Leiterplatte und das optische Element sind zueinander in Richtung der optischen Hauptachse positioniert.
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Des Weiteren ist es vorzuziehen, dass der Befestigungszapfen sich von einer Stirnseite des optischen Elements erstreckt, wobei auf der Stirnseite die Einkoppelfläche für das Licht der Lichtquelle vorgesehen ist. Mit anderen Worten erstreckt sich der Befestigungszapfen von einer Seite der optischen Vorrichtung, die in montierten Zustand der Leiterplatte zugewandt ist.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das optische Element zumindest einen Optikabschnitt mit zumindest der Einkoppelfläche und mit zumindest einer Auskoppelfläche aufweist, wobei die Auskoppelfläche von der Lichtquelle weg weist. Von dem Optikabschnitt kann sich einseitig oder beidseitig ein Flanschabschnitt, insbesondere parallel zur Leiterplatte, erstrecken oder der Flanschabschnitt kann den Optikabschnitt umschließen. Der Optikabschnitt kann zusätzlich derart ausgebildet sein, sodass ein Teil des Optikabschnitts, der die Einkoppelfläche aufweist, in montiertem Zustand über den Flanschabschnitt in Richtung der Leiterplatte hinauskragt, sodass die Einkoppelfläche für das Licht nah an der Leitplatte angeordnet ist. Von dem Flanschabschnitt kann sich zumindest ein Schenkel erstrecken, bei dem der Befestigungszapfen ausgebildet ist. Mit anderen Worten hat das optische Element von dem Befestigungszapfen bis zu der Einkoppelfläche für das Licht der Lichtquelle eine Topfform oder eine U-Form. Vorzugsweise können außerdem in regelmäßigen Abständen Schenkel an dem Flanschabschnitt angeordnet sein, insbesondere können diese symmetrisch angeordnet sein. Der oder die Schenkel können alternativ oder zusätzlich eine zumindest abschnittsweise um den Optikabschnitt umlaufende Wandung bilden. Zwischen den Schenkeln kann außerdem die Lichtquelle angeordnet sein. Durch die Form des optischen Elements kann eine thermisch bedingte Längenänderung in Richtung der optischen Hauptachse ausgeglichen werden. Somit können Lageänderungen zwischen der Einkoppelfläche und der Lichtquelle reduziert und/oder im Wesentlichen verhindert werden. Durch die Form des optischen Elements dehnt sich, beispielsweise bei einer Temperaturerhöhung, der Schenkel, an den sich der Befestigungszapfen anschließt in eine Richtung aus, die der Richtung entspricht in der das Licht von der Lichtquelle abstrahlt. Gleichzeitig dehnt sich ein Teil des Optikabschnitts, der die Einkoppelfläche enthält, in die entgegengesetzte Richtung aus, also zu der Leiterplatte hin, und somit kann eine Temperaturkompensation stattfinden.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn der Befestigungszapfen einen abtrennbaren Abschnitt aufweist. Der abtrennbare Abschnitt kann, von dem optischen Element aus gesehen, nach dem Kragen angeordnet sein. Der abtrennbare Abschnitt kann beispielsweise dazu benutzt werden, den Befestigungszapfen durch die Befestigungsaussparung zu ziehen, wenn die Befestigungsaussparung ein Durchgangsloch ist und/oder zur Führung bei der Montage. Vorzugsweise weist der abtrennbare Abschnitt außerdem einen kleineren Durchmesser auf, als das Durchgangsloch, sodass dieser einfach durch das Durchgangsloch geführt werden kann. Nach dem Durchführen des abtrennbaren Abschnitts durch das Durchgangsloch kann beispielsweise eine Zange und/oder ein sonstiges Greifelement angesetzt werden und damit kann eine Kraft auf das optische Element aufgebracht werden. Durch die aufgebrachte Kraft wird der Kragen durch das Durchgangsloch gezogen und verformt sich zunächst elastisch, solange der Kragen sich in dem Durchgangsloch befindet. Durch den abtrennbaren Abschnitt können Werkzeuge leicht angesetzt werden und zudem leicht eine Kraft aufgebracht werden. Dies erleichtert den Montagevorgang.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das optische Element eine Tasche und/oder eine Aussparung und/oder eine Bohrung auf der Seite aufweisen, die von der Leiterplatte im montierten Zustand abgewandt ist und sich vorzugsweise in Montagerichtung des optischen Elements erstreckt. Durch diese Tasche, die insbesondere nicht durchgehend ist, kann bei der Montage ein Stift und/oder ein sonstiges Werkzeug eingeführt sein und damit kann eine Kraft auf das optische Element ausgeübt werden, die es ermöglicht, den Befestigungszapfen in oder durch die Befestigungsaussparung der Leiterplatte zu drücken. Somit ist die Montage sehr leicht durchzuführen. Zusätzlich kann/können die Tasche/n koaxial zu dem/den Befestigungszapfen angeordnet sein. Dies ist vorteilhaft, da somit keine Querkräfte bei der Montage auf den Befestigungszapfen wirken.
