DE69605266T2 - Plattenförmige Beleuchtungsvorrichtung - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Beleuchtungssysteme, wie etwa äußere und innere Beleuchtungssysteme für Motorfahrzeuge, Beleuchtungssysteme für Gebäude, Beleuchtungssysteme für Sicherheitssignale und Straßen- oder Eisenbahnsignale, wie auch auf Beleuchtungssysteme für wissenschaftliche Geräte, Laserverfahren, Prüf- oder Inspektionsgeräte, Meßsysteme, wie etwa Geschwindigkeitsmesser, Lese- oder Schreibsysteme des Typs Compact Disk, Radarsensoren zur Erkennung von Hindernissen oder der Form von Objekten, optische Abtastsysteme, Sichtanzeigebeleuchtungssysteme oder Warnleuchten.
• Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Beleuchtungsvorrichtungen des beispielsweise in der Druckschrift EP-A-0426248 offenbarten Typs.
• Die Korrektur der Vergenz der Lichtbündel, insbesondere jener, die von Festkörperlichtquellen, wie etwa LEDs oder Lasern, ausgesandt werden, ist gewöhnlich mit zwei Hauptforderungen verbunden: die Verringerung der Dicke, d. h. der Abmessung entlang der optischen Achse des gesamten optischen Systems, und die Gleichförmigkeit des aus dem System kommenden Lichtbündels.
• Bei Beleuchtungssystemen wird die Verwendung einer Quelle oder einer Matrix von Quellen ohne Benutzung von Linsen nicht akzeptiert, da dies nicht die Forderung nach Uniformität des Lichtbündels über die gesamte emittierende Oberfläche befriedigt. In einem konventionellen System wie jenem, das schematisch in Fig. 1 der beigefügten Zeichnungen dargestellt ist, wird die Divergenz der LED-Lichtquelle 1 durch ein Linsensystem 2 gesteuert, das mit der Achse der Quelle 1 ausgefluchet ist. Sobald der Durchmesser der Linse 2 gewählt ist, wird die Dicke des Quelle-Linsensystems durch die Divergenz des von der Quelle 1 ausgesandten Lichtbündels 3 bestimmt.
• Falls die Quelle 1 ein sehr divergentes Lichtbündel aussendet (Fig. 2), kann die Dicke partiell reduziert werden. Dies wird jedoch auf Kosten des Systemwirkungsgrades erreicht. In diesem Falle erreicht nämlich das Bündel 3 die erste Grenzfläche der Linse 2 mit einem großen Einfallswinkel und wird daher partiell zurückreflektiert, wie bei 4 dargestellt, ist. Damit die Linse wirksam auf die Bündelvergenz einwirken kann, ist es weiter erforderlich, daß sie stark gekrümmte Oberflächen hat. Das Linsenvolumen und die Komplexität der Herstellung nehmen also zu.
• Ein weiteres Problem, das mit dieser Lösung verbunden ist, besteht beim Zusammenbau des Systems. Es ist nämlich in der Tat erforderlich, ein Gehäuse vorzusehen, das die Quelle 1 und die Linse 2 voneinander beabstandet und miteinander ausgefluchtet hält. Dies bringt eine weitere Steigerung des Gewichtes und der Komplexität des Systems mit sich.
• Um diese Nachteile zu überwinden, schafft die vorliegende Erfindung eine Beleuchtungsvorrichtung mit den im beigefügten Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Weitere vorteilhafte Merkmale und bevorzugte Ausführungsformen sind in den übrigen Ansprüchen definiert, die vom Anspruch 1 abhängen. Die Erfindung liefert auch ein Beleuchtungssystem wie es in Anspruch 7 definiert ist.
• Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die lediglich ein nicht einschränkendes Beispiel zeigen.
• Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines herkömmlichen Beleuchtungssytems, das eine Festkörperquelle vom Typ LED oder Laser umfaßt;
• Fig. 2 zeigt ein weiteres bekanntes System mit einer Quelle, das ein sehr divergenes Lichtbündel und eine stark gekrümmte Linse aufweist;
• Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform einer Mikroteleskop-Beleuchtungsvorrichtung gemäß der Erfindung, die eine Platte mit gekrümmten Oberflächen umfaßt;
• Fig. 4 zeigt eine Variante der Fig. 3;
• Fig. 5 zeigt eine weitere Variante der Fig. 3, die eine asymmetrische Konfiguration besitzt;
• Fig. 6 zeigt eine weitere Variante der Fig. 5;
• Fig. 7 zeigt, wie der Reflexionsgrad der Vorrichtung durch die erste reflektierende Oberfläche beeinflußt wird;
• Fig. 8 zeigt eine Variante, die eine polychromatische Quelle verwendet, welche durch eine einzelne Quelle oder eine Anzahl von getrennten benachbarten Quellen aufgebaut ist;
• Fig. 9 zeigt eine weitere Variante, die eine Quelle außerhalb der Platte umfaßt und mit einem Spiegel versehen ist, der einen Teil des Lichtbündels in die Platte richtet; und
• Fig. 10 zeigt eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die durch Vorsehen einer Matrix von Mikroteleskop- Beleuchtungsvorrichtungen erhalten wird.
• Gemäß der Erfindung wird die Vergenz des von einer Quelle mit finiter Dimension ausgesandten Lichtbündels durch ein optisches Mikroteleskopsystem variiert, das in eine transparente Platte integriert ist.
