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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lichtmodul nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Lichtmodul weist Mittel zum Erzeugen von Urbildpixeln auf, die zur Emission von weißem Licht eingerichtet sind, das Licht mit ersten Wellenlängen, zweiten Wellenlängen und dritten Wellenlängen enthält, wobei die ersten Wellenlängen kürzer als die zweiten Wellenlängen sind und die zweiten Wellenlängen kürzer als die dritten Wellenlängen sind. Das Lichtmodul weist weiter eine Optikvorrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, eine Lichtverteilung zu erzeugen, die sich aus Bildpixeln zusammensetzt, die von der Optikvorrichtung als Bilder der Urbildpixel erzeugt werden. Die Optikvorrichtung weist wenigstens ein refraktives Element und ein diffraktives Element auf.
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Kraftfahrzeugscheinwerfer sind heute häufig als sogenannte Matrixscheinwerfer verwirklicht, bei denen eine Vielzahl von LED-Lichtquellen matrixartig in Zeilen und Spalten angeordnet sind. Durch individuelle Ansteuerung der LED-Lichtquellen werden innere Lichtverteilungen erzeugt, die zum Beispiel variabel angeordnete Hell-Dunkel-Grenzen aufweisen und die von der Optikvorrichtung bei bestimmungsgemäßer Verwendung auf die Fahrbahn projiziert werden. Die LED-Lichtquellen stellen ein Beispiel von Mitteln zum Erzeugen von Urbildpixeln dar.
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Mit solchen Matrix-Scheinwerfern können dynamische Lichtverteilungen erzeugt werden. Beispielsweise kann die Lichtverteilung so modifiziert werden, dass entgegenkommende Fahrzeuge nicht geblendet werden. Diese Technik trägt dazu bei, das Fahren bei Nacht sicherer zu machen.
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Durch die Verwendung von Linsen, also von refraktiven Elementen, kommt es an den Hell-Dunkel-Grenzen zu chromatischen Aberrationen, die sich in Form von Farbsäumen zeigen, die sich zwischen hell weißen und dunklen Bereichen der Lichtverteilung erstrecken.
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Eine wichtige Baugruppe in einem solchen Lichtmodul ist die Optikvorrichtung, welche die von der Lichtaustrittsfläche der LED-Matrix und damit von Urbildpixeln gebildete innere Lichtverteilung als aus deren Bildern zusammengesetzte äußere Lichtverteilung auf die Fahrbahn abbildet. Aus Kostengründen wird versucht, die Anzahl der Linsen einer solchen Optikvorrichtung auf zwei zu begrenzen. Dadurch wird es jedoch schwierig, die störenden chromatischen Aberrationen gering zu halten.
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Die Verwendung von diffraktiven Elementen in Projektionsobjektiven ist z.B. aus der
US 5 623 365 A bekannt. Hier wird als Linse ein diffraktives Element eingesetzt, dessen frequenzabhängige Brennweite die Frequenzabhängigkeit der übrigen Glaslinsen kompensiert. Der Einsatz als Linse ist schwierig, da nicht alles Licht in eine Beugungsordnung fällt. Das dann resultierende Streulicht verringert die Auflösung des Systems.
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In der
DE 10 2010 051 597 B4 der Anmelderin wird der Einsatz eines diffraktiven Elements im Scheinwerfer dargestellt. Als diffraktives Element dient dort eine Fläche einer Linse. Die Fläche weist eine Mikrostruktur mit einer von zwei Wellenlängen abhängigen Strukturtiefe auf. Die Strukturtiefe der beugenden Mikrostruktur wird so gewählt, dass das diffraktive Element besonders effektiv für die zwei Maxima im Wellenlängenspektrum der LED (z.B. 455 und 560nm) arbeitet. Dabei wird unter einer effektiven Beugung eine Beugung verstanden, bei der ein großer Teil des einfallenden Lichtes gebeugt wird. Dass das diffraktive Element besonders effektiv für die zwei Maxima im Wellenlängenspektrum der LED (z.B. 455 und 560nm) arbeitet, bedeutet also, dass mehr Licht dieser Wellenlängen richtungsändernd gebeugt wird als Licht anderer Wellenlängen. Dadurch wird erreicht, dass die zwei wichtigsten Wellenlängenbereiche korrigiert werden. Um dies zu erreichen sind Ätztiefen erforderliche, die etwa 10-mal größer sind als bei herkömmlichen diffraktiven Elementen. Dies macht ihre Herstellung schwierig.
