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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeugleuchte, die eine Trägerplatte aus einem lichtdurchlässigen Material mit einer Rückseite, über die Licht in die Trägerplatte einkoppelbar ist, und einer gegenüberliegenden Vorderseite, über die Licht aus der Trägerplatte auskoppelbar ist, und mindestens eine Lichtquelle umfasst, die zum Aussenden von Licht in Richtung der Rückseite der Trägerplatte ausgebildet und angeordnet ist, sodass zumindest ein Teil des ausgesandeten Lichts über die Rückseite in die Trägerplatte einkoppelt und über die Vorderseite wieder auskoppelt.
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Die Kraftfahrzeugleuchte ist zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug ausgebildet. Die Leuchte kann an einer Vorderseite, einer Seite oder einer Rückseite des Kraftfahrzeugs montiert sein. Sie ist ausgebildet, eine Leuchtenfunktion gemäß den einschlägigen gesetzlichen Vorgaben zu erzeugen. Die Leuchtenfunktion kann bspw. ein Tagfahrlicht, ein Blinklicht, ein Positions- oder Standlicht, eine Seitenmarkierungsfunktion, ein Rücklicht, ein Bremslicht, ein Nebelschlusslicht, ein Rückfahrlicht o.ä. sein. Auch eine Verwendung der Leuchte im Außenbereich als reine Dekorations- oder Designleuchte wäre denkbar (z.B. zur Beleuchtung eines Kühlergrills). Ebenso wäre eine Verwendung der Leuchte in einem Kraftfahrzeuginnenraum denkbar. Dabei kann die Leuchte die Funktion einer Ambientebeleuchtung, Dekorationsbeleuchtung, Leseleuchte, oder Innenraumleuchte erfüllen. Die Kraftfahrzeugleuchte soll insbesondere in der Lage sein, bei einem Betrachter, der auf die Leuchte blickt, einen 3D-Effekt zu erzeugen.
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Neben 3D-Displays, die zusätzliche Hilfsmittel erfordern, sind aus dem Stand der Technik Ansätze bekannt, die bei einem Betrachter ohne Verwendung einer 3D-Brille einen Eindruck von räumlicher Tiefe erzeugen können. Dabei kann der 3D-Effekt auf unterschiedliche Weise erzeugt werden. Nachfolgend sind beispielhaft einige solcher 3D-Displays kurz umrissen.
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Autostereoskopische Displays verwenden spezielle optische Schichten oder Linsen, die das Licht in verschiedene Richtungen lenken. Dadurch können unterschiedliche Bilder oder Perspektiven für das linke und rechte Auge erzeugt werden, sodass ein räumlicher Eindruck entsteht, wenn der Betrachter das Display aus bestimmten Blickwinkeln betrachtet. Es gibt verschiedene Arten autostereoskopischer Displays, darunter Linsenraster, Parallaxe-Barrieren, holographische Displays und andere.
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Linsenraster- bzw. Lenticular-Displays verwenden spezielle Linsen (z.B. Zylinderlinsen), um das Licht in verschiedene Richtungen zu lenken und so unterschiedliche Bilder für das linke und rechte Auge zu erzeugen. Jede Linse deckt normalerweise mehrere Pixel ab. Wenn ein Bild auf den Bildschirm angezeigt wird, wird es durch die Linsen in mehrere Ansichten aufgeteilt, die in verschiedene Richtungen ausgestrahlt werden. Dies ermöglicht es, dass jedes Auge des Betrachters ein anderes Bild wahrnimmt, was einen 3D-Effekt erzeugt, wenn der Betrachter das Display aus einer bestimmten Position betrachtet. Dies ermöglicht den 3D-Effekt ohne Brille. Eine ähnliche Technologie wird auch bei Lenticular-Layern verwendet, die auf konventionelle Flachbildschirme aufgebracht werden können, um einen 3D-Effekt zu erzeugen.
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Parallaxe-Barrieren-Displays verwenden schmale, parallele Barrieren aus lichtdurchlässigen Materialien, die zwischen dem Display und dem Betrachter positioniert sind. Die Barrieren haben schmale Schlitze oder Streifen, die das Licht in verschiedene Richtungen durchlassen. Dadurch entstehen verschiedene Bilder für das linke und rechte Auge, wenn der Betrachter das Display aus unterschiedlichen Blickwinkeln betrachtet. Dies erzeugt einen 3D-Effekt.
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Holographische Displays basieren auf Interferenz bzw. Lichtbeugung, wodurch ein dreidimensionales Bild erzeugt wird. Diese Technologie ist komplex und erfordert oft aufwendige optische Systeme, aber sie erzeugt einen 3D-Effekt ohne die Notwendigkeit einer Brille.
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3D-Displays, die einen 3D-Effekt ohne Brille erzeugen können, haben in der Regel ihren optimalen Betrachtungswinkel, sodass der 3D-Effekt nicht aus allen Richtungen gleich gut sichtbar ist. Der Betrachter muss sich daher oft in einer bestimmten Position befinden, um das volle räumliche Erlebnis zu erfahren. Geringe Abweichungen um einige Winkelgrad (bis zu +/- 30°) von der Idealposition des Betrachters trüben das 3D-Erlebnis in der Regel jedoch nicht nennenswert.
