DE102022130204A1

DE102022130204A1 - Optisches Element, optisches System und Fahrzeugscheibe und/oder Scheibenlaminat

Info

Publication number: DE102022130204A1
Application number: DE102022130204.0A
Authority: DE
Inventors: Matthias Baumann
Original assignee: Webasto SE
Current assignee: Webasto SE
Priority date: 2022-11-15
Filing date: 2022-11-15
Publication date: 2024-05-16
Also published as: WO2024104750A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches Element (28), insbesondere ein optisches Prisma, umfassend mindestens eine Lichteinkopplungsfläche (32), einen Lichtleitungskörper (33) und mindestens eine Lichtauskopplungsfläche (34). Die mindestens eine Lichteinkopplungsfläche (32) umfasst mindestens eine Lichtdiffusorschicht (35) und/oder mindestens eine Doppelwölbung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Element, insbesondere ein optisches Prisma, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige optische Elemente finden beispielsweise im Fahrzeugbau Verwendung und dienen als Lichtleitstrukturen, um beispielsweise Licht, das von einer Lichtquelle ausgestrahlt wird, gezielt umzurichten und beispielsweise in eine Lichtleiterschicht einer Fahrzeugscheibe und/oder ein Scheibenlaminat einzukoppeln. Häufig sind derartige optische Elemente als optische Prismen ausgebildet, die beispielsweise dreieckig und/oder keilförmig ausgeformt sein können. Durch die Verwendung des optischen Elements kann eine Lage und/oder Positionierung einer Lichtquelle frei gewählt werden, da durch eine Formgebung des optischen Elements eine vorbestimmte Umlenkung bzw. Umrichtung des Lichtes, beispielsweise orthogonal zu einer Hauptabstrahlrichtung bzw. einer Haupteinkopplungsrichtung der Lichtquelle, erreicht werden kann. Zudem dienen bekannte optische Elemente oftmals dazu, das von der Lichtquelle ausgestrahlte Licht zu kollimieren, d. h. zu parallelisieren bzw. gleichzurichten, um derart beispielsweise eine homogene Lichtverteilung bei der Lichteinkopplung in die Lichtleiterschicht zu erreichen. Hierdurch wird eine Effizienz der Lichtauskopplung aus dem optischen Element in die Lichtleiterschicht verstärkt.
Die durch das Vorsehen der Lichtleiterschicht beleuchtete Fahrzeugscheibe und/oder das Scheibenlaminat dient/dienen insbesondere einer Innenraumbeleuchtung eines Fahrzeuges und/oder eines sonstigen Raumes. Im Regelfall ist eine Vielzahl von Lichtquellen vorgesehen, die beispielsweise als LED-Streifen beabstandet voneinander angeordnet sind. Mindestens einer Lichtquelle kann dabei mindestens ein optisches Element zugeordnet sein, so dass eine Lichteinkopplung ausgehend von der mindestens einen Lichtquelle in das mindestens eine optische Element, eine Lichtleitung und/oder Lichtumrichtung innerhalb des optischen Elements sowie eine Lichtauskopplung aus dem optischen Element in eine Lichtleiterschicht ermöglicht ist.
Ebenfalls ist es bekannt, durch ein Vorsehen einer Wölbung an einer Lichteinkopplungsfläche des optischen Elements nicht nur ein Kollimieren des Lichtes, sondern zudem auch eine Lichtbündelung entlang einer vorbestimmten Achse zu erhalten. Allerdings ist die Lichteinkopplung aufgrund vorbestimmter und/oder materialabhängiger optischer Eigenschaften auf einen maximal möglichen Einkopplungswinkel beschränkt. Diese physikalische Schranke ist durch den Brechungsindex des Materials, genauer gesagt durch das Verhältnis des Brechungsindex von Luft zu dem Brechungsindex des Materials, aus dem das optische Element hergestellt ist, bestimmt. Ab dem maximal möglichen Einkopplungswinkel kommt es nämlich an der Lichteinkopplungsfläche zu einer Totalreflexion. Häufig sind die bekannten optischen Elemente aus PMMA (Polymethylmethacrylat) oder PPU (thermoplastischem Polyurethan) hergestellt, so dass der maximale Einkopplungswinkel auf 41° bis 42° (gemessen zu einer Winkelhalbierenden) beschränkt ist.
Diese physikalische Schranke führt bei bekannten optischen Elementen dazu, dass innerhalb der Lichtleiterschicht, in die das Licht über das optische Element geleitet wird, erst spät eine homogene Lichtdurchmischung erreicht werden kann. Eine derartige Lichtdurchmischung innerhalb der Lichtleiterschicht tritt desto später auf, je weiter die einzelnen Lichtquellen auseinanderliegen. Eine spätere Lichtdurchmischung führt wiederum zu unerwünschten Farbunterschieden bei einer anschließenden Lichtauskopplung aus der Lichtleiterschicht, die als optische Störgrößen wahrnehmbar sind. Obgleich eine Reduzierung eines Abstandes zwischen den einzelnen Lichtquellen diese Problematik beheben kann, entsteht dadurch der Nachteil, dass hierzu mehr Lichtquellen eingesetzt werden müssen. Dies führt jedoch zu einer Erhöhung der Kosten. Zudem wird mehr Bauraum benötigt, der insbesondere im Fahrzeugbereich lediglich als knappe Ressource zur Verfügung steht.