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Die
DE 10 2012 107 427 A1 zeigt Projektionslinsen für Scheinwerfer, auf die Streustrukturen aufgebracht sind, um Farbeffekte zu verwischen. Da die Streustrukturen wellenlängenunabhängig streuen wird bei dieser Methode die Auflösung signifikant verschlechtert, was der insbesondere mit Matrix-Scheinwerfern angestrebten hohen Auflösung entgegensteht.
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Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Lichtmodul anzugeben, bei dem Farbfehler von Projektionsobjektiven, bzw. von Optikvorrichtung der oben beschriebenen Art, auf einfache Weise verringert werden können.
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Diese Aufgabe wird mit der Summe der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Erfindung unterscheidet sich von dem Stand der Technik nach der
DE 10 2010 051 597 B4 dadurch, dass das diffraktive Element dazu eingerichtet ist, durch die Optikvorrichtung zwischen jeweils einem Urbildpixel und einem Bildpixel verlaufende Strahlengänge des Lichtes der zweiten Wellenlängen im Mittel stärker aufzuweiten als die Strahlengänge von Licht der ersten Wellenlängen und der dritten Wellenlängen. Die Aufweitung erfolgt nicht für alle Strahlen, nur im Durchschnitt, d.h. im Mittel, ist die Aufweitung bei der zweiten Wellenlänge am größten.
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Durch diese Merkmale wird die Abbildungsqualität der Optikvorrichtung über alle drei Wellenlängenbereiche hinweg homogenisiert. Die drei Wellenlängenbereiche entsprechen zusammen bevorzugt dem Spektralbereich des sichtbaren Lichtes. Als Maß für die Abbildungsqualität kann dabei der Radius eines Bildfleckens dienen, das sich als Bild eines Urbildpunktes ergibt. Je kleiner der Radius ist, desto besser ist die Abbildungsqualität.
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Der Bereich der mittleren Wellenlängen ist der Spektralbereich mit der höchsten Abbildungsqualität. In diesem Spektralbereich wird die Abbildungsqualität durch das diffraktive Element geringfügig verschlechtert, indem der Strahlengang, der jeweils ein Urbild in ein Bild überführt, in genau diesem Wellenlängenbereich aufgeweitet wird. Im übrigen Spektralbereich hat das diffraktive Element einen vernachlässigbaren Einfluss. Durch diese Homogenisierung können Farbränder an Kanten, im Gegensatz zu den üblichen Mikrostrukturen, ohne signifikante Verringerung der Auflösung reduziert werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung werden die chromatischen Aberrationen mit einem speziellen binären diffraktiven Element verringert.
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Die Erfindung stellt eine Optikvorrichtung mit Farbkorrektur bereit. Die Optikvorrichtung ist in der Lage, die Einzellichtquellen einer Mikro-LED-Matrix oder andere Urbildpixel mit einer Qualität abzubilden, die für Teilfernlichtverteilungen für Kraftfahrzeugscheinwerfer ausreichend ist.
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Die Optikvorrichtung benötigt im Vergleich zu herkömmlichen Optikvorrichtungen nur ein zusätzliches Element, was für die Ziele eines niedrigen Bauraumbedarfs und niedriger Kosten günstig ist.