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In Yasuhiro Takaki: „High-Density Directional Display for Generating Natural Three-Dimensional Images" in Proceedings of the IEEE, Vol. 94, Nr. 3, S. 634-663, März 2006 wird ein sog. „High-Densitiy Directional Display“ beschrieben, welches nach der Art eines Lichtfeld-Displays funktioniert, das in verschiedene Richtungen gleichzeitig unterschiedliche Informationen darstellen kann. Das bekannte Display ist so aufgebaut, dass darauf eine Vielzahl von gerichteten Lichtquellen positioniert sind, die gruppenweise und aus verschiedenen Richtungen auf Punkte, Linien oder ObjektKonturen im Raum (sowohl vor als auch auf und hinter dem Display) gebündelt bzw. ausgerichtet sind. So werden für den Betrachter, der sich vor diesem Display befindet und es betrachtet, Punkte, Linien bzw. Konturen von 3D-Objekten wahrnehmbar, ohne zusätzliche Hilfsmittel (z.B. eine 3D-Brille).
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In Yasuhiro Takaki: „High-Density Directional Display for Generating Natural Three-Dimensional Images“ wird vorausgesetzt, dass die gerichteten Strahlen (Lichtbündel) einen Öffnungswinkel in der Größenordnung von etwa 0,2° bis 0,4° haben, so dass beide Augen des Betrachters darauf akkommodieren (fokussieren) und darauf konvergieren (sich darauf ausrichten) können. Dadurch wird die Wahrnehmung als natürlich angenehm empfunden, im Unterschied zu anderen bekannten 3D-Display-Typen, bei denen jedes Auge direkt auf das Display fokussiert, aber dafür beide Augen auf Positionen vor oder hinter dem Display konvergieren müssen und dabei oft ein Gefühl von Unwohlsein entstehen kann. Außerdem wird durch das bekannte „High-Density Directional Display“ auch eine subjektive Wahrnehmung von Motion Parallaxe ermöglicht, da bei dieser Art von 3D-Display die gewohnte, räumliche Positionszuordnung von Punkten, Linien bzw. Objektkonturen auf natürliche Art und Weise erfolgt, so dass sich dichter am Betrachter befindliche Punkte, Linien bzw. Objektkonturen schneller vorbei zu bewegen scheinen, als jene, die vom Betrachter weiter entfernt sind, wenn er seine Betrachtungsposition ändert.
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In Yasuhiro Takaki: „Super multi-view display with a lower resolution flat-panel display" in Optics Express, Vol 19, Nr. 5, 28. Februar 2011 wird ein Lenticular (Linsen-basiertes) Super View Display beschrieben, welches eine Umsetzung als Low-Resolution Flat Panel erlauben würde. In beiden beschriebenen Ansätzen von Yasuhiro Takaki werden eine Vielzahl von miniaturisierten Projektionsdisplays als Basiselemente für die Erzeugung eines Super View- bzw. Lichtfeld-Displays vorausgesetzt.
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In Hakan Urey, Erdem Erden: „State of the Art in Stereoscopic and Autostereoscopic Displays", Proceedings of the IEEE, Vol. 99, Nr. 4, April 2011 werden sowohl die oben beschriebenen Ansätze von Yasuhiro Takaki als auch andere 3D-Display-Typen vorgestellt.
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In
US 2014/ 268 327 A1 werden 3D-Displays beschrieben, die auf der Basis von gewölbten reflektierenden oder Licht brechenden Strukturen auf der Display-Platte funktionieren, die auf Punkte, Linien oder Objektkonturen fokussieren können, wodurch für den Betrachter ein 3D-Eindruck erzeugt werden kann. Diese Strukturen können sowohl in die Display-Platte vertieft, als auch aus der Display-Platte heraus erhaben ausgeformt sein. Die Display-Platte kann dabei durchleuchtet werden.
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In
US 2017/ 192 244 A1 wird der Aufbau einer Lichtleiterplatte beschrieben. Licht wird seitlich über eine Seitenfläche in die Lichtleiterplatte eingekoppelt. Auf der Rückseite befindet sich eine Vielzahl von in der Platte vertieften Prismen-Strukturen, die über ihre der Lichtquelle zugewandten Umlenkseiten mittels Totalreflektion das in die Lichtleiterplatte eingekoppelte und mittels Totalreflexion (TIR) in der Lichtleiterplatte propagierende Licht zu der gegenüberliegenden Vorderseite (Auskoppelseite oder Lichtaustrittsseite) der Lichtleiterplatte umlenken und auf Punkte, Linien bzw. Objektkonturen bündeln bzw. fokussieren. Damit kann ein Super-View- bzw. ein Lichtfeld-Display realisiert werden. Eine Anwendungsmöglichkeit eines solchen 3D-Displays ist bspw. in der
US 2022/ 406 230 A1 vorgestellt.
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In
DE 10 2017 200 112 A1 wird eine linsenbasierte Lösung für ein 3D-Display zur Erzeugung eines 3D-Effekts beim Betrachter ohne 3D-Brille vorgestellt. In der
DE 10 2021 108 339 A1 wird ebenfalls eine linsenbasierte 3D-Display-Variante (sog. Lichtfeld-Display) erläutert.
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Ein prinzipieller Nachteil von Kraftfahrzeugleuchten, bei denen die Trägerplatte als Lichtleiter genutzt wird, in den Licht eingekoppelt, mittels Totalreflexion darin propagiert und schließlich mittels Auskoppelelemente ausgekoppelt wird, ist die relativ niedrige Effizienz, insbesondere die geringe Auskoppeleffizienz.