Die vorstehend aufgezeigten Nachteile gilt es zu überwinden. Daher ist eine Aufgabe der Erfindung darin zu sehen, ein optisches Element, insbesondere ein optisches Prisma, derart weiterzuentwickeln, dass eine homogenere Lichtdurchmischung und/oder eine Vergrößerung einer Lichtstreuung in mindestens eine Raumrichtung ermöglicht ist.
Die Aufgabe wird durch ein optisches Element nach dem Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus mindestens zwei in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen. Es versteht sich, dass die zu dem optischen Element gemachten Ausführungen sich in äquivalenter Weise auf das erfindungsgemäße optische System und/oder die erfindungsgemäße Fahrzeugscheibe und/oder das erfindungsgemäße Scheibenlaminat beziehen, ohne für dieses bzw. diese redundant genannt zu werden. Hierbei versteht es sich insbesondere, dass sprachübliche Umformungen und/oder ein sinngemäßes Ersetzen von jeweiligen Begrifflichkeiten im Rahmen der üblichen sprachlichen Praxis, insbesondere das Verwenden von durch die allgemein anerkannte Sprachliteratur gestützten Synonymen, von dem vorliegenden Offenbarungsgehalt umfasst sind, ohne in ihrer jeweiligen Ausformulierung explizit erwähnt zu werden.
Erfindungsgemäß ist ein optisches Element, insbesondere ein optisches Prisma für eine Fahrzeugscheibe und/oder ein Scheibenlaminat vorgeschlagen. Das optische Element umfasst mindestens eine Lichteinkopplungsfläche, einen Lichtleitungskörper und mindestens eine Lichtauskopplungsfläche, wobei die mindestens eine Lichteinkopplungsfläche mindestens eine Lichtdiffusorschicht und/oder mindestens eine Doppelwölbung umfasst. Die Lichtdiffusorschicht ist vorzugsweise so ausgeprägt, dass die dadurch erzeugbare, diffuse Wirkung nur in eine Raumrichtung streut. Beispielhaft sind hier „Walzenoptiken“ zu nennen. Eine klassische Diffusorschicht streut das Licht hingegen in alle Raumrichtungen.
Es versteht sich, dass die Lichteinkopplungsfläche grundsätzlich auch nur eine Wölbung um eine Achse umfassen und zusätzlich die Lichtdiffusorschicht aufweisen kann. Auch kann die Lichteinkopplungsfläche als plane Fläche ausgebildet sein und die Lichtdiffusorschicht umfassen. Die Doppelwölbung definiert vorzugsweise eine dreidimensionale Wölbung der Lichteinkopplungsfläche um wenigstens zwei Ausdehnungsachsen des optischen Elements.
Die Erfinder haben also erkannt, dass durch eine Veränderung einer Form der Lichteinkopplungsfläche und/oder durch das Vorsehen einer Diffusorschicht ein Auftreffwinkel des Lichtes auf die Lichteinkopplungsfläche vergrößert werden kann. Die Form der Lichteinkopplungsfläche ist dabei gegenüber der Form bei bekannten optischen Elementen dahingehend angepasst, dass die im Stand der Technik (ausgehend von der Lichtquelle betrachtet) konkav geformte Lichteinkopplungsfläche zusätzlich eine konvexe Wölbung, mithin also eine Doppelwölbung umfasst. Die Lichteinkopplungsfläche ist also komplex geformt und weist vorliegend vorzugsweise zwei voneinander unterschiedliche Wölbungen auf, die sich vorzugsweise hinsichtlich ihrer jeweiligen Bezugsachse unterscheiden. Durch den aufgrund der komplex gewölbten Oberflächen und/oder aufgrund der Diffusorschicht geänderten Auftreffwinkel des Lichtes auf die Lichteinkopplungsfläche vergrößert sich der Einkopplungswinkel des Lichtes in die Lichtleiterschicht, so dass gegenüber dem Stand der Technik eine homogene Lichtdurchmischung, vorzugsweise unmittelbar bei oder nach der Lichteinkopplung, erreicht werden kann. Die Lichteinkopplungsfläche ist erfindungsgemäß also durch das Vorsehen einer zusätzlichen Wölbung, die im Stand der Technik noch nicht existiert hat, und/oder durch das Vorsehen der Diffusorschicht auf und/oder an der Oberfläche der Lichteinkopplungsfläche dahingehend verändert, dass ein größerer Einkopplungswinkel erreicht werden kann. Wenn das optische Element beispielsweise aus PMMA oder aus PPU hergestellt ist, ist der Einkopplungswinkel nicht mehr wie im Stand der Technik auf 41° bis 42° (gemessen zu einer Winkelhalbierenden) begrenzt, sondern durch die weitere Wölbung und/oder Diffusorschicht demgegenüber erhöht.
Erfindungsgemäß kommt es also nicht zu erhöhten Kosten für Lichtquellen und/oder einem erhöhten Bauraumbedarf. Ebenfalls können erfindungsgemäß die Lichtverluste bei der Einkopplung von Licht in das optische Element und der Auskopplung aus dem optischen Element in die Lichtleiterschicht reduziert werden. Insgesamt kann erfindungsgemäß eine bessere, insbesondere homogenere Farbdurchmischung innerhalb der Lichtleiterschicht, insbesondere bereits unmittelbar nach der Lichtauskopplung aus dem optischen Element, die der Lichteinkopplung in die Lichtleiterschicht dient, erreicht werden. Der Kerngedanke der Erfindung besteht darin, durch die Doppelwölbung und/oder durch die Diffusorschicht eine Streuwirkung und/oder eine Mikrolinsenstruktur zur Streuung und/oder Aufbreitung von Licht aus einer Lichtquelle zu erreichen. Hierdurch kann ein Abstrahlwinkel in mindestens einer Abstrahlrichtung gegenüber dem Stand der Technik verbreitert werden.
