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Stand der Technik
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Aus der
DE 100 11 800 A1 ist bereits eine Lichtleitereinrichtung bekannt, bei der Licht von einer Lichtquelle in einen Einkoppelbereich eines flächigen Lichtleiters insbesondere für eine Autoradiovorrichtung eingekoppelt wird, so dass Licht der Lichtquelle in Totalreflektion in dem Lichtleiter geleitet wird und an einer Lichtauskoppelstelle aus dem Lichtleiter zur Beleuchtung eines Schalters bzw. einer Anzeige wieder ausgekoppelt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Lichtleitereinrichtung hat demgegenüber den Vorteil, dass wenigstens zwei Lichtleiter vorhanden sind, in die das Licht von zwei verschiedenen Lichtquellen eingekoppelt werden kann, wobei die Lichtleiter insbesondere in einem Bereich der Auskoppelbereiche derart parallel zueinander angeordnet sind, dass das aus dem ersten Lichtleiter ausgekoppelte Licht einer ersten Lichtquelle in Richtung des zweiten Lichtleiters ausgekoppelt wird, den zweiten Lichtleiter durchquert und sich hierbei mit dem Licht einer zweiten Lichtquelle vermischt. Hierdurch wird es ermöglicht, dass das Licht der ersten Lichtquelle und das Licht der zweiten Lichtquelle auf einfache Weise vermischt und seiner Bestimmung, z. B. einer Projektion oder einer Hinterleuchtung zugeführt werden kann. Dabei können die beiden Lichtquellen beabstandet zueinander angebracht werden. Eine Beeinträchtigung des bereitgestellten Lichts erfolgt nicht, da das Licht in dem jeweiligen Lichtleiter verlustfrei unter Totalreflektion von einem Einkoppelbereich zu einer Auskoppelfläche transportiert wird. Hierbei kann zudem ausgenutzt werden, dass die Abstände zwischen dem Einkoppel- und dem Auskoppelbereich für die beiden Lichtleiter auch unterschiedlich groß sein können, so dass eine für die Konstruktion der Einrichtung vorteilhafte Anordnung der jeweiligen Lichtquellen gewählt werden kann.
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Indem das aus dem ersten Lichtleiter ausgekoppelte Licht vorzugsweise senkrecht den zweiten Lichtleiter durchquert, kann eine störungsfreie und zugleich effiziente Vermischung des Lichts der unterschiedlichen Lichtquellen erfolgen. Durch eine erfindungsgemäße Mischung von Licht mittels der Lichtleitereinrichtung kann eine Konstruktion einer solchen Einrichtung zur Lichtmischung gegenüber anderen Aufbauten, wie bspw. einem Aufbau mit dichroitischen Spiegeln, koppelnden Wellenleitern oder verschmolzenen Fasern vereinfacht werden.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den weitern Ausgestaltungen der Erfindung. Vorteilhaft sind die Lichtleiter stabförmig oder plattenförmig ausgebildet, da hierdurch auf platzsparende Weise eine Totalreflektion auch in einem flachen Lichtleiter ermöglicht wird. Insbesondere kann dabei auch eine Realisierung eines Lichtleiteraufbaus der Lichtleitereinrichtung in Mikrostrukturierung erfolgen.
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In vorteilhafter Weise sind ferner die Lichteinkoppelbereiche und/oder die Lichtauskoppelbereiche aus optischen Komponenten gebildet, die auf den Lichtleiter aufgebracht sind. In einer weiteren Ausführungsform ist es auch möglich, derartige Strukturen in den Lichtleiter einzustrukturieren. In beiden Fällen lässt sich eine platzsparende, vorzugsweise flächige Ausbildung der jeweiligen Lichteinkoppel- bzw. Lichtauskoppelbereiche realisieren.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, optische Komponenten als Gitterkoppler, Hologramm, Prisma oder Linse auszubilden. Hierbei ist es möglich, dem ein- bzw. ausgekoppelten Licht eine Richtung zu geben und eine Lichtein- bzw. auskopplung auf möglichst effiziente und verlustarme Weise vorzunehmen.
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In einer besonderen Ausführungsform sind die optischen Komponenten hierbei wellenlängenselektiv ausgeführt. Dadurch kann bspw. erreicht werden, dass das Licht einer ersten Lichtquelle mit einem ersten Spektrum einen Lichtauskoppelbereich an dem zweiten Lichtleiter möglichst ungestört passiert, während des Licht der zweiten Lichtquelle aus dem zweiten Lichtleiter mittels der zugehörigen wellenlängenselektiven Auskoppelstruktur ausgekoppelt wird.