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Für konventionelle Farbkorrekturen wird dagegen in einem optischen System eine Zerstreuungslinse mit hoher Dispersion benötigt, was mit den vorliegenden Anforderungen nicht vereinbar ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Optikvorrichtung zum Beispiel für den grünen Spektralanteil es Lichts optimiert und zusätzlich zu Linsen ein diffraktives Element eingesetzt, mit dem die Abbildung des grünen Lichtanteils aufgeweitet wird, so dass die Farbsäume verschwinden.
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In einer Ausgestaltung wird die Beugungsstruktur als ebene Struktur (Planoptik) realisiert, die ein von den refraktiven Elementen separates Element ist. Alternativ ist es auch möglich, die diffraktiven Strukturen auf eine Planseite eines der refraktiven Elemente aufzubringen. Prinzipiell ebenfalls möglich aber herstellungstechnisch äußerst anspruchsvoll sind diffraktive Strukturen auf gekrümmten Flächen.
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Wird die diffraktive Struktur auf eine der Linsenflächen aufgebracht, sind keine zusätzlichen Elemente erforderlich.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Optikvorrichtung ein erstes refraktives Element und ein zweites refraktives Element aufweist.
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Bevorzugt ist auch, dass das erste refraktive Element eine erste Linse ist und das zweite refraktive Element eine zweite Linse ist.
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Weiter ist bevorzugt, dass die erste Linse zwischen dem Mittel zur Erzeugen von Urbildpixeln und der zweiten Linse angeordnet ist, und die zweite Linse zwischen der ersten Linse und einer Abdeckscheibe des Scheinwerfers angeordnet ist.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass das diffraktive Element unmittelbar lichtstromaufwärts von der zweiten Linse zwischen den beiden Linsen und angeordnet ist.
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Bevorzugt ist auch, dass das diffraktive Element ein von den refraktiven Elementen separates Element ist, das abgesehen von beugenden Strukturen eine ebene Gestalt aufweist.
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Weiter ist bevorzugt, dass das diffraktive Element auf eine der Oberflächen der beiden Linsen aufgebracht ist.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Oberfläche, auf der das diffraktive Element aufgebracht ist, abgesehen von beugenden Strukturen eine ebene Gestalt aufweist.
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Bevorzugt ist auch, dass die beugenden Strukturen in eine ansonsten ebene Oberfläche der beiden Linsen eingeprägt sind.
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Weiter ist bevorzugt, dass beugende Strukturen in eine ansonsten gekrümmte Oberfläche der beiden Linsen, eingeprägt sind.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Figuren. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren jeweils gleiche oder zumindest ihrer Funktion nach vergleichbare Elemente. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
- 1 einen Kraftfahrzeugscheinwerfer mit einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lichtmoduls;
- 2 Abhängigkeiten von Radien der Bildpixel von Abständen zugehöriger Urbildpixel;
- 3 eine Situation mit Korrektur durch ein diffraktives Element;
- 4 das der Erfindung zu Grunde liegende Prinzip des diffraktiven Elements;
- 5 eine Struktur eines Ausführungsbeispiels eines diffraktiven Elements;
- 6 insbesondere Beugungseffizienzen für die 0-te Beugungsordnung (keine Ablenkung) und die Summe der übrigen Beugungsordnungen (Aufweitung des Strahls) für ein Element aus Kunststoff (PMMA); und
- 7 schematisch mögliche Ausführungen des diffraktiven Elements.
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Im Einzelnen zeigt die 1 einen Kraftfahrzeugscheinwerfer 10 mit einem Gehäuse 12, dessen Lichtaustrittsöffnung von einer transparenten Abdeckscheibe 14 abgedeckt wird. Im Inneren des Gehäuses 12 ist ein Lichtmodul 16 angeordnet.