Gegenüber dem Stand der Technik umfasst die erfindungsgemäße Ausführung des optischen Elements somit eine Vielzahl von Vorteilen. So war es im Stand der Technik nur möglich, Licht über eine flache, der Lichtquelle zugewandte Einkopplungsfläche eines Prismas in dieses einzukoppeln. Bei dieser Art der Einkopplung bestand bislang das Problem einer insbesondere kantenseitig mangelhaften Lichtdurchmischung, die aus dem Aufbau konventioneller Lichtquellen, insbesondere LEDs, herrührte. Eine derartige LED besteht nämlich in der Regel aus Rot-Grün-Blau-emittierenden Chips, die in einer Reihe angeordnet sind. Die Farben dieser Chips werden gemischt, um die gewünschte kombinierte (Licht-)Farbe zu erhalten. Diese Lichtmischung erfolgt im Regelfall über eine bestimmte bzw. innerhalb einer bestimmten Distanz nach der Lichtquelle. Mit anderen Worten ist das Licht nicht unmittelbar nach dem Emittieren gemischt, sondern erst in einer gewissen Distanz vor der Lichtquelle.
Aufgrund dieses physikalischen Sachverhalts bestand im Stand der Technik das Problem, dass die Mischlänge bzw. -distanz zu lang war, weshalb eine Lichtdurchmischung erst nach Austritt des Lichtes aus dem im Stand der Technik bekannten Prima stattfand. Dies führte dazu, dass in der Lichtleiterschicht in einem Grenzbereich zwischen dem Prisma und der Lichtleiterschicht bislang inhomogene Farben zu sehen waren. Dadurch wurde bislang eine optische Störgröße verursacht, die für einen Betrachter unerwünscht war. Dieser Nachteil konnte mit der vorliegenden Erfindung allerdings überwunden werden.
Den Erfindern ist es nämlich durch das Vorsehen der Doppelwölbung und/oder durch das Vorsehen der Diffusorschicht an der Lichteinkopplungsfläche des optischen Elements gelungen, die mangelhafte Lichtdurchmischung in einem Grenzbereich zwischen dem optischen Element und einer Lichtleiterschicht, in die über das optische Element Licht eingekoppelt wird, zu unterbinden, so dass auch in diesem Grenzbereich eine homogene Lichtdurchmischung bereitgestellt werden kann. Dies wird erfindungsgemäß durch das Vorsehen der Doppelwölbung, insbesondere durch das Vorsehen einer konkaven Wölbung entlang einer Achse des optischen Elements erreicht. Alternativ oder ergänzend wird es durch das Vorsehen der Diffusorschicht erreicht. Die konkave Linsenform dient vorzugsweise dazu, das Licht, betrachtet in einer Hauptsendungsrichtung (x-Richtung), über eine Breite des optischen Elements zu streuen und/oder weiter aufzufächern. Dies wird vorzugsweise durch eine Erhöhung der Streuung des Lichtes an der Lichteinkopplungsfläche erreicht. Eine größere Streuung der R-G-B-Lichtkegel führt dann vorzugsweise zu einer Verkürzung der Mischlänge. Hierdurch kann erreicht werden, dass das Licht bereits innerhalb des optischen Elements oder zumindest beim Austreten bzw. beim Übergang von dem optischen Element in die Lichtleiterschicht durchmischt ist. Bevorzugt erfolgt also eine Lichtdurchmischung früher als dies im Stand der Technik der Fall war. Die frühere Lichtdurchmischung wird durch das Vorsehen der Doppellinse bzw. der Diffusorschicht erreicht. Die insbesondere vollständige Durchmischung findet erfindungsgemäß also noch in einem für den Kunden bzw. Anwender nicht sichtbaren Bereich statt. Dieser Bereich kann sich auch in den nicht sichtbaren Bereich der Lichtleiterschicht erstrecken.
Das Vorsehen der Diffusorschicht ist dabei eine Alternative oder Ergänzung, die anstelle oder mit der Doppelwölbung Anwendung finden kann. Das Vorsehen der Diffusorschicht kann ggf. in der Herstellung einfacher und kostengünstiger sein, da die Doppelwölbung unter Umständen einer komplexen Spritzgussform bedarf. Außerdem kann ggf. eine Positionierung des optischen Elements mit Doppelwölbung, beispielsweise innerhalb eines Klebewerkzeugs, aufwendiger sein und dadurch eine Montage des optischen Elements an der Lichtleiterschicht erschweren. Dies kann dadurch verursacht sein, dass die komplex gewölbte Oberfläche des optischen Elements nicht oder nur aufwendig als Anschlag für die Platzierung in einem Werkzeug verwendet werden kann. Auch kann es bei der Doppelwölbung teilweise aufgrund der Oberflächenkrümmung dazu kommen, dass der Abstand zwischen der komplex gewölbten Einkopplungsfläche und der mindestens einen Lichtquelle, die insbesondere einzelne Rot-Grün-Blau-Chips aufweisen kann, nicht konstant ist. Das optische Element mit Doppelwölbung kann daher ggf. empfindlicher gegenüber Positionierungstoleranzen während der Montage sein. Diese Herausforderungen, die bei den erfindungsgemäßen optischen Elementen mit Doppelwölbung bestehen, existieren bei optischen Elementen mit einer Diffusorschicht nicht. Allerdings umfasst die Doppelwölbung aufgrund ihrer optischen Eigenschaften auch die oben genannten Vorteile, so dass sie insgesamt eine ausgewogene Alternative oder Ergänzung zu der Diffusorschicht darstellt.