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Weiter ist es vorteilhaft, drei Lichtquellen mit unterschiedlichen Spektren vorzusehen, da hierdurch insbesondere eine möglichst große Abdeckung eines Farbraums erreicht werden kann. Auch ist weißes Lichts darstellbar, insofern die verschiedenen Lichtquellen jeweils geeignet farblich unterschiedliches Licht abgeben, z.B. Licht in den Farben rot, grün und blau.
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Vorteilhaft wird die Lichtleitereinrichtung in einer Projektionseinrichtung verwendet, die bspw. Einsatz in einer Datenbrille findet. Durch die Lichtleiterstruktur können die Lichtquellen beabstandet zu dem Ort angebracht werden, an dem ein Mischlicht in Richtung eines Betrachters z. B. für eine Projektion in einer kleinbauenden Datenbrille abgegeben wird. Hierbei lässt sich vor allem eine einfache Mischung des unterschiedlich farbigen Lichtes einer mehrfarbigen Projektionseinrichtung erzielen. Die Lichtquellen können hierbei z.B. als Leuchtioden oder als Laserioden ausgebildet sein.
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Entsprechende Vorteile ergeben sich für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Projektion.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen 1 ein erstes Ausführungsbeispiel in einer Seitenansicht, 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel in einer Seitenansicht, 3 ein Ausführungsbeispiel in einer Aufsicht.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der 1 ist eine Lichtleitereinrichtung 1 mit einem ersten Lichtleiter 11 und einem zweiten Lichtleiter 12 dargestellt. Der erste Lichtleiter 11 und der zweite Lichtleiter 12 sind hierbei insbesondere plattenförmig oder stabförmig ausgeführt. Hierbei ist der zweite Lichtleiter 12 parallel zu dem ersten Lichtleiter 11 in dieser Ausführungsform parallel angeordnet. In einer weiteren Ausführungsform ist zumindest eine teilweise parallele Anordnung in einem Bereich einer Lichtein- und Auskopplung vorgesehen, wobei andere Bereiche, in denen das Licht nur durch den Lichtleiter geleitet, aber nicht aus- oder eingekoppelt wird, nicht notwendigerweise parallel, sondern auch bspw. unterschiedlich gebogen ausgebildet sein können. Die Lichtleiter bestehen bspw. aus einem transparenten Kunststoffmaterial z. B. PMMA.
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Auf einer ersten Oberfläche 13 des ersten Lichtleiters 11 ist eine erste Lichteinkoppelbereich 14 ausgebildet. Dieser ist derart ausgestaltet, z.B. durch eine Aufrauhung oder eine angebrachte Oberflächenstruktur, z.B. eine Mikroprismen- oder Linsenstruktur, dass Licht einer ersten Lichtquelle 15, die bevorzugt benachbart zu der ersten Oberfläche 13 des ersten Lichtleiters 11 angeordnet ist, in den ersten Lichtleiter 11 so eingekoppelt, dass ein von der ersten Lichtquelle 15 erzeugter erster Einkoppellichtstrahl 16 der ersten Lichtquelle 15 als ein in Totalreflektion geführter erster Lichtstrahl 17 in dem ersten Lichtleiter 11 geleitet wird. Der erste Lichtstrahl 17 wird hierbei derart verlustfrei in Totalreflektion innerhalb des ersten Lichtleiters 11 reflektiert, bis der erste Lichtstrahl 17 auf einen ersten Lichtauskoppelbereich 18 trifft. An diesem wird der erste Lichtstrahl 17 aus dem ersten Lichtleiter 11 als ein erster Ausgabelichtstrahl 24 ausgekoppelt. Der erste Lichtauskoppelbereich 18 ist dabei derart gestaltet, dass der auf ihn auftreffende erste Lichtstrahl 17 in seiner Richtung derart geändert wird, dass der erste Ausgabelichtstrahl 24 gebildet wird, der eine der ersten Oberfläche 13 des ersten Lichtleiters 11 gegenüberliegende zweite Oberfläche 65 des ersten Lichtleiters in möglichst senkrechter Richtung zu der zweiten Oberfläche 65 verlässt. Der erste Ausgabelichtstrahl 24 trifft nun möglichst senkrecht auf den zweiten Lichtleiter 12, den der erste Ausgabelichtstrahl 24 aufgrund des senkrechten Auftreffens auf den zweiten Lichtleiter 12 möglichst unbeeinflusst durchquert.