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Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kraftfahrzeugleuchte der eingangs genannten Art dahingehend auszugestalten und weiterzubilden, dass sie eine höhere Effizienz aufweist als die bekannten Leuchten.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Kraftfahrzeugleuchte mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Insbesondere wird ausgehend von der Kraftfahrzeugleuchte der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass
- - die Kraftfahrzeugleuchte mehrere Lichtquellen umfasst, die derart ausgebildet und bezüglich der Trägerplatte angeordnet sind, dass von den Lichtquellen ausgesandtes Licht die Rückseite der Trägerplatte in einem Einfallswinkel (α) einer Hauptabstrahlrichtung des Lichts bezüglich einer Flächennormalen der Trägerplatte von kleiner als 45° ausleuchtet,
- - auf der Rückseite und/oder der Vorderseite der Trägerplatte eine Vielzahl von bezüglich einer Flächenerstreckung der Trägerplatte geneigten Umlenkflächen ausgebildet sind, umfassend geneigte Eintrittsflächen auf der Rückseite der Trägerplatte, über die von der mindestens einen Lichtquelle ausgesandtes Licht in die Trägerplatte einkoppelbar ist, und/oder Austrittsflächen auf der Vorderseite der Trägerplatte, über die eingekoppeltes Licht wieder auskoppelbar ist,
- - wobei die Eintrittsflächen und/oder die Austrittsflächen in einer oder mehreren Gruppen zusammengefasst sind, wobei die Eintrittsflächen und/oder die Austrittsflächen einer Gruppe ausgebildet sind, durch die Trägerplatte hindurchtretende Lichtstrahlen des ausgesandten Lichts in einem gemeinsamen Brennpunkt oder einer gemeinsamen Brennlinie zu bündeln, sodass für einen Betrachter bei einem Blick auf die Vorderseite der Trägerplatte virtuelle Lichtpunkte oder Lichtlinien oder Konturen von virtuellen Objekten sichtbar sind.
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Die Trägerplatte besteht aus einem lichtdurchlässigen, vorzugsweise einem transparenten Material, besonders bevorzugt einem Kunststoff, insbesondere PC (Polycarbonat) oder PMMA (Polymethylmetacrylat). Die Trägerplatte kann eine ebene oder eine gewölbte Flächenerstreckung aufweisen. Eine Wölbung der Trägerplatte kann zweidimensional um eine Achse (z.B. Kreiszylindermantelfläche) oder aber dreidimensional um einen Punkt (z.B. Kugelsegmentfläche) ausgebildet sein. Die gewölbte Trägerplatte kann an verschiedenen Punkten unterschiedliche Radien zu der Achse bzw. dem Punkt aufweisen, sodass sich bspw. eine elliptische Zylindermantelfläche, Ellipsoidsegmentfläche oder eine gewölbte Freiformfläche ergibt.
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Bei der erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte findet keine Totalreflexion in der Trägerplatte statt. Vielmehr gelangen die über die Eintrittsflächen eingekoppelten Lichtstrahlen des von der mindestens einen Lichtquelle ausgesandten Lichts ohne Totalreflexion und ohne mehrfache Umlenkung an einer der Grenzflächen der Trägerplatte direkt zu der Vorderseite der Trägerplatte, wo sie ausgekoppelt werden. Geneigte Umlenkflächen können an der Rückseite der Trägerplatte und/oder an der Vorderseite der Trägerplatte ausgebildet sein. Ein Umlenken der Lichtstrahlen beim Durchtritt durch die Trägerplatte erfolgt bei der Erfindung ausschließlich durch Brechung des Lichts an den Eintrittsflächen beim Eintritt in die Trägerplatte und/oder an den Austrittsflächen beim Austritt aus der Trägerplatte.
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Je nach (z.B. ebener oder gewölbter) Ausgestaltung der Eintrittsflächen und/oder der Austrittsflächen bzw. deren Neigung bezüglich der Flächenerstreckung der Trägerplatte befinden sich die virtuellen Lichtpunkte oder Lichtlinien oder die Konturen von virtuellen Objekten für den Betrachter bei dem Blick auf die Vorderseite der Trägerplatte vor, auf oder hinter der Vorderseite der Trägerplatte.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Eintrittsflächen und/oder die Austrittsflächen einer Gruppe (z.B. eben oder gewölbt) derart ausgebildet bzw. bezüglich der Flächenerstreckung der Trägerplatte geneigt sind, dass durch die Trägerplatte hindurchtretende Lichtstrahlen des Lichts mittels Brechung an den Eintrittsflächen und/oder an Austrittsflächen der Trägerplatte derart umgelenkt werden, dass sie in dem gemeinsamen Brennpunkt oder der gemeinsamen Brennlinie zusammenlaufen, d.h. sich dort schneiden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Lichtquellen derart ausgebildet und bezüglich der Trägerplatte angeordnet sind, dass von den Lichtquellen ausgesandtes Licht die Rückseite der Trägerplatte in einem Einfallswinkel einer Hauptabstrahlrichtung des Lichts bezüglich einer Flächennormalen der Trägerplatte von kleiner als 30°, bevorzugt kleiner als 20°, besonders bevorzugt kleiner als 10° ausleuchtet. Insbesondere wird vorgeschlagen, dass das von der mindestens einen Lichtquelle ausgesandte Licht senkrecht oder nahezu senkrecht bezüglich der Flächenerstreckung der Trägerplatte auf die Rückseite der Trägerplatte trifft. Durch die besondere (z.B. ebene oder gewölbte) Ausgestaltung und/oder die Neigung der Eintrittsflächen treffen die Lichtstrahlen des ausgesandten Lichts dann nicht senkrecht auf die Eintrittsflächen und werden folglich beim Passieren der Eintrittsflächen und Einkoppeln in die Trägerplatte gebrochen. Sofern die eingekoppelten Lichtstrahlen nicht senkrecht auf die Vorderseite der Trägerplatte bzw. die dort möglicherweise ausgebildeten Austrittsflächen treffen, werden sie auch dort beim Passieren und Auskoppeln aus der Trägerplatte gebrochen. Die Brechung erfolgt dabei beim Ein- und Auskoppeln gemäß dem Brechungsgesetz für Lichtstrahlen.