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Des Weiteren kann zwischen dem optischen Element und der Leiterplatte ein Abstandshalter (Spacer) angeordnet sein. Dieser kann je nach Anwendungsanforderung eingesetzt werden. Der Abstandshalter weist dabei zumindest eine Aussparung auf, durch die beispielsweise ein Lichtleiter (Taper), der ein Teil des optischen Elements ist, eingeführt und/oder durchgeführt sein kann. Bevorzugt sind die Aussparungen an der oder den gleichen Position/en, wie die Position/en auf der eine oder die Lichtquelle/n auf der Leiterplatte angeordnet ist/sind. Dadurch kann gewährleistet werden, dass das Licht der Lichtquelle optimal geleitet ist.
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Des Weiteren kann das erste optische Element zumindest einen Stützschenkel aufweisen, der sich von dem Flanschabschnitt in Richtung der Leiterplatte erstreckt und der insbesondere zwischen dem Schenkel, an den der Befestigungszapfen anschließt, und dem Optikabschnitt angeordnet ist. Über den Stützschenkel kann das optische Element an dem Abstandshalter und/oder an der Leiterplatte anliegen. Somit ist hier ein ebenfalls eine Temperaturkompensation möglich. Der Stützschenkel kann vorzugsweise kürzer als der Schenkel ausgebildet sein. Durch diese Ausgestaltung des optischen Elements mit zumindest einem Stützschenkel kann Material, gegenüber einem aus Vollmaterial ausgebildeten optischen Element eingespart werden und somit können Kosten und auch Gewicht eingespart sein.
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Der Abstandshalter weist zudem zumindest eine Durchgangsbohrung auf, durch den der Befestigungszapfen durchführbar ist. Durch die Befestigung und/oder die Positionierung des Abstandshalters durch den Befestigungszapfen kann ein weiteres Befestigungsmittel, wie beispielsweise eine Schraube, eingespart sein und die Montage von Leiterplatte, Abstandshalter und optischen Element kann sehr schnell durchgeführt werden.
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In einem Ausführungsbeispiel kann ein zweites optisches Element in einem Abstand zu dem optischen Element angeordnet sein, so dass das zweite optische Element innerhalb eines Fokusbereichs des optischen Elements ist. Dabei kann das erste optische Element eine Primäroptik bilden und das zweite optische Element bildet eine Sekundäroptik. Dies erhöht eine optische Freiheit hinsichtlich Form des Gesamtlichtbildes. Des Weiteren ermöglicht dies eine bessere Kontrolle des Intensitätsverlaufes des Lichtbildes.
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Es kann außerdem vorteilhaft sein, dass die optische Vorrichtung zumindest zwei Befestigungszapfen, und somit die Leiterplatte zumindest zwei Befestigungsaussparungen, aufweist. Falls die optische Vorrichtung ein Abstandshalter aufweist, so kann dieser die gleiche Anzahl an Durchgangsöffnungen aufweisen. Durch die zumindest zwei Befestigungszapfen, die die Leiterplatte über zumindest zwei Befestigungsaussparungen hintergreifen, können die Leiterplatte und das optische Element so positioniert und befestigt zueinander sein, so dass kein Bewegungsfreiheitsgrad existiert. Das heißt, eine Bewegung relativ zwischen dem optischen Element und der Leiterplatte kann somit verhindert werden. Auch drei, vier oder mehr Paare aus Befestigungszapfen und Befestigungsaussparung sind möglich.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel haben die Nut des Befestigungszapfens, das heißt der Bereich in dem die Leiterplatte im montierten Zustand angeordnet ist, und die Befestigungsaussparung der Leiterplatte und/oder das Durchgangsloch des Abstandshalters eine Übermaßpassung. Das heißt der Durchmesser des Bereiches des Befestigungszapfens in dem, im montierten Zustand, die Leiterplatte angeordnet ist, ist kleiner und/oder mit Spiel zu der Befestigungsaussparung ausgebildet. Dies ist vorteilhaft, da somit die Toleranz bei der Fertigung des/der Befestigungszapfen und der Befestigungsaussparung/en größer sein kann, da durch die Übermaßpassung die Position des/der Befestigungszapfen nicht vollständig mit der Position der Befestigungsaussparung/en übereinstimmen müssen, da durch die Übermaßpassung leichte Versetzungen möglich sind. Mit anderen Worten können der/die Befestigungszapfen nur im Wesentlichen oder fast koaxial mit den Befestigungsaussparungen sein. Mit anderen Worten kann die Toleranz der Position der Befestigungszapfen zu der Befestigungsaussparung größer sein und somit können Kosten bei der Bearbeitung und/oder der Fertigung eingespart werden.