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Benachbart zu der ersten Lichtquelle 15 und bevorzugt an der ersten Oberfläche 13 des ersten Lichtleiters 11 ist eine zweite Lichtquelle 19 angeordnet, deren Licht auf die erste Oberfläche 13 des ersten Lichtleiters 11 gerichtet ist. Ein zweiter Einkoppellichtstrahl 29 des Lichts der zweiten Lichtquelle 19 trifft hierbei möglichst senkrecht auf die erste Oberfläche 13 des ersten Lichtleiters 11 auf, so dass der zweite Einkoppellichtstrahl 29 möglichst unbeeinflusst in den ersten Lichtleiter 11 eintritt und ebenfalls möglichst senkrecht auf die zweite Oberfläche 65 des ersten Lichtleiters 11 trifft und den ersten Lichtleiter 11 somit auch möglichst unbeeinflusst durchquert. Sodann erreicht der zweite Einkoppellichtstrahl 29 eine erste Oberfläche 20 des zweiten Lichtleiters 12. Auf der ersten Oberfläche 20 ist ein zweiter Lichteinkoppelbereich 21 ausgebildet, die den zweiten Einkoppellichtstrahl 29 in den zweiten Lichtleiter 12 derart einkoppelt, dass ein zweiter Lichtstrahl 22 gebildet wird, der sich in Totalreflektion durch den zweiten Lichtleiter 12 fortsetzt, bis der zweite Lichtstrahl 22 auf einen zweiten Lichtauskoppelbereich 23 trifft. Der zweite Lichtstrahl 22 wird an dem zweiten Lichtauskoppelbereich 23 aus dem zweiten Lichtleiter 12 ausgekoppelt, wobei der zweite Lichtlauskoppelbereich 23 dabei derart gestaltet, dass der zweite ein zweiter Ausgabelichtstrahl 25 senkrecht zu einer zweiten Oberfläche des zweiten Lichtleiters 12 und parallel zu dem ersten Ausgabelichtstrahl 24 erzeugt wird. Somit entsteht ein gemeinsames, paralleles Lichtbündel aus dem ersten und dem zweiten Ausgabelichtstrahl 25, 25.
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Die Lichtquellen 15, 19 weisen bevorzugt jeweils eine Optik 26, 27 auf, die das von den Lichtquellen 15, 19 abgegebene Licht auf die Lichteinkoppelbereiche 14, 21 ausrichten. Eine Abbildung erfolgt dabei derart, dass ein Strahlenbündel auf die Lichteinkoppelbereiche 14, 21 gegeben wird. In entsprechender Weise bildet sich auch ein Strahlenbündel an den Lichtauskoppelbereichen 18, 23 aus. Die Ausgabelichstrahlen 24, 25 vermischen sich derart, dass es von einem Betrachter als gemischtes Licht der ersten Lichtquelle 15 und der zweiten Lichtquelle 19 wahrgenommen wird. Dieses Licht kann nunmehr z.B. zur Hinterleuchtung einer Matrixanzeige, z.B. einer Flüssigkristallzelle, verwendet werden.
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In einer alternativen Ausführungsform ist es auch möglich, die Lichtquellen 15, 19 an einer Schmalseite 66 des ersten Lichtleiters 11 bzw. einer Schmalseite 67 des zweiten Lichtleiters 12 anzuordnen. Vorzugsweise ist jeweils ein strukturierter Lichteinkoppelbereich an den Oberflächen der Schmalseiten vorzusehen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist es auch möglich, auf einer der ersten Oberfläche 20 des zweiten Lichtleiters 12 gegenüberliegenden flächigen Seite 28 eine optische Komponente anzubringen. Die optische Komponente kann bspw. als eine Linse 69 ausgebildet sein. In einer ersten Form kann die Linse 69 als eine Sammellinse, in einer weiteren Ausführungsform auch als eine Zerstreuungslinse ausgebildet sein. Hierbei können die von dem zweiten Lichtleiter abgegebenen Lichtstrahlen in Richtung einer Projektionsfläche bzw. in Richtung eines Auges eines Betrachters umgelenkt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform können die optischen Komponenten auch als Gitterkoppler ausgeführt sein. In einer weiteren Ausführungsform ist es auch möglich, entsprechende Linsenstrukturen mit einem lithographischen Herstellungsverfahren an bzw. in die Lichtleiter 11, 12 entsprechende Strukturen einzubringen. In einer weiteren Ausführungsform können auch holographische Folien, bspw. ausgeführt als Polymerfolien, auf die Lichtleiter 11, 12 zur Realisierung eines Einkoppel- bzw. Auskoppelbereichs aufgebracht sein. Mit den holographischen Folien ist es dabei möglich, komplexe Funktionen für die Ein- bzw. Auskopplung von Licht darzustellen, z. B. für die Fokussierung oder Defokussierung der in den Lichtleiter ein- bzw. der aus dem Lichtleiter ausgekoppelten Lichtstrahlen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist es dabei möglich, die Folien lichtwellenselektiv auszugestalten, so dass insbesondere eine Beeinflussung des Lichts aus dem ersten Lichtwellenleiter bei einem Durchtritt durch den zweiten Lichtauskoppelbereich 23 des zweiten Lichtwellenleiters 12 möglichst vermieden wird.