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Es wird ferner vorgeschlagen, dass die Eintrittsflächen und/oder die Austrittsflächen Teil von Prismen oder Prismen-ähnliche Strukturen sind, die auf der Rückseite und/oder der Vorderseite der Trägerplatte ausgebildet sind.
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Bevorzugt sind die Lichtquellen derart ausgebildet und bezüglich der Trägerplatte angeordnet, dass von den Lichtquellen ausgesandtes Licht die Rückseite der Trägerplatte großflächig ausleuchtet. Insbesondere sind die Lichtquellen derart ausgebildet, dass das ausgesandte die Rückseite der Trägerplatte mit im Wesentlichen gleicher Intensität ausleuchtet. Auf diese Weise können für den Betrachter weitgehend gleich hell erscheinende virtuelle Lichtpunkte oder Lichtlinien oder Konturen von virtuellen Objekten dargestellt werden.
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Um ein unkontrolliertes Einkoppeln von ausgesandtem Licht über Teilbereiche der Rückseite der Trägerplatte, wo keine geneigten Eintrittsflächen ausgebildet sind, und um folglich ein unkontrolliertes Auskoppeln des unkontrolliert eingekoppelten Lichts, was die Darstellung der virtuelle Lichtpunkte oder Lichtlinien oder Konturen von virtuellen Objekten beeinträchtigen könnte, zu verhindern, wird vorgeschlagen, dass Bereiche der Rückseite der Trägerplatte neben bzw. zwischen den auf der Rückseite der Trägerplatte ausgebildeten Eintrittsflächen mit einer Licht absorbierenden, blockierenden oder reflektierenden Beschichtung versehen sind.
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Es ist denkbar, dass die auf der Rückseite der Trägerplatte ausgebildeten geneigten Eintrittsflächen über die Rückseite der Trägerplatte hervorstehen oder in die Rückseite der Trägerplatte eingelassen sind und/oder die auf der Vorderseite der Trägerplatte ausgebildeten geneigten Austrittsflächen über die Vorderseite der Trägerplatte hervorstehen oder in die Vorderseite der Trägerplatte eingelassen sind. Hervorstehende Eintritts- oder Austrittsflächen lassen sich durch Vorsprünge in einem Werkzeug, bspw. einem Spritzgusswerkzeug, besonders einfach herstellen. Auch der Abrieb des Werkzeugs bei der Herstellung ist geringer. Eingelassene oder vertiefte Eintritts- oder Austrittsflächen haben demgegenüber den Vorteil, dass sie nicht über die Rückseite bzw. die Vorderseite der Trägerplatte hervorstehen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die mindestens eine Lichtquelle mehrere matrixartig nebeneinander oder versetzt zueinander angeordnete LEDs umfasst. Die LEDs sind bevorzugt auf einer gemeinsamen Platte angeordnet und darüber kontaktiert. Auch eine Verwendung anderer Halbleiterlichtquellen wäre denkbar. Auch eine Verwendung von virtuellen Lichtquellen, bspw. in Form von Lichtauskoppelflächen an einem Ende von Lichtleitern, wäre denkbar, wobei über das gegenüberliegende andere Ende der Lichtleiter Licht eingekoppelt wird und mittels Totalreflexion entlang einer Längsachse der Lichtleiter zu den Lichtauskoppelflächen propagiert.
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Es wird vorgeschlagen, dass die Eintrittsflächen und/oder die Austrittsflächen eine ebene oder gewölbte, insbesondere um eine Linie zweidimensional oder um einen Punkt dreidimensional gewölbte, Flächenerstreckung aufweisen. Auch eine Wölbung der Eintrittsflächen und/oder die Austrittsflächen nach Art einer Freiformfläche wäre denkbar. Die Eintrittsflächen und/oder die Austrittsflächen haben bevorzugt unterschiedliche Neigungen und/oder Wölbungen. Dies kann selbst für Eintrittsflächen und/oder die Austrittsflächen einer gemeinsamen Gruppe gelten, die ausgesandtes Licht in den gleichen Punkt oder die gleiche Linie bündeln.
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Maße der Eintrittsflächen und/oder der Austrittsflächen liegen bevorzugt in einem Bereich zwischen 0,1 mm und bis zu einigen Millimetern. Derart große Prismen oder Prismen-ähnliche Strukturen sind technisch gut beherrschbar und können ohne großen Aufwand an Maßhaltigkeit und/oder Werkzeuge hergestellt werden.