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Die Lichtquelle kann beispielsweise ausgebildet sein: als eine Glühlampe; als eine Halogenlampe; als eine Entladungslampe; als eine Licht emittierende Diode (LED); als ein Laser; als eine LED oder ein Laser oder eine andere Lichtquelle, die jeweils nach dem Laser Activated Remote Phospor (LARP)-Prinzip arbeitendes System sind; als ein nach einem Digital Light Processing (DLP)-Prinzip arbeitender Projektor; als eine IR-Strahlungsquelle; oder als eine andere elektromagnetische Strahlung in und/oder teilweise in und/oder nahe bei und/oder teilweise nah bei dem sichtbaren Bereich abgegebene wiedergebende und/oder erzeugende Vorrichtung.
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Des Weiteren kann die Leiterplatte eine Vielzahl von Lichtquellen aufweisen, die einzeln ansteuerbar sind, wobei die Leiterplatte 32x32 direkt ansteuerbare Pixel besitzen kann und quadratisch ausgeführt sein kann. Ein solcher Chip ist beispielsweise ein Multi-LED-Chip (Mikro adaptives Frontbeleuchtungssystem-Chip (p-AFS-Chip)). Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Lichtquellen sehr kompakt angeordnet sind. Somit kann die optische Vorrichtung auf einem kleinen Bauraum ausgeführt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Abstand zwischen den Lichtquellen weniger als 130 µm aufweist. Somit kann die Gesamtfläche eines Chips, der 1024 Lichtquellen aufweist, circa 4 mm2 betragen. Alternativ oder zusätzlich können als Lichtquellen auch sogenannte Mini-LEDs mit beispielsweise quadratischen Seitenkanten im Bereich von ca. 100 µm bis 200 µm verwendet werden und/oder sogenannte mikro (µ) - LEDs, deren Seitenkanten im Bereich unterhalb von ca. 70 µm ausgebildet sind, was bei einer Kantenlänge von 70 µm einem lichtemittierenden Flächeninhalt von 4900 µm2 entspricht, beispielsweise mit Seitenlängen von 5 bis 50 µm und einem gegenseitigen Abstand von wenigen µm. Somit können mit einer matrix-förmigen Anordnung von µLEDs sehr hohe Pixeldichten erzeugt werden. Die Formgebung der Licht-emittierenden Fläche der Mini- und µLEDs kann auch rund oder polygonal ausgeführt sein, ebenso die der Maskenstruktur. Die Mini- und/oder µLEDs können farbiges Licht emittieren oder, wenn eine Weißlichtkonversion mittels eines Leuchtstoffs verwendet wird, auch weißes Licht mit einer hohen Helligkeit von bis zu einer Million Candela (cd).
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Der Optikabschnitt des optischen Elements, der die Einkoppelfläche und die Auskoppelfläche aufweist, kann beispielsweise als eine Linse und/oder ein Reflektor und/oder eine Blende, ein Lichtleiter und/oder ein holografisches Element und/oder ein Liquid Crystal Display (LCD) und/oder ein Digital Mirror Device (DMD) und/oder ein Konverter mit einem Leuchtstoff ausgebildet sein.