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Die Lichteinkopplung in die Lichtleiter unter Totalreflektion erfolgt derart in einem Winkel, dass das Licht im Material in einem Winkel unterhalb des Totalreflektionswinkels auf eine Grenzfläche zum umgebenden Medium, bspw. Luft, fällt und sich damit aufgrund der Totalreflektion im Substrat verlustarm ausbreitet. Eine Auskopplung erfolgt damit in dem Auskoppelbereich dadurch, dass das Licht in einem Winkel abgelenkt wird, der nicht mehr die Bedingung für eine Totalreflektion erfüllt, so dass das Licht außerhalb des Lichtleiters weiter propagiert.
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In der 2 ist eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. In dieser Ausführungsform sind ein erster Lichtleiter 31, ein zweiter Lichtleiter 32 und ein dritter Lichtleiter 33 parallel zueinander angeordnet. Benachbart zu den Lichtleitern 31, 32, 33 ist eine Beleuchtungseinheit 34 mit einer ersten Lichtquelle 35, einer zweiten Lichtquelle 36 und einer dritten Lichtquelle 37 angeordnet. Die erste Lichtquelle 35 beleuchtet einen ersten Einkoppelbereich 47, die zweite Lichtquelle 36 einen zweiten Einkoppelbereich 38 und die dritte Lichtquelle einen dritten Einkoppelbereich 39. Die Lichteinkoppelbereiche 47, 38, 39 sind in der hier gezeigten Ausführungsform jeweils auf einer flachen Oberflächenseite der Lichtleiter 31, 32, 33 angeordnet, die jeweils den Lichtquellen 35, 36, 37 zuweisen. In einer alternativen Ausführungsform ist bei dem dritten Lichtleiter 33, der den größten Abstand zu den Lichtquellen 35, 36, 37 aufweist, eine hier gestrichelt dargestellte Lichteinkoppeleinrichtung 41 auf einer der den Lichtquellen 35, 36, 37 gegenüberliegenden flachen Seite 40 des dritten Lichtleiters 33 angeordnet, wobei dieser alternative Auskoppelbereich in der 2 gestrichelt dargestellt ist. Ferner verfügen die Lichtleiter 31, 32, 33 jeweils über einen Lichtauskoppelbereich 42, 43, 44. Hierdurch ist es möglich das Licht der drei Lichtquellen 35, 36, 37 derart parallel aus den drei Lichtleitern 31, 32, 33 auszukoppeln, um bspw. eine Projektionseinrichtung in einer Datenbrille zu beleuchten.
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Die Lichtquellen 35, 36, 37 sind dabei derart gewählt, dass sie ein möglichst großer Farbraum abdecken. Sie sind hierfür bei ihrer Helligkeit einzeln ansteuerbar derart ausgebildet, dass abhängig von einer Ansteuerung der Lichtquellen 35, 36, 37 ein entsprechender Farbpunkt im Farbraum angewählt werden kann. Durch eine geeignete Wahl der Farben der drei Lichtquellen ist bei einer entsprechenden gemischten Ansteuerung auch weißes Licht darstellbar.
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In der 3 ist eine Aufsicht auf eine Lichtleitereinrichtung 50 dargestellt, wobei ein erster Lichteinkoppelbereich 51 mit einer ersten Lichtquelle 52 sowie eine zweite Lichtquelle 53 dargestellt sind. In einem Auskoppelbereich 54 erfolgt eine Auskopplung des Lichtes aus der Lichtleitereinrichtung 50.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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