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Die vorliegende Erfindung betrifft eine zur Emission von Licht eingerichtete Vorrichtung für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine solche Vorrichtung ist per se bekannt und weist eine Lichtquelle und eine optische Teilvorrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, von der Lichtquelle ausgehendes Licht zu erfassen und abzustrahlen.
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Beispiele solcher Vorrichtungen sind Kraftfahrzeugscheinwerfer und Signalleuchten sowie Lidarsensoren. Solche Vorrichtungen weisen optische Teilvorrichtungen auf, die wenigstens ein reflektierendes Element oder wenigstens ein herkömmliches lichtbrechendes Element aus Kunststoff (z.B. aus Polymer) oder Glas als Licht der Lichtquelle erfassende und ggf. strahlformende (z.B. bündelnde) sowie abstrahlendes optisches Element aufweisen. Ein Lidarsensor ist zum Beispiel aus der
EP 3 964 860 1 bekannt.
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Vor einigen Jahren erschienen erste wissenschaftliche Veröffentlichungen zum Konzept sogenannter Meta-Linsen. Eine Meta-Linse besteht zum Beispiel aus einer dünnen Stützstruktur aus transparentem Kunststoff, auf der sich eine metallische Nanostruktur befindet. Ein Überblick über bekannte Prinzipien, Funktionen und Anwendungen optischer Meta-Linsen ist der Veröffentlichung Adv. Optical Mater. 2021, 9, 2001414 zu entnehmen.
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Im Unterschied zu den herkömmlichen Linsen beruht eine lichtbündelformende Wirkung der Meta-Linsen auf dielektrischen oder plasmonischen Effekten, die sich aus der Wechselwirkung von Licht mit der metallischen Nanostruktur beim Durchtritt des Lichtes durch die Meta-Linse einstellen.
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Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich von der eingangs genannten, per se bekannten Vorrichtung durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1. Dieser Teil sieht vor, dass die optische Teilvorrichtung wenigstens eine Meta-Linse aufweist.
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Vorteile ergeben sich aus dem folgenden Vergleich
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Bei den eingangs genannten Vorrichtungen als lichtbrechende optische Elemente verwendete Linsen werden allgemein als sogenannte dicke Linsen betrachtet. Ihre Dicke beträgt wenigstens einige Millimeter und kann bis zu mehreren Zentimetern betragen. Das Ausmaß ihrer lichtbrechenden Wirkung hängt von dem Brechungsindex ihres Materials und der geometrischen Form ihrer lichtbrechenden optischen Grenzflächen ab.
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Im Gegensatz dazu wird die Dicke der Meta-Linsen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen in Mikrometern gemessen und beträgt daher nur einen Bruchteil der Dicke herkömmlich verwendeter Linsen. Entsprechend kann die erfindungsgemäße Vorrichtung bei gleicher Strahlformungswirkung wesentlich kleiner ausfallen als ihrer Wirkung nach vergleichbare herkömmliche Vorrichtungen, was mit Blick auf einen anzustrebenden geringen Einbauraumbedarf von Vorteil ist.
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Meta-Linsen weisen Eigenschaften auf, die von natürlich gebildeten Materialien nicht bekannt sind. Ein Beispiel einer solchen Eigenschaft besteht darin, dass ein Lichtstrahl beim Durchtritt durch eine Grenzfläche so gebrochen wird, dass der gebrochene Strahl auf der gleichen Seite der Grenzflächennormalen bleibt wie der einfallende Strahl.
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Derzeit verwendete optische Teilvorrichtungen der eingangs genannten Art sind im Vergleich zu der Erfindung voluminös und benötigen ein vergleichsweise großes Volumen an Beschichtungsmaterial und Kunststoffbasismaterial. Sie ermöglichen nur einfache Lichtformungen. Glaslinsen sind in ihrer Formbarkeit begrenzt und erfordern bei ihrer Herstellung einen signifikanten Material- und Kostenaufwand. Dicke Kunststofflinsen sind ebenfalls groß und voluminös. Sie benötigen bei ihrer Herstellung entsprechend viel Material und weisen in der Regel mehr optische Aberrationen als Glaslinsen auf. Fresnellinsen aus Kunststoff erfordern ebenfalls mehr Material und Raum als Meta-Linsen und haben ebenfalls optische Aberrationen.