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Es wird vorgeschlagen, dass die mindestens eine Lichtquelle derart ausgebildet ist, dass Lichtstrahlen des von ihr ausgesandten Lichts divergent oder konvergent kollimiert oder parallelisiert sind. In diesem Sinne wird ferner vorgeschlagen, dass die mindestens eine Lichtquelle eines oder mehrere optische Elemente aufweist, insbesondere in der Form einer Linse, eines Reflektors oder einer Vorsatzoptik, um die hindurchtretenden oder reflektierten Lichtstrahlen des ausgesandten Lichts divergent oder konvergent zu kollimieren oder zu parallelisieren.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Dabei können die in den Figuren gezeigten Merkmale auch jeweils für sich alleine erfindungswesentlich sein, selbst wenn dies in der Beschreibung nicht ausdrücklich erwähnt ist. Außerdem können die in den Figuren gezeigten Merkmale in einer beliebigen Kombination miteinander erfindungswesentlich sein, selbst wenn diese Kombination in den Figuren nicht gezeigt und/oder in der Beschreibung nicht ausdrücklich erwähnt ist. Es zeigen:
- 1 eine erfindungsgemäße Kraftfahrzeugleuchte gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in einer Seitenansicht;
- 2 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 3 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 4 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte gemäß einer dritten Ausführungsform;
- 5 die Kraftfahrzeugleuchte aus 1 in einer perspektivischen Ansicht von schräg oben auf eine Vorderseite einer Trägerplatte;
- 6 einen Querschnitt durch eine Trägerplatte einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte;
- 7 eine Draufsicht auf eine Vorderseite einer Trägerplatte einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte;
- 8 eine schematische perspektivische Ansicht auf eine erfindungsgemäße Kraftfahrzeugleuchte mit einer Gruppe mehrerer Umlenkelemente; und
- 9 eine erfindungsgemäße Kraftfahrzeugleuchte gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform in einer Seitenansicht.
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1 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte 10. Die Leuchte 10 kann in einem Kraftfahrzeug als Außenleuchte (z.B. vorne, seitlich oder hinten am Kraftfahrzeug) oder als Innenleuchte eingesetzt werden. Sie kann zur Erzeugung einer Leuchtenfunktion verwendet werden, die gesetzlichen Vorgaben erfüllt (z.B. Tagfahrlicht, Blinklicht, Standlicht, Parklicht, Rücklicht, Bremslicht o.ä.). Sie kann aber auch als reine Designleuchte eingesetzt werden, z.B. als Ambienteleuchte, Kühlergrillleuchte, Firmenlogoleuchte o.ä.
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Die Kraftfahrzeugleuchte 10 umfasst eine Trägerplatte 12 aus einem lichtdurchlässigen, vorzugsweise einem transparenten, Material mit einer Rückseite 14, über die Licht 16 in die Trägerplatte 12 eingekoppelt, und einer gegenüberliegenden Vorderseite 18, über die Licht 22 aus der Trägerplatte 12 ausgekoppelt werden kann. Die Trägerplatte 12 besteht bspw. aus PMMA oder PC. Sie kann eine ebene oder eine gewölbte Flächenerstreckung aufweisen. Ferner umfasst die Leuchte 10 mindestens eine Lichtquelle 20, die zum Aussenden von Licht 16 in Richtung der Rückseite 14 der Trägerplatte 12 ausgebildet und angeordnet ist, sodass zumindest ein Teil des ausgesandeten Lichts 16 über die Rückseite 14 in die Trägerplatte 12 einkoppelt und über die Vorderseite 18 wieder auskoppelt. Die Vorderseite 18 der Trägerplatte 12 ist einem Betrachter 50 zugewandt, der in den Figuren durch ein stilisiertes Auge repräsentiert ist und sich in einer bevorzugten Entfernung von ca. 0,5 m bis ca. 5,0 m befindet.
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Die Kraftfahrzeugleuchte 10 umfasst mehrere Lichtquellen 20, die derart ausgebildet und bezüglich der Trägerplatte 12 angeordnet sind, dass von den Lichtquellen 20 ausgesandtes Licht 16 die Rückseite 14 der Trägerplatte 12 in einem Einfallswinkel α einer Hauptabstrahlrichtung 24 des Lichts 16 bezüglich einer Flächennormalen 26 der Trägerplatte 12 von kleiner als 45° ausleuchtet. Bevorzugt leuchtet von den Lichtquellen 20 ausgesandtes Licht 16 die Rückseite 14 der Trägerplatte 12 in einem Einfallswinkel α der Hauptabstrahlrichtung 24 des Lichts 16 bezüglich der Flächennormalen 26 der Trägerplatte 12 von kleiner als 30°, bevorzugt kleiner als 20°, besonders bevorzugt kleiner als 10° aus. In 1 ist der Winkel α nicht eingezeichnet, weil die Flächennormale 26 praktisch deckungsgleich bzw. parallel zu der Hauptabstrahlrichtung 24 verläuft, der Einfallswinkel α also nahezu null ist, d.h. die Lichtstahlen des Lichts 16 treffen nahezu senkrecht auf die Rückseite 14 der Trägerplatte 12. Natürlich wäre es auch möglich, dass die Lichtstrahlen des ausgesandten Lichts 16 schräg in einem Winkel α < 45° auf die Rückseite 14 der Trägerplatte 12 treffen.
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Auf der Rückseite 14 und/oder auf der Vorderseite 18 der Trägerplatte 12 sind eine Vielzahl von bezüglich einer Flächenerstreckung (im rechten Winkel zu der Flächennormalen 26) der Trägerplatte 12 geneigten Umlenkflächen ausgebildet. Diese umfassen Eintrittsflächen 30 auf der Rückseite 14 der Trägerplatte 12, über die von der mindestens einen Lichtquelle 20 ausgesandtes Licht 16 in die Trägerplatte 12 einkoppeln kann. Ferner können die Umlenkflächen Austrittsflächen 32 auf der Vorderseite 18 der Trägerplatte 12 umfassen, über die eingekoppeltes Licht 22 wieder auskoppeln kann. Ohne Austrittsflächen 32 koppelt das Licht 22 einfach über die Vorderseite 18 aus der Trägerplatte 12 aus. In den Beispielen der 1-3 und 5-9 sind nur auf der Rückseite 14 der Trägerplatte 12 Eintrittsflächen 30 ausgebildet. In dem Beispiel der 4 sind nur auf der Vorderseite 18 der Trägerplatte 12 Austrittsflächen 32 ausgebildet. Selbstverständlich wäre es auch denkbar, auf der Rückseite 14 einer Trägerplatte 12 Eintrittsflächen 30 und auf der Vorderseite 18 der Trägerplatte 12 Austrittsflächen 32 vorzusehen.