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Das Lichtmodul 16 weist Mittel 18 zum Erzeugen von Urbildpixeln auf. Diese Mittel 18 sind zur Emission von weißem Licht eingerichtet, das Licht mit ersten Wellenlängen, zweiten Wellenlängen und dritten Wellenlängen enthält. Die Mittel 18 zum Erzeugen von Urbildpixeln können zum Beispiel LED-Lichtquellen (Leuchtdioden oder Laserdioden) 20 sein. Das Licht derartiger LED-Lichtquellen weist in der Regel ein Intensitätsmaximum im blauen Spektralbereich und ein weiteres Intensitätsmaximum im gelb-roten Spektralbereich auf. Alternative Mittel zum Erzeugen von Urbildpixeln sind DLP Systeme (DLP: Digital Light Processing) und Laserscanner mit Projektionsoptiken. Die ersten Wellenlängen sind kürzer als die zweiten Wellenlängen, und die zweiten Wellenlängen sind kürzer als die dritten Wellenlängen. Die Mittel sind typischerweise zwischen 200 und 20000 einzeln ansteuerbare Urbildpixel 19, von denen jedes durch eine LED verwirklicht ist. Im Fall von DLP Systemen wird jeder Pixel von einem Mikrospiegel erzeugt. Im Fall von Laserscannern wird ein Bild durch zeilenweises und spaltenweises Schwenken eines Laserstrahls erzeugt. Ein heller Urbildpixel ist in diesem Fall eine beleuchtete Fläche, die sich durch einen pro Zeiteinheit zurückgelegten Weg des Laserstrahls ergibt.
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Eine Optikvorrichtung 22 ist dazu eingerichtet, eine Lichtverteilung zu erzeugen, die sich aus Bildpixeln 24 zusammensetzt, die von der Optikvorrichtung 22 als Bilder der Urbildpixel 19 erzeugt werden. Dazu weist die Optikvorrichtung 22 wenigstens ein refraktives Element und ein diffraktives Element 28 auf. Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 weist die Optikvorrichtung 22 ein erstes refraktives Element 26 und ein zweites refraktives Element 30 auf. Das diffraktive Element 28 ist dazu eingerichtet, durch die Optikvorrichtung 22 zwischen jeweils einem Urbildpixel 19 und einem Bildpixel 24 verlaufende Strahlengänge des Lichtes der zweiten Wellenlängen im Mittel stärker aufzuweiten als die Strahlengänge von Licht der ersten Wellenlängen und der dritten Wellenlängen.
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Die Aufweitung erfolgt nicht für alle Strahlen, nur im Durchschnitt, d.h. im Mittel, ist die Aufweitung bei der zweiten Wellenlänge am größten. Das führt dann zu größeren Bildpixeln, wie in 3 dargestellt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Optikvorrichtung 22 eine erste Linse 26.1 als erstes refraktives Element 26 und eine zweite Linse 30 als zweites refraktives Element 30.1 auf. Die erste Linse 26.1 ist zwischen den in Zeilen und Spalten angeordneten LED Lichtquellen 20 des Mittels 18 und der zweiten Linse 30.1 angeordnet, und die zweite Linse 30.1 ist zwischen der ersten Linse 26.1 und der Abdeckscheibe 14 angeordnet. Die beiden Linsen 26.1, 30.1 bestehen dabei zum Beispiel aus einem transparenten Kunststoff. Die Optikvorrichtung 22 bildet die einzelnen Urbildpixel 19 als Bildpixel 24 auf die Fahrbahn ab, wobei jeder Urbildpixel 19 einen Bildpixel 24 erzeugt. Die Bildpixel 24 fallen in den unterschiedlichen Wellenlängenbereichen unterschiedlich groß aus, was zu den unerwünschten Farbsäumen führt.
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Stellvertretend für die Größe der Bildpixel 24 wird im Folgenden ein Radius r eines Bildpixels 24 betrachtet. Ein solcher Radius r kann für einen quadratischen Bildpixel zum Beispiel der Radius eines einbeschriebenen Kreises sein. Wichtig ist in diesem Zusammenhang nur, dass die Radien r einen Vergleich der Pixelgrößen erlauben. Das ist zum Beispiel für eine Proportionalität zwischen Radius und Pixelgröße gegeben.