Die vorliegende Erfindung betrifft also ein optisches Element, durch das eine Farbmischlänge innerhalb eines optischen Elements, insbesondere einer Prismenoptik, das bzw. die zur Einkopplung von Licht in eine Fahrzeugscheibe zur Umgebungsbeleuchtung verwendet wird, verkürzt ist. Die Diffusorschicht und/oder die Doppelwölbung ist/sind dabei so strukturiert, dass sie das Licht asymmetrisch, vorwiegend über eine gesamte Breite des optischen Elements, streut/streuen. Dabei ist es aufgrund der erfindungsgemäß erreichbaren kürzeren Farbmischlänge möglich, kleiner dimensionierte optische Elemente zu verwenden, wodurch Bauraum eingespart werden kann. Es wird also weniger Bauraum bzw. Fläche unterhalb einer Fahrzeugscheibe verwendet, an der das mindestens eine optische Element angebracht werden soll. Die erfindungsgemäße Idee kann besonders bevorzugt mit einer beliebig geformten Flächengeometrie gebildet und/oder kombiniert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich die mindestens eine Lichteinkopplungsfläche entlang einer Längsachse und entlang einer Querachse. Die Längsachse und die Querachse sind vorzugsweise orthogonal zueinander und jeweils orthogonal zu einer Normalenachse der mindestens einen Lichteinkopplungsfläche ausgerichtet. Die Querachse bildet vorzugsweise im Wesentlichen, d. h. unter Berücksichtigung einer Abweichung von ± 20 %, eine Normale zu der Lichtauskopplungsfläche aus. Die Doppelwölbung umfasst dabei vorzugsweise eine Konkavwölbung um die Querachse und eine Konvexwölbung um die Längsachse. Die Bezeichnung der Wölbungen bezieht sich vorzugsweise auf eine Blickrichtung aus Sicht des optischen Elements.
In einer bevorzugten Ausführungsform bildet die Normalenachse eine Symmetrieachse zu der doppeltgewölbten Lichteinkopplungsfläche aus. Die Symmetrieachse kann dabei eine Kegelmittelachse eines Abstrahlkegels der mindestens einen Lichtquelle sein und/oder mit dieser zusammenfallen. Die Normalenachse kann auch eine Symmetrieachse zu der Lichtdiffusorschicht ausbilden. Die Normalenachse beschreibt bezogen auf einen Flächenmittelpunkt der Lichteinkopplungsfläche vorzugsweise eine Flächenmittelnormalenachse, also eine Normale zu der Lichteinkopplungsfläche, die durch deren Mittelpunkt verläuft. Bei dem Mittelpunkt kann es sich um einen Flächenmittelpunkt in einer Flächendimension oder um einen Flächenmittelpunkt bezogen auf beide Flächendimensionen handeln.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Konvexwölbung und die Konkavwölbung entlang einer zu der Normalenachse parallel ausgerichteten Haupteinkopplungsrichtung von Licht bezeichnet bzw. darauf bezogen. Die Haupteinkopplungsrichtung bezeichnet vorzugsweise eine Kegelmittelachse und/oder eine Symmetrieachse des Abstrahlkegels der mindestens einen Lichtquelle.
In einer bevorzugten Ausführungsform bildet die Lichteinkopplungsfläche eine um die Querachse konkav geformte Kollimatorlinse aus, die um die Längsachse konvex ausgeformt ist. Durch die Kollimatorlinse ist eine Gleichrichtung des über die Lichteinkopplungsfläche eingekoppelten Lichtes möglich.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Lichtdiffusorschicht eine optische Streustruktur, die vorzugsweise strukturierte und/oder unstrukturierte optische Störstellen und/oder eine optische Gitterstruktur und/oder ein BRAG-Gitter und/oder optische Streustellen und/oder optische Streupartikel und/oder eine Vielzahl von Mikro- und/oder Nanolinsen aufweist. Grundsätzlich sind auch andere Ausführungen denkbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist durch die Lichtdiffusorschicht, insbesondere die optische Streustruktur und/oder die Doppelwölbung, eine Lichtstreuung in mindestens eine vorbestimmte Raumrichtung determiniert.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Lichtdiffusorschicht eine Lichtdiffusorfolie, die auf die Lichteinkopplungsfläche aufgebracht ist. Alternativ oder ergänzend ist die Lichtdiffusorschicht auf die Lichteinkopplungsfläche aufgeprägt und/oder aufgedruckt und/oder aufgedampft und/oder durch eine Erhitzung einer Oberfläche der Lichteinkopplungsfläche erzeugt. Grundsätzlich kann die Lichtdiffusorschicht auch auf eine Folie, insbesondere auf eine Laminierfolie aufgeprägt und/oder aufgedruckt und/oder aufgedampft und/oder beschichtet sein, wobei die Folie wiederum auf der Lichteinkopplungsfläche aufgebracht ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das optische Element durch Spritzgießen hergestellt bzw. ausgebildet sein. Die Streustruktur wird vorzugsweise während des Spritzgussschrittes erzeugt, indem die Streustruktur auf der Oberfläche des Werkzeugs, insbesondere als Negativform vorhanden ist. Die Oberfläche des Werkzeuges kann beispielsweise durch Laserätzen, Lithographie, Galvanoformen und/oder Bedrucken strukturiert sein.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Fahrzeugscheibe und/oder ein Scheibenlaminat, an der/dem mindestens ein optisches Element nach einem der vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Ausführungsbeispiele angeordnet ist.