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Die Eintrittsflächen 30 und die Austrittsflächen 32 können Bestandteil von Prismen oder Prismen-ähnlichen Strukturen 28 sein. Durch das in einem geringen Eintrittswinkel α von kleiner 45° auf die Rückseite 14 auftreffende Licht 16 kann ein Schattenwurf der einzelnen Prismen oder Prismen-ähnliche Strukturen 28 auf benachbarte Prismen oder Prismen-ähnliche Strukturen 28 verhindert oder zumindest verringert werden, sodass die Effizienz der Leuchte 10 verbessert wird.
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In 2 sind die Eintrittsflächen 30 auf der Rückseite 14 der Trägerplatte 12 eingelassen (vertieft), d.h. sie sind tiefer als die Rückseite 14. Der Vorteil von vertieften Prismen 28 ist, dass die ebene Fläche der Rückseite 14 der Platte 12 (in Bereichen 46) einfach mit einer Beschichtung 48 in Form einer blickdichten oder lichtundurchlässigen Farbe bedruckt werden kann und somit keine aufwändige weitere Platte zur Blockierung des nicht nutzbaren Lichts 16 benötigt wird, die sehr genau zu den Prismen 28 positioniert werden müsste.
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In 3 stehen die Eintrittsflächen 30 über die Rückseite 14 der Trägerplatte 12 hervor, d.h. sie sind höher als die Rückseite 14. In 4 stehen die Austrittsflächen 32 über die Vorderseite 18 der Trägerplatte 12 hervor, d.h. sie sind höher als die Vorderseite 18. Über die Rückseite 14 hervorstehende Eintrittsflächen 30 bzw. über die Vorderseite 18 hervorstehende Austrittsflächen 32 haben den Vorteil, dass sie durch Vertiefungen in einem Werkzeug, bspw. einem Spritzgusswerkzeug, leichter hergestellt werden können. Auch der Abrieb am Werkzeug im Bereich der Prismen oder Prismen-ähnliche Strukturen 28 kann dadurch reduziert werden und die Standzeit des Werkzeugs wird erhöht.
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Die Eintrittsflächen 30 und/oder die Austrittsflächen 32 sind in einer oder mehreren Gruppen zusammengefasst. Die Eintrittsflächen 30 und/oder die Austrittsflächen 32 einer Gruppe sind ausgebildet, durch die Trägerplatte 12 hindurchtretende Lichtstrahlen des ausgesandten Lichts 16 in einem gemeinsamen Brennpunkt 56 oder einer gemeinsamen Brennlinie zu bündeln, sodass für den Betrachter 50 bei einem Blick auf die Vorderseite 18 der Trägerplatte 12 mindestens ein virtueller Lichtpunkt 58 oder mindestens eine virtuelle Lichtlinie oder eine Kontur von mindestens einem virtuellen Objekt sichtbar sind (vgl. 8). Die Bündelung auf den mindestens einen Brennpunkt 56 oder die mindestens eine gemeinsame Brennlinie erfolgt bei der Erfindung durch Brechung des Lichts 16 beim Eintritt in die Trägerplatte 12 an der Rückseite 14 und/oder beim Austritt des Lichts 22 aus der Trägerplatte 12 an der Vorderseite 18. Der Grad und die Richtung der Brechung kann durch die Ausgestaltung und die Neigung der Eintrittsflächen 30 und/oder der Austrittsflächen 32 beeinflusst werden.
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Wie in 8 gezeigt, kann eine Mehrzahl an Prismen oder Prismen-ähnliche Strukturen 28 auf der Rückseite 14 angeordnet werden, deren Eintrittsflächen 30 so ausgebildet und angeordnet sind, dass sie das eingekoppelte parallele (oder auch divergent oder konvergent kollimierte) Licht 16 durch Brechung derart umlenken, dass das umgelenkte Licht 22 bzw. die entsprechenden Lichtstrahlen - wie in 8 gezeigt - sich in einem Brennpunkt 56 schneiden, der aus Sicht des Beobachters 50 z.B. vor der Patte 12 liegt und alle Strahlen durch diesen Punkt 56 verlaufen. Auf diese Weise kann der Betrachter 50 wahrnehmen, dass ein virtueller Bild- oder Lichtpunkt 58 in diesem Brennpunkt 56 liegt. Der Brennpunkt 56 könnte auch hinter die Platte 12 oder in die Platte 12 verlegt werden, so dass der Betrachter 50 einen virtuellen Bildpunkt 58 hinter oder in der Platte 12 wahrnehmen kann. Durch das Variieren verschieden positionierter Brennpunkte 56 von mehreren Prismen oder Prismen-ähnliche Strukturen 28 lässt sich so ein 3D-Effekt beim Betrachter 50 erzeugen.
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Alternativ könnten die Eintrittsflächen 30 der Prismen oder Prismen-ähnliche Strukturen 28 auch derart ausgebildet und angeordnet werden, dass sich die umgelenkten Lichtstrahlen 22 statt in einem einzigen Brennpunkt 56 entlang einer Brennlinie schneiden, sodass für den Betrachter 50 dort bei einem Blick auf die Vorderseite 18 der Trägerplatte 12 bei eingeschalteter Lichtquelle 20 virtuelle Lichtlinien oder Konturen von virtuellen Objekten sichtbar sind.