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Zur Verkleinerung von chromatischen Abbildungsfehlern befindet sich das diffraktive Element 28 unmittelbar lichtstromaufwärts von der zweiten Linse 30.1, also zwischen den beiden Linsen 26.1 und 26.2. In einer Ausgestaltung kann das diffraktive Element 28 auf eine der Oberflächen der beiden Linsen 26.1, 30.1 aufgebracht sein bzw. aufgeprägt werden.
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2 zeigt schematisch Abhängigkeiten von Radien r der Bildpixel 24 auf der Ordinate gegenüber auf der Abscisse aufgetragenen Abständen jeweils zugehöriger Urbildpixel 19 von einem mittleren Urbildpixel des Mittels 20 zum Erzeugen von Urbildpixeln 19, wobei hier senkrecht zu einer Hauptabstrahlrichtung jedes Urbildpixels liegende Abstände gemeint sind.
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Dabei zeigt 2 eine Situation ohne Korrektur durch ein diffraktives Element 28. Die durchgezogene Linie 34 bezieht sich auf die ersten Wellenlängen (z.B. blau), während sich die gestrichelte Linie auf die zweiten Wellenlängen (z.B. grün) und die strichpunktierte Linie 38 auf die dritten Wellenlängen, (zum Beispiel rot) bezieht.
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Die Radien r für die ersten Wellenlängen 34 (blau) und für die dritten Wellenlängen 38 (rot) sind deutlich größer als für die zweiten Wellenlängen 36. Dies führt zu farbigen Rändern an den Bildpixelkanten, wenn diese an einer Hell-Dunkel-Grenze liegen.
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3 zeigt eine Situation mit Korrektur durch ein diffraktives Element 28. Die durchgezogene Linie 34 bezieht sich auf die ersten Wellenlängen (z.B. blau), während sich die gestrichelte Linie 36 auf die zweiten Wellenlängen (z.B. grün) und die strichpunktierte Linie 38 auf die dritten Wellenlängen, (zum Beispiel rot) bezieht.
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Im Vergleich zu der in der 2 dargestellten Situation werden die Radien der Bildpixel durch die Integration des diffraktiven Elements 28 für die zweiten, mittleren Wellenlängen 36 (grün) vergrößert, während sie in den beiden anderen Wellenlängenbereichen nahezu gleich bleiben.
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4 veranschaulicht das der Erfindung zu Grunde liegende Prinzip des diffraktiven Elements 28: Lichtstrahlen im Spektralbereich der ersten, kürzeren Wellenlängen und im Spektralbereich der dritten, längeren Wellenlängen gehen nahezu ungestört durch das diffraktive Element 28 hindurch. Der Strahlengang der Lichtstrahlen der zweiten, mittleren Wellenlängen wird dagegen aufgeweitet. Die Aufweitung erfolgt durch Beugung dieses Lichtes in höhere Beugungsordnungen. Die maximale Aufweitung liegt typischerweise zwischen dem 1,5 und 3 -fachen des ursprünglichen Radius.
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5 zeigt eine Struktur eines Ausführungsbeispiels eines diffraktiven Elements 28. Das diffraktive Element 28 ist transparent und weist Vertiefungen 40 der Tiefe d und Periodenlänge p auf. Die Tiefe d ist dabei parallel zur Richtung 42 des Strahlenganges 32. Die Vertiefungen 40 sind bevorzugt in ein transparentes Kunststoffmaterial eingeprägt.
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6 zeigt Verläufe einer Beugungseffizienz über der Wellenlänge des von dem diffraktiven Element 28 gebeugten Lichtes. Unter einer Beugungseffizienz wird eine charakteristische Größe diffraktiver optischer Elemente, insbesondere optischer Gitter, verstanden. Sie ist definiert als das Verhältnis der Intensität, die von einem diffraktiven optischen Element 28 in einen bestimmten Raumwinkel gebeugt wird, zu der auf das Element 28 einfallenden Intensität.