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Bei einem Verfahren zur Herstellung der optischen Vorrichtung wird zuerst der Befestigungszapfen lose in die Befestigungsaussparung eingeführt. Danach wird eine Kraft auf den Befestigungszapfen ausgeübt, so dass diese in Richtung der Befestigungsaussparung gedrückt ist. Weist der Befestigungszapfen einen abtrennbaren Abschnitt auf, so kann die Kraft durch Ziehen an dem abtrennbaren Abschnitt aufgebracht werden. Weist der Befestigungszapfen eine Aussparung auf, so kann die Kraft durch Drücken des Befestigungszapfens mit beispielsweise einem Stab und/oder einem sonstigen Mittel, aufgebracht werden. Durch das Aufbringen der Kraft wird der elastische Kragen verformt und die Leiterplatte wird in einem Abschnitt, benachbart zu dem Kragen, auf dem Befestigungszapfen positioniert. Weist der Befestigungszapfen den abtrennbaren Abschnitt auf, so kann dieser nach der Montage abgetrennt werden. Die Montage der optischen Vorrichtung ist durch dieses Verfahren einfach und kostengünstig, so wie effizient durchführbar. Des Weiteren bietet das Verfahren eine große Prozeßsicherheit, das heißt das Verfahren kann leicht automatisiert werden. Des Weiteren kann die Montage der optischen Vorrichtung durch die Kombination von Befestigungszapfen und Befestigungsaussparung sehr schnell durchgeführt werden. Somit kann die optische Vorrichtung schnell in hoher Stückzahl produziert werden.
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Des Weiteren kann ein Fahrzeug mit einer solchen optischen Vorrichtung ausgebildet sein, wobei die optische Vorrichtung beispielsweise als Scheinwerfer eingesetzt werden kann. Das Fahrzeug kann dabei ein Luftfahrzeug oder ein wassergebundenes Fahrzeug oder langgebundenes Fahrzeug sein. Das landgebundene Fahrzeug kann ein Kraftfahrzeug oder ein Schienenfahrzeug oder ein Fahrrad sein. Besonders bevorzugt ist das Fahrzeug ein Lastkraftwagen oder ein Personenkraftwagen oder ein Kraftrad. Das Fahrzeug kann des Weiteren als nicht autonomes oder teilautonomes oder autonomes Fahrzeug ausgestattet sein.
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Der Scheinwerfer kann beispielsweise als Frontscheinwerfer ausgebildet sein, wobei die optische Vorrichtung beispielsweise als Adaptive Driving Beam (ADA) oder auch adaptives Fernlicht genutzt werden kann. Ist die Leiterplatte mit einer Vielzahl von LED bestückt, insbesondere 32x32 LED, so kann die optische Vorrichtung auch als Matrix-Scheinwerfer eingesetzt werden.
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Die Erfindung offenbart eine optische Vorrichtung, die zumindest ein optisches Element und zumindest eine Leiterplatte aufweist, wobei auf der Leiterplatte eine Lichtquelle angeordnet ist, deren Licht in das optische Element einkoppelbar ist. Die Leiterplatte weist zudem eine Befestigungsaussparung auf und das optische Element und/oder ein Gehäuse des optischen Elements weist zumindest einen Befestigungszapfen auf. Der Befestigungszapfen hintergreift die Leiterplatte und positioniert und/oder fixiert das optische Element und die Leiterplatte auf diese Weise zueinander.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
- 1 in einer perspektivischen Ansicht eine Leiterplatte, ein Abstandshalter und ein optisches Element einer optischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- 2 in einer Schnittansicht das optische Element gemäß dem Ausführungsbeispiel von 1,
- 3 eine perspektivische Ansicht der optischen Vorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
- 4 eine perspektivische Ansicht eines optischen Elements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, und
- 5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung der optischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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In 1 ist ein optisches Element 1 dargestellt, das einstückig ausgebildet ist und aus Kunststoff, insbesondere aus einem spritzgussfähigen und/oder elastischen Kunststoff, beispielsweise Silikon, ausgebildet ist. Das optische Element 1 weist außerdem eine Auskoppelfläche 2 auf, aus der Licht aus dem optischen Element 1 ausgekoppelt wird.
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Des Weiteren hat das optische Element 1 sechs Befestigungszapfen 4, wobei in dieser Ansicht nur vier Befestigungszapfen 4 dargestellt sind. Vier Befestigungszapfen 4 sind in einer jeweiligen Ecke des rechteckig ausgestalteten optischen Elements 1 angeordnet. Des Weiteren weist das optische Element 1 umlaufend zwei Längsflächen und zwei kürzere Querflächen auf, wobei sich auf Seiten der Längsflächen ein jeweiliger weiterer Befestigungszapfen 4 zwischen den Befestigungszapfen 4 angeordnet, die an den Ecken des optischen Elements 1 angeordnet sind.