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Die Prismen oder Prismen-ähnliche Strukturen 28 sind in dem Beispiel der 8 somit derart an der Rückseite 14 der Trägerplatte 12 angeordnet, dass ein Lichtfeld entsteht, das beim Betrachter 50 den Eindruck eines räumlichen 3D-Objekts erzeugt. Ein Beispiel für mehrere über die Rückseite 14 der Platte 12 verteilt angeordnete Prismen oder Prismen-ähnliche Strukturen 28 ist in 7 gezeigt. Dort ist eine Ansicht auf die Vorderseite 18 der Platte 12 gezeigt, weshalb die Prismen oder Prismen-ähnliche Strukturen 28 auch gestrichelt eingezeichnet sind, da sie sich auf der Rückseite 14 befinden. Die für den Betrachter 50 sichtbaren Bildpunkte sind mit dem Bezugszeichen 58 bezeichnet.
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Die Kraftfahrzeugleuchte 10 kann ein Gehäuse 40 aus einem lichtundurchlässigen Material, insbesondere einem Kunststoffmaterial aufweisen (vgl. 9). In dem Leuchtengehäuse 40 sind bevorzugt die mindestens eine Lichtquelle 20 und die Trägerplatte 12 angeordnet. Das Leuchtengehäuse 40 kann eine Lichtaustrittsöffnung 42 aufweisen, durch die das aus der Trägerplatte 12 ausgekoppelte Licht 22 hindurchtritt. Die Lichtaustrittsöffnung 42 ist bevorzugt mit einer Abdeckscheibe 44 aus einem lichtdurchlässigen, vorzugsweise einem transparenten, Material, insbesondere Kunststoff oder Glas, verschlossen. Die Abdeckscheibe 44 kann durch die Trägerplatte 12 gebildet sein.
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Die mindestens eine Lichtquelle 20 kann zur Lichterzeugung eine oder mehrere LEDs 36 oder andere Lichterzeugungsmittel, insbesondere andere Halbleiterlichtquellen, aufweisen. Ferner wird vorgeschlagen, dass die mindestens eine Lichtquelle 20 mindestens ein optisches Element 38 aufweist, das zum divergenten oder konvergenten Kollimieren oder zum Parallelisieren des von der oder den LEDs 36 ausgesandten Lichts 16 ausgebildet ist. Das optische Element 38 kann mindestens eine Linse (vgl. 1 und 5), mindestens einen Reflektor (vgl. 9) oder mindestens eine TIR (total internal reflection)-Vorsatzoptik aufweisen. Das optische Element 38 kann bspw. eine Zylinderlinse umfassen, die Licht nur in eine Richtung parallelisiert oder bündelt. Ein optisches Element 38 kann einer oder mehreren LEDs 36 zugeordnet sein und das von diesen ausgesandte Licht 16 kollimieren oder parallelisieren. Die Ausleuchtung über die gesamte Platte 12 sollte möglichst gleichmäßig sein. Eine Ausleuchtung der Rückseite 14 der Trägerplatte 12 mit einer besonders gleichmäßigen Intensität lässt sich durch parallelisierte Lichtstrahlen besonders gut erzielen.
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Bei der Lichtquelle 20 kann es sich um ein Einzelsystem mit einer oder mehreren LEDs 36 und einem optischen Element 38 handeln. Es wäre aber auch denkbar, dass die Lichtquelle 20 mehrere aneinander gereihte Einzelsysteme umfasst, wie dies in den 1 und 5 gezeigt ist. Bevorzugt umfasst die mindestens eine Lichtquelle 20 mehrere matrixartig nebeneinander oder versetzt zueinander angeordnete LEDs 36, wobei die LEDs 36 bevorzugt auf einer gemeinsamen Platte 54, bspw. einer Leiterplatte (PCB), angeordnet sind (vgl. 1). Die Platte 54 kann eine ebene oder eine gewölbte Flächenerstreckung aufweisen.
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Es wird vorgeschlagen, dass Bereiche 46 der Rückseite 14 der Trägerplatte 12 neben bzw. zwischen den auf der Rückseite 14 der Trägerplatte 12 ausgebildeten Eintrittsflächen 30 mit einer Licht absorbierenden oder Licht blockierenden Beschichtung 48 versehen sind (vgl. 2-4). Dadurch wird verhindert, dass Licht 16 in den Bereichen 46 unkontrolliert in die Trägerplatte 12 einkoppelt und über die Vorderseite 18 wieder ausgekoppelt wird, und das unkontrolliert ausgekoppelte Licht den 3D-Effekt der Kraftfahrzeugleuchte 10 stört. Im Unterschied zu dem bekannten TIR-Lichtleiterplatten-Ansatz ist es bei der Erfindung nicht erforderlich, dass die Bereiche 46 glattpoliert werden, da bei der Erfindung Licht nicht innerhalb der Trägerplatte 12 mittels Totalreflexion zu anderen Auskoppelelementen weitergeleitet werden muss.
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Bei der Erfindung wird folglich der Durchlichtfall (sog. Back Lighting) einer Strukturträgerplatte betrachtet bzw. angewandt. Statt Totalreflexion (TIR) wird Brechung zum Umlenken des eingekoppelten Lichts 16 angewandt. Das Prinzip eines Lichtfeld-Displays bleibt erhalten, so dass die Erzeugung von wahrnehmbaren leuchtenden 3D-Objekten ähnlich wie bei bekannten TIR-basierten Ansätzen gelingt. Zudem bleiben die Neigungswinkel der vorgesehenen Umlenkflächen (Eintrittsflächen 30 bzw. Austrittsflächen 32) relativ klein, verglichen mit jenen von TIR-Prismen, die in die Lichtleiterplatte hineinragen, oder eventuell herausragen. Das trägt dazu bei, dass die Herstellbarkeit solcher Strukturträgerplatten 12 der erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte 10 sich einfacher gestaltet.