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6 zeigt insbesondere die Beugungseffizienz für die 0-te Beugungsordnung (keine Ablenkung) und die Summe der übrigen Beugungsordnungen (Aufweitung des Strahls) für ein Element aus Kunststoff (PMMA) mit 1/p= 0,002 Linien/pm und Tiefe d=2,6pm. Die Tiefe d ist so gewählt, dass die Beugungseffizienz für die Wellenlänge 520 nm und die 1. bis 6. Beugungsordnung maximal ist. Die Periodenlänge p der Strukturen ist so gewählt, das die Beugung für die erste Ordnung typischerweise unter 0.5°, besser noch unter 0.1° liegt. Wird das diffraktive Element 28 als Beugungsstruktur auf die erste Linse 26.1 aufgebracht, ist der erforderliche Beugungswinkel im Allgemeinen größer und deshalb die Periodenlänge kleiner. Dies verringert die Kohärenzanforderungen an die Lichtquelle, bzw. das Mittel 20 zur Erzeugung der Urbildpixel.
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7 zeigt schematisch mögliche Ausführungen des diffraktiven Elements 28 in einer Blickrichtung, die mit einer optischen Achse des Strahlengangs 32 zusammenfällt. Die zentralen Strahlen der Strahlengänge des durch die diffraktiven Elemente 28 hindurchtretenden Lichtes liegen damit jeweils senkrecht auf der Zeichnungsebene. Die schraffierten Bereiche 44 stellen in einer Ausgestaltung jeweils Bereiche dar, die tiefer in das Material des diffraktiven optischen Elementes eingeprägt sind als die nicht schraffierten Bereiche 46.
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7a zeigt eine schachbrettartige Anordnung der Beugungsstrukturen 44, 46 mit rechtwinklig zueinander verlaufenden Kanten, die den Strahlengang 32 horizontal und vertikal aufgeweitet. Die rechtwinklig zueinander verlaufenden Kanten sind gleich lang. Daher erfolgt die Aufweitung in der horizontalen Richtung und in der vertikalen Richtung gleich weit.
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7b zeigt eine Anordnung von Beugungsstrukturen 44, 46 mit nur parallel in einer Richtung verlaufenden Kanten, die den Strahlengang 32 in einer ersten Richtung aufweitet (zum Beispiel vertikal).
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7c zeigt eine Anordnung von Beugungsstrukturen 44, 46 mit parallel in einer Richtung verlaufenden Kanten, die den Strahlengang 32 in einer zweiten Richtung aufweitet. Die zweite Richtung verläuft zum Beispiel rechtwinklig zur ersten Richtung. Dann erfolgt die Aufweitung zum Beispiel horizontal.
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7d zeigt eine schachbrettartige Anordnung der Beugungsstrukturen 44, 46 mit rechtwinklig zueinander verlaufenden Kanten, die den Strahlengang 32 horizontal und vertikal aufweitet. Die rechtwinklig zueinander verlaufenden Kanten sind abweichend vom Gegenstand der 7a nicht gleich lang. Das führt dazu, dass die Aufweitung in den beiden zueinander orthogonalen Richtungen (z.B. horizontal und vertikal) ungleich groß ist.
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7e zeigt eine Anordnung mit kreisringförmig verlaufenden Beugungsstrukturen 44, 46 zur Aufweitung in radialen Richtungen.
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Darüber hinaus sind auch holographische Elemente als diffraktive Elemente 28 möglich. Holographische Elemente haben den Vorteil, dass sie Licht nur in einen begrenzten Wellenlängenbereich ablenken. Dieser Bereich ist von der Dicke des Elements abhängig. Im übrigen Bereich haben sie keinen Einfluss auf das Licht. Ihre Herstellung ist aber eher kompliziert.
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In der vorstehenden Beschreibung wird davon ausgegangen, dass die Pixel für die zweiten Wellenlängen aufgeweitet werden sollen. Je nach Design kann es aber auch vorteilhaft sein die Pixel in einem anderen Wellenlängenbereich aufzuweiten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5623365 A [0006]
- DE 102010051597 B4 [0007, 0010]
- DE 102012107427 A1 [0008]