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Im Gegensatz dazu sind Meta-Linsen deutlich kleiner als herkömmliche strahlformende optische Elemente in Beleuchtungsvorrichtungen für Kraftfahrzeuge, sodass der zu ihrer Herstellung benötigte Materialaufwand entsprechend kleiner ausfällt.
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Meta-Linsen basieren auf komplexen Nanostrukturen, die eine große Variationsvielfalt aufweisen. Diese führt zu einer großen Vielfalt an Strahlformungsmöglichkeiten, ohne dass dazu komplexe elektronische oder mechanische Vorrichtungen in der Beleuchtungseinrichtung erforderlich sind.
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Im Ergebnis erlaubt die Verwendung von Meta-Linsen aufgrund ihrer im Vergleich zu herkömmlichen Strahlformungselementen geringen Größe neuartig konstruierte Beleuchtungseinrichtungen.
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Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe einer zur Emission von Licht eingerichteten Vorrichtung für ein Kraftfahrzeug, welche die vorstehend genannten Nachteile vermeidet oder verringert und die vorstehend genannten Vorteile eines geringeren Platz- und Materialbedarfs, einer Vermeidung von Aberrationen und einer großen Vielfalt an Strahlformungsmöglichkeiten aufweist. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Vorrichtung eine Beleuchtungsvorrichtung ist.
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Bevorzugt ist auch, dass die Beleuchtungsvorrichtung ein Scheinwerfer ist.
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Weiter ist bevorzugt, dass die Beleuchtungsvorrichtung eine Signalleuchte ist.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Vorrichtung ein Lidarsensor ist.
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Bevorzugt ist auch, dass die Meta-Linse eine formstabile Trägerschicht aus transparentem Material und eine darauf liegende metallische Nanostruktur aufweist.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich durch einen formstabilen mechanischen Halter aus, der die Meta-Linse in wenigstens einer relativ zu der Lichtquelle festen Position hält.
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Weiter ist bevorzugt, dass der formstabile mechanische Halter die Meta-Linse in genau einer relativ zu der Lichtquelle festen und damit starren Position hält.
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Bevorzugt ist auch, dass der formstabile mechanische Halter ein steuerbares Verstellelement aufweist, mit dem die Meta-Linse in wenigstens zwei voneinander verschiedenen festen Positionen festhaltbar ist.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass gekennzeichnet, dass das steuerbare Verstellelement ein piezo-elektrischer Steller ist.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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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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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
- 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Schnitt;
- 2 eine Ansicht einer Meta-Linse aus einer der Hauptabstrahlrichtung z entgegengesetzten Blickrichtung;
- 3 die Meta-Linse aus den 1 und 2 in einer Seitenansicht;
- 4 eine Ausgestaltung, bei welcher der formstabile mechanische Halter ein steuerbares Verstellelement aufweist;
- 5 den Einbauraumbedarf einer mit einer herkömmlichen Linse ausgerüsteten Beleuchtungseinrichtung in einer Draufsicht;
- 6 den Einbauraumbedarf einer erfindungsgemäßen, mit einer Meta-Linse ausgerüsteten Beleuchtungseinrichtung in einer Draufsicht;
- 7 eine Funktionsblockdarstellung eines scannenden Lidarsensors; und
- 8 eine Funktionsblockdarstellung eines Flash-Lidarsensors.
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Im Einzelnen zeigt die 1 eine zur Emission von Licht eingerichtete Vorrichtung 10 für ein Kraftfahrzeug. Die Vorrichtung 10 weist eine Lichtquelle 12 und eine optische Teilvorrichtung 14 auf, die dazu eingerichtet ist, von der Lichtquelle 12 ausgehendes Licht 16 zu erfassen und abzustrahlen. Die optische Teilvorrichtung 14 weist wenigstens eine Meta-Linse 18 auf.
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Die Vorrichtung 10 ist zum Beispiel eine Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere ein Scheinwerfer oder eine Signalleuchte oder ein Lichtmodul für einen Scheinwerfer oder eine Signalleuchte. Besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung, in der die Vorrichtung ein Lidarsensor ist.