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Die Befestigungszapfen 4 weisen einen jeweiligen Kragen 6 auf, der insbesondere elastisch verformbar ist. Des Weiteren hat der jeweilige Befestigungszapfen 4 einen runden Querschnitt und ragt in Richtung der optischen Hauptachse von der Seite, die von der Auskoppelfläche 2 des optischen Elements 1 weg weist, von der Auskoppelfläche 2 weg. Senkrecht zur Auskragungsrichtung des Befestigungszapfens 4, ragen die Befestigungszapfen 4 etwas aus dem optischen Element 1 heraus, sodass das optische Element stellenweise verbreitert ist. Der Befestigungszapfen 4 hat außerdem eine Nut 8 die sich in Umfangsrichtung um den Befestigungszapfen 4 erstreckt und die zwischen dem optischen Element 1 und dem Kragen 6 angeordnet ist, das heißt der Kragen 6 und das optische Element 1 begrenzen die Nut 8. Des Weiteren ist an einem jeweiligen Befestigungszapfen 4 ein abtrennbarer Abschnitt 10 angeordnet. Diese schließen sich, in Richtung weg von dem optischen Element 1, an den Kragen 6 an und weisen einen gleichmäßigen Durchmesser auf.
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Des Weiteren ist ein Abstandshalter 12 dargestellt, der zwischen dem optischen Element 1 und einer Leiterplatte 14 im montierten Zustand angeordnet ist. Der Abstandshalter 12 weist verschiedene Aussparungen 16 auf, von denen der Einfachheit halber nur eine mit eine mit einem Bezugszeichen versehen ist. Die Aussparungen 16 sind in einer Reihe angeordnet und entsprechen in ihrer Anordnung denen von Lichtquellen 18, von denen ebenfalls der Einfachheit halber nur eine mit einem Bezugszeichen versehen ist, die auf der Leiterplatte 14 angeordnet sind. Mit anderen Worten können im montierten Zustand die Lichtquellen 18 unterhalb der Aussparungen 16 angeordnet sein, wobei eine jeweilige Lichtquelle durch eine entsprechend zugeordnete Aussparung Strahlung emittieren kann. Des Weiteren weist der Abstandshalter 12 weitere Durchgangsöffnungen 20 auf, von denen der Einfachheit halber nur eine mit eine mit einem Bezugszeichen versehen ist, durch die die Befestigungszapfen 4 durchgeführt werden können. Der Abstandshalter 12 hat des Weiteren eine Topfform, wobei er die Lichtquellen 18 umfasst die im Inneren des Abstandshalters 12 angeordnet sind.
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Auf der Leiterplatte 14, auf der die Lichtquellen 18 in einer Reihe ausgebildet sind, sind Befestigungsaussparung 22 angeordnet, die in ihrer Position der Position der Befestigungszapfen 4 des optischen Elements 1 entsprechen. Des Weiteren sind auf der Leiterplatte 14 Leiterbahnen 24 angeordnet, von denen der Einfachheit halber nur eine mit eine mit einem Bezugszeichen versehen ist, wobei die Leiterbahnen 24 die Lichtquellen 18 mit Strom versorgen, der beispielsweise durch einen Stecker 26 zugeführt werden kann. Die Lichtquellen 18 sind über die Leiterbahnen 24 und den Stecker 26 auch ansteuerbar. Die Lichtquellen 18 können beispielsweise einzeln ein- und ausgeschaltet werden und/oder dimmbar sein. Des Weiteren sind weitere Befestigungsöffnung 28 auf der Leiterplatte 14 vorgesehen mit denen die Leiterplatte 14 beispielsweise in einem Frontscheinwerfer eines Fahrzeugs, das hier nicht dargestellt ist, befestigbar ist.