Auch befasst sich die Erfindung mit einem optischen System. Das optische System umfasst mindestens ein optisches Element nach einem der vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Ausführungsbeispiele und mindestens eine Lichtquelle, insbesondere eine LED-Lichtquelle. Die mindestens eine Lichtquelle ist dazu eingerichtet, Licht auszusenden, das über die Lichteinkopplungsfläche in das optische Element einkoppelbar ist, wobei das eingekoppelte Licht über den Lichtleitungskörper zu der Lichtauskopplungsfläche leitbar ist und aus der Lichtauskopplungsfläche auskoppelbar ist. Die Lichtquelle ist vorzugsweise dazu eingerichtet, Licht in einem Abstrahlwinkel, der vorzugsweise durch physikalische Parameter der Lichtquelle vorgegeben ist, auszusenden. Der Abstrahlwinkel und/oder ein Abstand von der Lichtquelle zu der Lichteinkopplungsfläche ist vorzugsweise derart gewählt und/oder bestimmt, dass Licht über eine gesamte Längserstreckung des optischen Elements, betrachtet in Richtung der Längsachse, in die Lichteinkopplungsfläche eingekoppelt werden kann.
Ebenfalls befasst sich die Erfindung damit, eine Fahrzeugscheibe und/oder ein Scheibenlaminat bereitzustellen, umfassend eine Lichtleiterschicht und mindestens ein optisches System in zuvor genannter Ausführung, wobei das mindestens eine optische Element an einer Seite, insbesondere an einer Innenseite, der Lichtleiterschicht angeordnet ist, so dass aus der Lichtauskopplungsfläche ausgekoppeltes Licht in die Lichtleiterschicht einkoppelbar ist.
Die Fahrzeugscheibe und/oder das Scheibenlaminat nach der Erfindung kann grundsätzlich an einer beliebigen Stelle eines Kraftfahrzeugs angeordnet sein und für unterschiedliche Anwendungszwecke ausgelegt sein.
Es versteht sich, dass die zuvor genannten und nachstehend noch zu erläuternden Ausführungsformen und Ausführungsbeispiele nicht nur einzeln, sondern auch in beliebiger Kombination miteinander ausbildbar sind, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Ebenfalls versteht es sich, dass die zuvor genannten und nachstehend noch zu erläuternden Ausführungsformen und Ausführungsbeispiele sich in äquivalenter oder zumindest ähnlicher Art und Weise auf sämtliche Ausführungen der Erfindung beziehen, ohne jeweils separat genannt zu werden.
Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisiert dargestellt und werden nachfolgend beispielhaft erläutert. Es zeigen:

1 eine Fahrzeugscheibe mit mehreren optischen Elementen;
2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines optischen Elements mit einer schematisch angezeigten Lichtquelle;
3 eine Draufsicht auf das in 2 dargestellte optische Element;
4 eine Schnittansicht durch eine beispielhafte Fahrzeugscheibe sowie durch ein beispielhaftes optisches Element;
5 ein zweites Ausführungsbeispiel eines optischen Elements mit einer schematisch angezeigten Lichtquelle;
6 ein drittes Ausführungsbeispiel eines optischen Elements in drei verschiedenen Variationen;
7 ein viertes Ausführungsbeispiel eines optischen Elements in zwei verschiedenen Variationen;
8 ein optisches Element aus dem Stand der Technik; und
9 eine Draufsicht auf das in 8 gezeigte optische Element aus dem Stand der Technik.

In 1 ist ein Fahrzeugdach 10 eines ansonsten nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs gezeigt. Das Fahrzeugdach 10 ist beispielhaft ein Panoramadach, das ein verstellbares Deckelelement 12 und ein Festdachelement 14 aufweist, welches fest bzw. unbeweglich mit der Fahrzeugkarosserie verbunden ist. Sowohl das Deckelelement 12 als auch das Festdachelement 14 umfassen jeweils eine Fahrzeugscheibe 15 und/oder ein Scheibenlaminat. Die Fahrzeugscheibe 15 ist vorliegend jeweils als Verbundsicherheitsglas (VSG) ausgebildet, welches mit einer Ambient-Light-Funktionalität versehen ist. Diesbezüglich entspricht der Aufbau des Deckelelements 12 demjenigen des Festdachelements 14. Ein beispielhafter Aufbau der Fahrzeugscheibe ist in 4 näher dargestellt.
Die jeweils als Fahrzeugscheibe 15 ausgebildeten Dachelemente 12 und 14 umfassen jeweils eine Scheibenkörperanordnung 13, die einen Scheibenaußenkörper 16 und einen Scheibeninnenkörper 18 umfasst. Der Scheibenaußenkörper 16 ist beispielhaft aus einer gewölbten Glasplatte gebildet, die beispielsweise aus einem gefärbten Kalk-Natron-Glas gefertigt ist. Denkbar ist es auch, den Scheibenaußenkörper 16 aus einem Kunststoffelement, beispielsweise einem Polycarbonat-Element, auszubilden. Der Scheibeninnenkörper 18 kann ebenfalls aus einem anorganischen Glas, wie einem Kalk-Natron-Glas, oder einem Polymer, beispielsweise einem Polycarbonat, gefertigt sein. Des Weiteren bildet der Scheibeninnenkörper 18 im vorliegenden Zusammenhang eine Lichtleiterschicht 19, in deren Volumen sich eingekoppeltes Licht ausbreitet (siehe 4).