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Die Vorrichtung 10 weist eine Trägerstruktur 20 auf, die zum Beispiel ein Gehäuse oder ein Teil des Gehäuses der Vorrichtung 10 ist und an welcher die übrigen Teile direkt oder indirekt befestigt sind. Weiter weist die Vorrichtung 10 eine Leiterplatte 22 auf, an der die Lichtquelle 12 mechanisch befestigt ist. Die Leiterplatte 22 ist ihrerseits über elektrisch leitende Verbindungen 23 mit einem Steuergerät 21 verbindbar, das zur Steuerung der Vorrichtung 10 eingerichtet ist. Das Steuergerät 21 kann ein Teil der Vorrichtung 10 oder ein externes Steuergerät 21 sein. Die Lichtquelle 12 ist bevorzugt eine Halbleiterlichtquelle, die eine Leuchtdiode oder mehrere Leuchtdioden oder eine Laserdiode oder mehrere Laserdioden aufweist und die mittels der Leiterplatte 22 elektrisch mit dem Steuergerät 21 verbunden oder verbindbar ist.
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Ein formstabiler mechanischer Halter 24 ist mechanisch mit der Leiterplatte 22 und/oder der Trägerstruktur 20 verbunden und hält die optische Teilvorrichtung 14 in einer bezüglich ihrer Anordnung zur Lichtquelle 12 unveränderlichen Position fest. Diese Position zeichnet sich dadurch aus, dass die optische Teilvorrichtung 14 dazu eingerichtet ist, von der Lichtquelle 12 ausgehendes Licht 16 zu erfassen und abzustrahlen. Die Abstrahlung erfolgt in einem Lichtbündel, das eine Hauptabstrahlrichtung aufweist. Die Hauptabstrahlrichtung ist die z-Richtung eines rechtwinklig-rechtshändigen Koordinatensystems mit den weiteren Richtungen x und y. Eine Lichtaustrittsfläche der Lichtquelle 12, ist parallel zu der x-Richtung und parallel zu der y-Richtung ausgerichtet.
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2 zeigt eine Ansicht einer Meta-Linse 18 aus einer der Hauptabstrahlrichtung z entgegengesetzten Blickrichtung zusammen mit einem vergrößerten Detail, das einen Ausschnitt 25 aus einem Beispiel eines Feldes von Nanoantennen 26 zeigt.
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Die Meta-Linse 18 ist eine flache optische Vorrichtung, die ein Feld von künstlichen Antennen aufweist, deren Abmessungen wenige Nanometer betragen und die deshalb auch als Nanoantennen 26 bezeichnet werden können. Das Feld ist durch die Form, Anordnung und stoffliche Zusammensetzung der Nanoantennen 26 dazu geeignet, Phasen und/oder Amplituden und/oder Polarisationen einfallender Lichtwellen so zu beeinflussen, dass sich angestrebte optische Effekte wie eine Fokussierung der Lichtwellen ergeben. Wie eingangs erwähnt, sind Prinzipien, Funktionen und Anwendungen optischer Meta-Linsen im Prinzip bekannt.
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3 zeigt die Meta-Linse 18 aus den 1 und 2 in einer Seitenansicht. Die Meta-Linse 18 weist eine formstabile Trägerschicht 28 aus transparentem Material und eine darauf liegende metallische Nanostruktur 30 auf. Die metallische Nanostruktur 30 wird zum Beispiel durch das Feld der Nanoantennen 26 gebildet.
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Soweit wie bis hier beschrieben, hält der formstabile mechanische Halter 24 die Meta-Linse 18 in wenigstens einer relativ zu der Lichtquelle 12 festen Position. Dabei handelt es sich um einen starren Halter, der die Meta-Linse 18 in genau einer relativ zu der Lichtquelle 12 festen und damit starren Position hält.
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4 zeigt eine Ausgestaltung, bei welcher der formstabile mechanische Halter 24 ein steuerbares Verstellelement 32 aufweist, mit dem die optische Teilvorrichtung 14, die wenigstens eine Meta-Linse 18 aufweist, in wenigstens zwei voneinander verschiedenen festen Positionen festhaltbar ist. Das steuerbare Verstellelement 32 ist zum Beispiel ein piezo-elektrischer Steller, mit dem der Abstand zwischen der Lichtquelle 12 und der Meta-Linse 18 in der z-Richtung verstellbar ist, um zum Beispiel eine Feineinstellung des Brennpunktes der Meta-Linse 18 zu erlauben.
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5 veranschaulicht qualitativ den Einbauraumbedarf einer herkömmlichen, mit einer handelsüblichen dicken Linse 34 aus transparentem Kunststoff oder Glas ausgerüsteten Beleuchtungseinrichtung in einer Draufsicht und einer Blickrichtung, die quer zu der y-Richtung und quer zu der Hauptabstrahlrichtung z liegt.