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Bei der Montage des optischen Elements 1 mit dem Abstandshalter 12 und der Leiterplatte 14 werden die Befestigungszapfen 4 in die Durchgangsöffnungen 20 des Abstandshalters 12 eingeführt und danach in die Befestigungsaussparung 22 der Leiterplatte 14. Der jeweilige Kragen 6, der einen größeren Durchmesser aufweist, als die zugeordnete Durchgangsöffnung 20 und die zugeordnete Befestigungsaussparung 22, ist bei der Montage elastisch verformbar, so dass der Kragen 6 durch die Befestigungsaussparung 22 und die Durchgangsöffnung 20 durchgeführt werden kann. Dazu kann beispielsweise eine Zange und/oder ein anderes Werkzeug an die abtrennbaren Abschnitte 10 des Befestigungszapfens 4 angesetzt werden, nachdem der Befestigungszapfen teilweise durch die Befestigungsaussparung 22 und die Durchgangsöffnung 20 durchgeführt sind. Dann wird eine Kraft, die parallel zur optischen Hauptachse und in Richtung des Einführens des Befestigungszapfens wirkt, auf das optische Element ausgeübt und der Kragen 6 wird durch die Befestigungsaussparung 22 gezogen. Ist der Kragen 6 durch die Befestigungsaussparung 22 und die Durchgangsöffnung 20 hindurch, so sind die Leiterplatte 14 und der Abstandshalter 12 zwischen dem Kragen 6 und dem optischen Element 1 angeordnet und der Kragen 6 hat seine Ausgangsform wieder angenommen. Der Kragen 6 hintergreift dann die Leiterplatte 14.
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In 2 ist das optische Element 1 in einer Schnittansicht dargestellt, wobei die Schnittebene A-A in 1 aufgezeigt ist. Das optische Element 1 hat einen Optikabschnitt 29, der Einkoppelflächen 30 und die Auskoppelfläche 2 aufweist. Für eine jeweilige Lichtquelle 18, s. 1, ist eine jeweilige Einkoppelfläche 30 vorgesehen. An den Optikabschnitt 29 schließt sich beidseitig oder umfänglich ein Flanschabschnitt 32 an, wobei sich dieser senkrecht zu einer optischen Hauptachse 33 von dem Optikabschnitt 29 weg erstreckt. An diesen schließen sich dann beidseitig oder umfänglich Schenkel 34 an, die sich von dem Flanschabschnitt 32 in Richtung der optischen Hauptachse 33 und in Richtung der Leiterplatte 14, die hier nicht dargestellt ist, zu den Befestigungszapfen 4 erstreckt. An die Schenkel 34 schließen sich die Befestigungszapfen 4 an.
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Bei einer Ausdehnung des optischen Elements 1 durch eine Temperaturerhöhung dehnen sich die Schenkel 34, die an die Befestigungszapfen 4 anschließen, in Richtung der Pfeile WA1 aus, das heißt weg von der Leiterplatte 14. Ein Teil des Optikabschnitts 29, der die Einkoppelfläche 30 enthält, dehnt sich dagegen in die entgegengesetzte Richtung aus, als in Richtung des Pfeiles WA2 aus, der entgegengesetzt der Wärmeausdehnung WA1 der Schenkel 34 ist. Somit ist die Einkoppelfläche 30 in montiertem Zustand immer in demselben Abstand zu der Lichtquelle 18, s. 1, und es findet eine Temperaturkompensation statt. Der Flanschabschnitt 32 dehnt sich in Richtung der Pfeile WA3 aus.
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Des Weiteren weist das optische Element 1 Stützschenkel 37 auf, die sich von dem Flanschabschnitt 32 in die gleiche Richtung wie die Schenkel 34 und die Befestigungszapfen 4 erstrecken, wobei die Stützschenkel 37 zwischen den Schenkeln 34 und dem Optikabschnitt 29 angeordnet sind. Mit diesen Schenkeln 37 kann sich das optische Element 1 auf dem Abstandshalter 12, s. 1, abstützen. Des Weiteren hat das optische Element 1 benachbart zu den Einkoppelflächen 30 Stützflächen, über die es sich an dem Abstandshalter abstützt.
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Die Bauteile, die in 1 gezeigt sind, bilden im montierten Zustand eine optische Vorrichtung 38, die in 3 dargestellt ist. In 3 wurden die Befestigungszapfen 4 durch die Durchgangsöffnung 20 und die Befestigungsaussparungen 22, die hier nicht dargestellt sind, geführt und die Leiterplatte 14 ist sandwichartig zwischen den Kragen 6 der Befestigungszapfen 4 und dem optischen Element 1 angeordnet. Im montierten Zustand können die abtrennbaren Abschnitte 10, siehe 1, entfernt werden.