Der Scheibenaußenkörper 16 und der Scheibeninnenkörper 18 sind über mindestens eine Laminierungsschicht bzw. Verbindungsschicht 20 miteinander verbunden, welche aus einem Werkstoff wie PVB (Polyvinylbutyral), EVA (Ethylen-Vinylacetat) oder TPU (thermoplastischem Polyurethan) gebildet sein kann. Zudem kann die Verbindungsschicht 20 klar bzw. volltransparent oder auch gefärbt sein. Die Verbindungsschicht 20 hat im vorliegenden Fall eine Dicke von unter einem Millimeter, kann aber auch eine andere Dicke haben.
Der Scheibenaußenkörper 16 und der Scheibeninnenkörper 18, die im vorliegenden Fall jeweils eine Dicke von einigen Millimetern haben, bilden die Scheibenkörperanordnung 13 mit einer der Fahrzeugumgebung zugewandten Außenseite 21 und einer dem Fahrzeuginnenraum zugewandten Innenseite 23. An der Innenseite 23 ist die Scheibenkörperanordnung 13 bezogen auf eine vertikale Dachlängsmittelebene beidseits jeweils mit einer Beleuchtungseinrichtung 22 versehen, durch die die Ambient-Light-Funktionalität realisiert ist.
Die Beleuchtungseinrichtungen 22 erstrecken sich vorliegend jeweils in einer Fahrzeuglängsrichtung L (siehe 1) und sind am jeweiligen seitlichen Rand des Deckelelements 12 bzw. des Festdachelements 14 in einer Fahrzeugbreitenrichtung B einander gegenüberliegend angeordnet. Die Beleuchtungseinrichtungen 22 umfassen jeweils mindestens eine Lichtquelle 24, die eine LED-Anordnung, insbesondere eine LED-Leiste und/oder einen LED-Streifen, umfasst.
Erfindungsgemäß ist an der Innenseite 23 mindestens ein optisches Element 28 angeordnet, über das Licht, das von der mindestens einen Lichtquelle 24 abgestrahlt wird, zunächst innerhalb des optischen Elements 28 umgerichtet und dann in die Lichtleitersicht 19 eingekoppelt werden kann. Das optische Element 28 bildet vorliegend ein optisches Prisma aus, das sich beispielsweise leistenartig über die Länge der jeweiligen Beleuchtungseinrichtung 22 erstreckt und vorliegend einen keilförmigen bzw. dreieckigen Querschnitt hat (siehe 2 und 4). Das optische Element 28 bildet also einen prismatischen Körper. Dieser ist vorzugsweise aus einem Kunststoffwerkstoff nach einem Extrusionsverfahren oder einem Spritzgießverfahren gefertigt, wobei als Werkstoffe insbesondere PMMA, PPU, PC (Polycarbonat), PA (Polyamid), COC (Cycloolefin-Copolymer) und/oder COP (Cycloolefin-Polymer) zum Einsatz kommen können, deren Brechungsindizes beispielsweise zwischen 1,48 und 1,59 liegen. Das optische Element 28 kann beispielsweis über eine Klebeschicht an der Scheibenkörperanordnung 13 bzw. an der Innenseite 23 fixiert sein. Als Werkstoff für die Klebeschicht kann ein drucksensitiver Kleber, ein optisch klarer Flüssigkleber, EVA, PVB, TPU, ein Epoxy-Kleber oder ein Acrylat-Kleber zum Einsatz kommen. Durch ein derartiges optisches Element 28 kann die mindestens eine Lichtquelle 24 seitlich mit einer Hauptabstrahlrichtung bzw. einer Haupteinkopplungsrichtung 30 insbesondere parallel zu der Innenseite 23 angeordnet sein (siehe 4). Durch das optische Element 28 wird das Licht der Lichtquelle 24 nämlich vorzugsweise umgerichtet und kollimiert bzw. gleichgerichtet und derart über die Innenseite 23 in die Lichtleiterschicht 19 eingekoppelt.
Das mindestens eine optische Element 28 umfasst mindestens eine Lichteinkopplungsfläche 32, einen Lichtleitungskörper 33 und mindestens eine Lichtauskopplungsfläche 34. Die Lichtauskopplungsfläche 34 ist mit der Innenseite 23 verklebt (siehe 4).
Die Lichteinkopplungsfläche 32 umfasst erfindungsgemäß mindestens eine Lichtdiffusorschicht 35 (siehe 5) und/oder mindestens eine Doppelwölbung, ist also beispielsweise mehrfach gewölbt, wobei sich die einzelnen Wölbungen vorzugsweise voneinander unterscheiden. Die mindestens eine Lichteinkopplungsfläche 32 erstreckt sich gemäß einer möglichen erfindungsgemäßen Ausführungsform entlang einer Längsachse y und entlang einer Querachse z. Die Längsachse y und die Querachse z sind dabei orthogonal zueinander und jeweils orthogonal zu einer Normalenachse x der mindestens einen Lichteinkopplungsfläche 32 ausgerichtet. Die Doppelwölbung ist erfindungsgemäß durch eine Konkawölbung 36 um die Querachse z und eine Konvexwölbung 37 um die Längsachse y ausgebildet, wobei dies jeweils ausgehend von der Lichtquelle 24 entlang der Hautabstrahlrichtung 30 zu betrachten ist. Die Normalenachse x bildet eine Symmetrieachse zu der doppeltgewölbten Lichteinkopplungsfläche 32 aus, siehe 3. Die Hauptabstrahlrichtung 30 ist im Falle von 4 parallel zur Normalenachse x ausgerichtet.