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6 veranschaulicht qualitativ den Einbauraumbedarf einer Meta-Linse 18 in einer Draufsicht und einer Blickrichtung, die quer zu der y-Richtung und quer zu der Hauptabstrahlrichtung z liegt.
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Ein Vergleich der 5 und 6 veranschaulicht den Vorteil der Erfindung, der unter anderem in einem geringeren Einbauplatzbedarf der eine Meta-Linse 18 aufweisenden optischen Teilvorrichtung 14 besteht. Die elektrischen Komponenten, die beispielsweise Leiterplatten 22 sein können, sind in beiden Fällen gleich.
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7 zeigt eine Funktionsblockdarstellung eines scannenden Lidarsensors als Ausführungsbeispiel einer zur Emission von Licht eingerichtete Vorrichtung 10 für ein Kraftfahrzeug. Der Lidarsensor weist eine Lichtquelle 12 und eine optische Teilvorrichtung 14 auf, die von der Lichtquelle 12 ausgehendes Licht 16 erfasst und abstrahlt. Die optische Teilvorrichtung 14 weist eine erste Strahlformungsoptik 36, einen rotierenden Spiegel 38 und eine zweite Stahlformungsoptik 40 auf. Die erste Strahlformungsoptik 36 fokussiert und richtet Licht 16 der Lichtquelle 12 auf den rotierenden Spiegel 38, der den vom Spiegel 38 ausgehenden Lichtstrahl in einer ersten Ebene, bspw. in der y-z-Ebene schwenkt. Eine zweite Strahlformungsoptik 40 schwenkt den vom rotierenden Spiegel 38 ausgehenden Lichtstrahl zusätzlich in der zweiten Ebene, die quer zu der ersten Ebene orientiert ist und die zum Beispiel die x-y-Ebene ist. Die optische Teilvorrichtung 14 weist weiter eine Detektoroptik 42 auf, mit der von Objekten reflektierte Lichtstrahlen 44 der zweiten Strahlformungsoptik 40 auf einen Detektor 46 gerichtet werden. Die Steuerung der Lichtstrahlerzeugung und die Auswertung der vom Detektor 46 erfassten reflektierten Lichtstrahlen 44 erfolgt durch das Steuergerät 21.
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8 zeigt eine Funktionsblockdarstellung eines Flash-Lidarsensors als weiteres Ausführungsbeispiel einer zur Emission von Licht eingerichtete Vorrichtung 10 für ein Kraftfahrzeug. Der Lidarsensor weist eine Lichtquelle 12 und eine optische Teilvorrichtung 14 auf, die von der Lichtquelle 12 ausgehendes Licht 16 erfasst und als aufgeweitetes Bündel 48 abstrahlt. Dazu weist die optische Teilvorrichtung 14 eine den Strahl aufweitende Strahlformungsoptik 50 auf. Die Aufweitung erfolgt quer zu der Hauptabstrahlrichtung z bevorzugt sowohl in x-Richtung als auch in y-Richtung. Die optische Teilvorrichtung 14 weist weiter eine Detektoroptik 42 auf, mit der von Objekten reflektierte Lichtstrahlen 44 der aufweitenden Strahlformungsoptik 50 auf einen Detektor 46 gerichtet werden. Die Steuerung der Lichtstrahlerzeugung und die Auswertung der vom Detektor 46 erfassten reflektierten Lichtstrahlen 44 erfolgt durch das Steuergerät 21.
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Sowohl für die scannenden als auch für die Flash-Lidarsensoren gilt, dass deren Strahlformungsoptiken 36, 40, 50 in praktischen Realisierungen eine Vielzahl von optisch in einem Strahlengang hintereinander geschalteten Linsen aufweisen. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung sind zumindest eine, bevorzugt jedoch mehrere und besonders bevorzugt alle Linsen des jeweiligen Lidarsensors als Meta-Linsen realisiert. Bevorzugt ist auch, dass die Linse, durch die Licht aus der Vorrichtung 10 austritt oder eintritt, als einzige Linse der Vorrichtung 10 keine Meta-Linse ist, sondern aus Glas oder Kunststoff besteht und somit als Schutz für die im Strahlengang nachfolgende(n) Meta-Linse(n) vor mechanischer Beschädigung dient.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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