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Des Weiteren weist die optische Vorrichtung 38 ein weiteres, zweites optisches Element 39 auf, das sich in einem Fokusbereich des optischen Elements 1 befindet. Die optische Vorrichtung 38 ist außerdem in einem Fahrzeug 40 angeordnet, wobei diese beispielsweise als Frontscheinwerfer eingesetzt ist.
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In 4 ist ein optisches Element 41 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt. Das optische Element 41 unterscheidet sich von dem optischen Element 1, siehe 1, in den Befestigungszapfen 42. Die Befestigungszapfen 42 sind wie auch das optische Element 41 vorzugsweise aus Silikon hergestellt. Diese haben des Weiteren einen Kragen 44, der eine ringförmige und/oder bundförmige und/oder ellipsoide Grundform aufweist. Der Befestigungszapfen 42 hat ebenfalls eine Nut 46, in der in montierten Zustand die Leiterplatte 14 und/oder der Abstandshalter 12 angeordnet sind.
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Um Kraft bei der Montage aufzuwenden, damit die Kragen 44 durch die Befestigungsaussparung 22 und/oder die Durchgangsöffnung 20 durch eine Verformung des Kragens 44 hindurch passen, weisen die Befestigungszapfen 42 Taschen 48 auf. Bei der Montage können in die Taschen 48 Montagewerkzeuge, wie beispielsweise eine Stange oder ähnliches eingeführt werden, und durch die Montagewerkzeuge kann das optische Element 41 mit einer Kraft beaufschlagt werden, so dass sich die Kragen 44 verformen und durch die Befestigungsaussparung 22 und/oder die Durchgangsöffnung 20 gedrückt werden können. Nach der Montage können die Montagewerkzeuge aus den Aussparungen 48 einfach herausgezogen werden.
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In 5 ist ein Ablaufdiagramm geben, dass die Herstellung der optischen Vorrichtung 38, s. 3, beschreibt, wobei zuerst ein erster Schritt 50, der optional ist, ausgeführt wird. Der Schritt 50 beinhaltet das Einführen der Befestigungszapfen 4, s. 1, oder der Befestigungszapfen 42, s. 4, in die zugeordneten Durchgangslöcher 20 des Abstandshalters 12, falls die optische Vorrichtung 38 einen Abstandshalter 12 enthält. Danach werden, in Schritt 52, die Befestigungszapfen 4 oder 42 in die Befestigungsaussparung 22, s. 1, der Leiterplatte 14 eingeführt. Im daran anschließenden Schritt 54 wird eine Kraft auf das optische Element 1, 41 ausgeübt, sodass die Befestigungszapfen 4, 42 durch die Befestigungsaussparungen 22 hindurchgehen, und sodass sich der Kragen 6, 44 elastisch bei der Montage verformt und anschließend die Leiterplatte 14 hintergreift. Weist die optische Vorrichtung 1, 41 Befestigungszapfen 4 mit jeweiligen abtrennbaren Abschnitten 10 auf, so kann die Kraft durch ziehen an den abtrennbaren Abschnitten 10 mit Hilfe eines Werkzeugs aufgebracht werden. Weist die optische Vorrichtung 1, 41 Taschen 48 auf, so kann die Kraft durch Drücken eines in die Taschen 48 eingebrachten Werkzeugs aufgebracht werden. Im nachfolgenden optionalen Schritt 56 werden die abtrennbaren Abschnitte 10 abgetrennt, falls das optische Element 1, 41 diese aufweist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Optisches Element
- 2
- Auskoppelfläche
- 4
- Befestigungszapfen
- 6
- Kragen
- 8
- Nut
- 10
- Abtrennbarer Abschnitt
- 12
- Abstandshalter
- 14
- Leiterplatte
- 16
- Aussparung
- 18
- Lichtquelle
- 20
- Durchgangsöffnung
- 22
- Befestigungsaussparung
- 24
- Leiterbahn
- 26
- Stecker
- 28
- Aussparung
- 29
- Optikabschnitt
- 30
- Einkoppelfläche
- 32
- Flanschabschnitt
- 33
- optische Hauptachse
- 34
- Schenkel
- 37
- Stützschenkel
- 38
- Optische Vorrichtung
- 39
- zweites optisches Element
- 40
- Fahrzeug
- 41
- Optisches Element
- 42
- Befestigungszapfen
- 44
- Kragen
- 46
- Nut
- 48
- Taschen
- 50, 52, 54, 56
- Schritt