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Ein etwas erhöhter Volumenbedarf zur Platzierung von Lichtquellen 20 hinter der Trägerplatte 12 wird durch eine höhere Effizienz der Leuchte 10 kompensiert. Bei der Leuchte 10 geht über Fresnelreflexionen und Materialabsorption eine deutlich geringere Lichtmenge verloren, als bei TIR-Lichtleiter-Platten. Bei der Erfindung ist die zu durchquerende Lichtstrecke lediglich die Dicke der Platte 12 (bzw. bei einem schrägen Verlauf der Lichtstrahlen 22 von der Rückseite 14 zu der Vorderseite 18 geringfügig mehr) und nicht - wie bei TIR-Lichtleiter-Platten ihre Länge. Die zu erwartenden Verluste bewegen sich in der Größenordnung von ca. 8% bis ca. 10%-15%. Selbst wenn aus Gründen der Vermeidung von Streulicht zusätzliche Maßnahmen zur Lichtumlenkung und Blockierung angewandt werden (z.B. die Beschichtung 48 in den Bereichen 46), ist dieser Durchlicht-Ansatz um ein Vielfaches (etwa um das 5- bis 7-fache) als der bekannte Ansatz mit TIR-Lichtleiter-Platten.
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Es ist möglich, jeweils Teilbereiche der Gesamtfläche der Rückseite 14 der Trägerplatte 12 mit individuell zugeordneten Lichtquellen 20 zu beleuchten, so dass virtuelle 3D-Lichtobjekte unabhängig voneinander an- und ausgeschaltet, gedimmt, bewegt, gedreht oder verformt werden können.
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Damit der Betrachter 50 bei senkrechter Betrachtung (andere Blickwinkel sind auch möglich) der Platte 12 gewisse virtuelle Bereiche oder Punkte 58 leuchten zu sehen, werden z.B. auf der Rückseite 14 Prismen oder Prismen-ähnliche Strukturen 28 angeordnet (1-3 und 6-9). Diese haben eine dem parallelen Strahlenbündel 16 zugewandte Eintrittsfläche 30 (6), die das Licht empfängt und durch Brechung zum Beobachter 50 umlenkt. Die Umlenkflächen 30, 32 können eine ebene oder eine gewölbte Flächenerstreckung aufweisen.
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Die äußeren Maße einzelner Prismen oder Prismen-ähnliche Strukturen 28 bzw. der Eintrittsflächen 30 oder der Austrittsflächen 32 können in der Größenordnung von 0,1 mm bis zu einigen Millimetern sein (vgl. 6). Die Maße betreffen sowohl die Höhe der Prismen oder Prismen-ähnliche Strukturen 28 als auch der Grundfläche bzw. deren Länge und/oder Breite. Wie zuvor erwähnt, können die Umlenkflächen 30, 32 nicht nur eben, sondern in einer geeigneten gebogenen Form ausgestaltet sein, womit aus der Richtung des Betrachters 50 der Eindruck vermittelt wird, dass der Bildpunkt 58 auf der Fläche wandert und aber stets in dem Brennpunkt 56 liegt, wo die virtuelle(-n) Position(-en) zu erzeugender leuchtender 3D-Punkte, 3D-Linien bzw. 3D-Objektkonturen liegen sollen. Solche Prismen-Größen sind mechanisch gut beherrschbar und somit mit einfachen technologischen Mitteln herstellbar.
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Wie in 8 gezeigt, kann eine Mehrzahl an Prismen oder Prismen-ähnliche Strukturen 28 auf der Rückseite 14 positioniert werden, deren Umlenkflächen 30 so angeordnet, ausgerichtet und ausgeformt sind, dass sie das parallele Licht 16 durch Brechung derart umlenken, dass das umgelenkte Licht 22 einen Brennpunkt 56 erzeugt, der z.B. vor der Platte 12 liegt und alle Strahlen durch diesen Punkt 56 gehen, so dass der Betrachter 50 wahrnehmen kann, dass ein Bildpunkt 58 in diesem Brennpunkt 56 liegt. Man kann auch den Brennpunkt 56 aus Sicht des Betrachters 50 hinter die Platte 12 verlegen, so dass der Betrachter wahrnehmen kann, dass sich der Bildpunkt 58 in dem hinter der Platte 12 liegenden Brennpunkt 56 befindet. Durch das Variieren verschieden positionierter Brennpunkte 56 lässt sich so ein 3D-Effekt erzeugen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2014268327 A1 [0013]
- US 2017192244 A1 [0014]
- US 2022406230 A1 [0014]
- DE 102017200112 A1 [0015]
- DE 102021108339 A1 [0015]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Yasuhiro Takaki: „High-Density Directional Display for Generating Natural Three-Dimensional Images“ in Proceedings of the IEEE, Vol. 94, Nr. 3, S. 634-663 [0009]
- Yasuhiro Takaki: „Super multi-view display with a lower resolution flat-panel display“ in Optics Express, Vol 19, Nr. 5, 28 [0011]
- Hakan Urey, Erdem Erden: „State of the Art in Stereoscopic and Autostereoscopic Displays“, Proceedings of the IEEE, Vol. 99, Nr. 4 [0012]