Gemäß 5 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der die Lichteinkopplungsfläche 32 die Lichtdiffusorschicht 35 umfasst. Die Lichtdiffusorschicht 35 umfasst wiederum eine optische Streustruktur 38. Die optische Streustruktur 38 kann durch eine Lichtdiffusorfolie ausgebildet sein, die auf die Lichteinkopplungsfläche 32 aufgebracht ist. In den 7 und 8 ist die optische Streustruktur 38 beispielhaft detaillierter dargestellt. Alternativ oder ergänzend kann/können die optische Streustruktur 38 und/oder die Lichtdiffusorschicht 35 auf die Lichteinkopplungsfläche 32 aufgeprägt und/oder aufgedruckt und/oder aufgedampft sein und/oder durch eine Erhitzung einer Oberfläche der Lichteinkopplungsfläche 32 erzeugt sein. Die optische Streustruktur 38 weist vorzugsweise strukturierte und/oder unstrukturierte optische Störstellen und/oder eine optische Gitterstruktur und/oder ein BRAG-Gitter und/oder optische Streustellen und/oder optische Streupartikel und/oder eine Vielzahl von Mikro- und/oder Nanolinsen auf. Durch die optische Streustruktur 38 und/oder die Doppelwölbung ist eine Lichtstreuung in mindestens eine vorbestimmte Raumrichtung x, y, z determiniert, wobei ein Abstrahlwinkel gegenüber dem Stand der Technik verbreitert ist (siehe erfindungsgemäß > 41° versus ≤ 41° im Stand der Technik). Wie aus 5 rein schematisch zu entnehmen ist, umfasst die Lichteinkopplungsfläche 32 keine Doppelwölbung. Die Lichteinkopplungsfläche 32 kann beispielsweise, wie im Stand der Technik bekannt, lediglich einfach gewölbt sein, um derart das Licht auszurichten und/oder zu fokussieren und/oder zu bündeln. Besonders bevorzugt umfasst die Lichtdiffusorschicht eine optische Streustruktur, durch die Licht im Wesentlichen bzw. überwiegend entlang der y-Richtung und lediglich geringfügig bzw. minimal in der z-Richtung gestreut wird. Durch die Streustruktur erfolgt also vorzugsweise eine Streuung des Lichtes in y-Richtung, wohingegen in der z-Richtung keine oder nur eine minimale Streuung auftritt.
Wie aus 4 und 5 schematisch hervorgeht, ist die Lichtquelle 24 dazu eingerichtet, Licht in einem vorbestimmten Abstrahlwinkel auszusenden, das über die Lichteinkopplungsfläche 32 in das optische Element 28 eingekoppelt wird. Das eingekoppelte Licht wird über den Lichtleitungskörper 33 zu der Lichtauskopplungsfläche 34 geleitet und aus der Lichtauskopplungsfläche 34 in die Lichtleiterschicht 19 ausgekoppelt. Innerhalb der Lichtleiterschicht 19 verteilt sich das Licht, wobei ein beispielhafter Lichtpfad mit der Bezugsziffer 40 gekennzeichnet ist, und wird durch eine Lichtauskopplungsschicht 39 aus der Lichtleiterschicht 19 beispielsweise in einen Innenraum eines Fahrzeuges und/oder einen sonstigen Raum ausgekoppelt.
In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines optischen Elements 28 in drei unterschiedlichen Ausführungen gezeigt. Die Ausführungen unterscheiden sich, von oben nach unten betrachtet, in der Art und Ausformung der Lichteinkopplungsfläche 32. Die obere Lichteinkopplungsfläche 32 der drei Ausführungen aus 6 ist nicht gewölbt, sondern umfasst zur Bereitstellung der erfindungsgemäßen Streuung lediglich die Lichtdiffusorschicht 35 mit der durch eine Schraffur schematisch angedeuteten optischen Streustruktur 38. Die mittige Ansicht in 6 zeigt eine Lichteinkopplungsfläche 32, die eine einzige Wölbung um die y-Achse sowie die Lichtdiffusorschicht 35 mit der durch eine Schraffur schematisch angedeuteten optischen Streustruktur 38 umfasst. Die Wölbung ist ausgehend von dem optischen Element konvex. Gemäß der unteren Ausführung des optischen Elements 28 in 6 umfasst die Lichteinkopplungsfläche 32 die erfindungsgemäße Doppelwölbung sowie die Lichtdiffusorschicht 35 mit der durch eine Schraffur schematisch angedeuteten optischen Streustruktur 38, also eine Kombination aus beiden erfindungsgemäßen Möglichkeiten.
In 7 sind zwei Nahaufnahmen bzw. Detailaufnahmen einer Lichtdiffusorschicht 35 dargestellt, bei denen sich die optische Streustruktur 38 unterscheidet. Beispielsweise ist in der linken Darstellung die optische Streustruktur 38 mit einem Laser in die Oberfläche der Lichteinkopplungsfläche 32 des optischen Elements 28 eingebracht und weist eine asymmetrische Zackung mit unterschiedlichen Höhen entlang der y-Achse auf. In der rechten Darstellung der Lichtdiffusorschicht 35 der Lichteinkopplungsfläche 32 weist die optische Streustruktur 38 entlang der y-Achse einen symmetrischen, wellenförmigen Verlauf auf. Grundsätzlich kann es sich bei der Lichtdiffusorschicht 35 und/oder der optischen Streustruktur 38 um einen linearen Diffusor handeln. Dabei ist es bevorzugt, wenn durch die Lichtdiffusorschicht 35 das Licht vor allem in y-Richtung gestreut und/oder aufgefächert wird, jedoch eine derartige Streuung nicht oder nur minimal in z-Richtung stattfindet. Die optische Streustruktur 38 kann eine Mikro- oder Nanostruktur sein. Besonders bevorzugt ist die optische Streustruktur 38 durch eine Negativform in einem Spritzgießwerkzeug in das optische Element 28 eingeformt. Alternativ oder ergänzend ist die optische Streustruktur 38 durch eine Laserstrukturierung hergestellt. Alternativ oder ergänzend ist die optische Streustruktur 38 durch eine lithografische Elektroformung oder Prägung oder Unterlegscheibe in die Lichteinkopplungsfläche 32 eingeformt.
Bezugszeichenliste

10: Fahrzeugdach
12: Deckelelement
13: Scheibenkörperanordnung
14: Festdachelement
15: Fahrzeugscheibe
16: Scheibenaußenkörper
18: Scheibeninnenkörper
19: Lichtleiterschicht
20: Verbindungsschicht
21: Außenseite
22: Beleuchtungseinrichtung
23: Innenseite
24: Lichtquelle
28: optisches Element
30: Hauptabstrahlrichtung bzw. Haupteinkopplungsrichtung
32: Lichteinkopplungsfläche
33: Lichtleitungskörper
34: Lichtauskopplungsfläche
35: Lichtdiffusorschicht
36: Konkavwölbung
37: Konvexwölbung
38: optische Streustruktur
39: Lichtauskopplungsschicht
40: Lichtpfad
B: Fahrzeugbreitenrichtung
L: Fahrzeuglängsrichtung
x: Normalenachse
y: Längsachse
z: Querachse

Claims

Optisches Element (28), insbesondere optisches Prisma, umfassend mindestens eine Lichteinkopplungsfläche (32), einen Lichtleitungskörper (33) und mindestens eine Lichtauskopplungsfläche (34), dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Lichteinkopplungsfläche (32) mindestens eine Lichtdiffusorschicht (35) und/oder mindestens eine Doppelwölbung umfasst.
Optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die mindestens eine Lichteinkopplungsfläche (32) entlang einer Längsachse y und entlang einer Querachse z erstreckt, wobei die Längsachse y und die Querachse z orthogonal zueinander und jeweils orthogonal zu einer Normalenachse x der mindestens einen Lichteinkopplungsfläche (32) ausgerichtet sind, wobei die Querachse z im Wesentlichen eine Normale zu der Lichtauskopplungsfläche (34) ausbildet, und wobei die Doppelwölbung eine Konkavwölbung (36) um die Querachse z und eine Konvexwölbung (37) um die Längsachse y umfasst.
Optisches Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Normalenachse x eine Symmetrieachse zu der doppeltgewölbten Lichteinkopplungsfläche (32) ausbildet.
Optisches Element nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Konvexwölbung (36) und die Konkavwölbung (37) entlang einer zu der Normalenachse x parallel ausgerichteten Haupteinkopplungsrichtung (30) von Licht bezeichnet sind.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichteinkopplungsfläche (32) eine um die Querachse z konkav geformte Kollimatorlinse ausbildet, die um die Längsachse y konvex ausgeformt ist.
Optisches Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtdiffusorschicht (35) eine optische Streustruktur (38) umfasst, die vorzugsweise strukturierte und/oder unstrukturierte optische Störstellen und/oder eine optische Gitterstruktur und/oder ein BRAG-Gitter und/oder optische Streustellen und/oder optische Streupartikel und/oder eine Vielzahl von Mikro- und/oder Nanolinsen aufweist.
Optisches Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Lichtdiffusorschicht (35), insbesondere die optische Streustruktur (38) und/oder die Doppelwölbung, eine Lichtstreuung in mindestens eine vorbestimmte Raumrichtung x, y, z determiniert ist.
Optisches Element nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtdiffusorschicht (35) eine Lichtdiffusorfolie umfasst, die auf die Lichteinkopplungsfläche (32) aufgebracht ist, und/oder dass die Lichtdiffusorschicht (35) auf die Lichteinkopplungsfläche (32) aufgeprägt und/oder aufgedruckt und/oder aufgedampft ist und/oder durch eine Erhitzung einer Oberfläche der Lichteinkopplungsfläche (32) erzeugt ist.
Fahrzeugscheibe (15) und/oder Scheibenlaminat, an der/dem mindestens ein optisches Element (28) nach einem der vorstehenden Ansprüche angeordnet ist.
Optisches System, umfassend mindestens ein optisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und mindestens eine Lichtquelle (24), insbesondere eine LED-Lichtquelle, wobei die Lichtquelle (24) dazu eingerichtet ist, Licht auszusenden, das über die Lichteinkopplungsfläche (32) in das optische Element (28) einkoppelbar ist, wobei das eingekoppelte Licht über den Lichtleitungskörper (33) zu der Lichtauskopplungsfläche (34) leitbar ist und aus der Lichtauskopplungsfläche (34) auskoppelbar ist.
Fahrzeugscheibe (15) und/oder Scheibenlaminat, umfassend eine Lichtleiterschicht (19) und mindestens ein optisches System nach Anspruch 10, wobei das mindestens eine optische Element (28) an einer Seite (23) der Lichtleiterschicht (19) angeordnet ist, so dass aus der Lichtauskopplungsfläche (34) ausgekoppeltes Licht in die Lichtleiterschicht (19) einkoppelbar ist.