• Unter Bezugnahme auf Fig. 3 sendet die Lichtquelle 1 ein Strahlenbündel 2 von Lichtstrahlen aus, deren Divergenz von der Konstruktion der Quelle selber abhängt. Die Strahlen werden auf eine transparente Platte 3 gerichtet, die aus einem Kunststoff oder Glasmaterial besteht, wo die Strahlen eine erste Übergangsfläche 4 erreichen, auf der sie eine partielle Reflexion und Brechung erfahren. Die gebrochenen Strahlenbündel 5 erreichen eine erste planare Oberfläche 6 (die auf der Stirnseite der Platte 3, beabstandet von der Platte, plaziert ist) und die durch Herausarbeiten von Material aus der Platte erhalten wird und die die Strahlen auf eine zweite reflektierende Oberfläche 8 reflektiert, die auf der Stirnseite der Platte 3 plaziert ist, welche dichter an der Quelle 1 liegt und ebenfalls durch Herausarbeiten von Material aus der Platte gebildet ist und die weiter die Vergenz des Strahlenbündels 7 in eine vorbestimmte Richtung korrigiert. Die Platte 3 wirkt als Lichtleiter, der mit einem integrierten Mikroteleskop ausgestattet ist. Der analytische Ausdruck der beiden reflektierenden Oberflächen 6, 8 wird bestimmt als eine Funktion der Merkmale des von der Quelle 1 ausgesandten Strahlenbündels, des die Platte 3 bildenden Materials und der Merkmale, die das von der Platte 3 ausgehende Strahlenbündel haben muß. In seiner komplexeren Konfiguration ist das System mit einer Fokusleistung seiner zweiten Übergangsfläche 6 versehen, d. h., das Lichtbündel wird wiederum in seiner Verteilung und Vergenz variiert. Die reflektierenden Oberflächen 6, 8 werden erhalten nicht durch Aufbringen einer Schicht reflektierenden Materials auf der Oberfläche der Platte 3, sondern einfach als Ergebnis des Vorsehens von Abschnitten mit einem unregelmäßigen Profil der Stirnflächen der Platte.
• Die Lösung gemäß Fig. 4 besitzt eine Konfiguration mit gekrümmten Oberflächen, die auf der gleichen Seite der Platte 3 plaziert sind.
• Die Fig. 5. 6 zeigen Lösungen ähnlich denen der Fig. 3, 4, jedoch mit einer asymmetrischen Anordnung.
• Unter Bezugnahme auf Fig. 7 hängt der Oberflächenreflexionskoeffizient vom Brechungsindex der Platte 3, dem Polarisationszustand des Strahlenbündels, der Wellenlänge der Strahlung und der Neigung der Oberflächen 6 ab. Wenn diese Neigung größer als der Wert wird, der der inneren Totalreflexion entspricht, wird das gesamte Strahlenbündel innerhalb der Führung auf die zweite ebene Oberfläche 8 reflektiert. Umgekehrt wird ein Teil des Strahlenbündels direkt übertragen. Ein Betrachter sieht also die Vorrichtung frei von dunklen Bereichen. Die zweite Übergangsfläche erscheint als eine Fläche, die einen gleichförmigen Lichtstrahl über die gesamte Oberfläche aussendet. Auf der Basis dieses Prinzips ist es möglich, den nicht polarisierten Zustand des in den Lichtleiter kommenden Strahlenbündels in ein Strahlenbündel mit gesteuerter Polarisation umzuwandeln.
• Die Quelle 1 könnte direkt in die Platte integriert sein. Durch Vorsehen von Oberflächen 6, 8 mit einem kreisförmigen Querschnitt wäre es möglich, ein Strahlenbündel mit einem kreisförmigen Querschnitt zu erhalten. Umgekehrt ist es möglich, durch Ausbilden der Oberflächen 6, 8 mit einer pyramidenförmigen Konfiguration oder mit einer pyramidenstumpfförmigen Konfiguration ein Strahlenbündel mit einem quadratischen oder rechteckigen Querschnitt zu erhalten.
• Bei der in Fig. 8 dargestellten Lösung wird die Mikroteleskop- Beleuchtungsvorrichtung mit einem polychromatischen Quellenlichtstrahl benutzt, der von einer einzelnen Quelle oder vielen einander benachbarten getrennten Quellen ausgesandt wird.
• Gemäß Fig. 9 befindet sich die Quelle außerhalb der Platte und ist mit einem Spiegel versehen, der zum Richten eines Teils der Strahlung auf die Platte 3 beiträgt. Eine Deckschicht oder eine auf der ersten Übergangsfläche 4 angebrachte lichtbrechende Oberfläche kann das Reflektieren eines Teils des Spektrums verursachen, während der übrige Teil übertragen wird.
• Fig. 10 zeigt einen Querschnitt einer Matrix von Lichtteleskop- Beleuchtungsvorrichtungen, die eine große Oberfläche bedecken, wie etwa die Oberfläche des Beleuchtungssystems für ein Sicherheitssignal oder ein seitliches oder mittiges Fahrzeuglicht, oder eine Beleuchtungsvorrichtung für das Fahrgastabteil eines Fahrzeugs, oder eine Vorrichtung für Straßensignale, für Verkehrsleuchten, für Eisenbahnsignale, für Beleuchtungssysteme von Wohn- und Industriegebäuden, für wissenschaftliche Geräte, für Inspektionssysteme, für Laservorrichtungen, für Meßsysteme, wie etwa Geschwindigkeitsmesser. Die Matrix kann aus untereinander verschiedenen Elementen aufgebaut sein, d. h., solchen, bei denen die Strahlenbündel mit unterschiedlicher Vergenz und Form erzeugt werden.
• Wenngleich das Prinzip der Erfindung unverändert bleibt, können natürlich konstruktive Einzelheiten sowie die Ausführungsformen in Bezug auf das, was beschrieben und dargestellt worden ist, sehr voneinander abweichen, ohne indes vom Umfang der vorliegenden Erfindung, wie er in den Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.

Claims (11)

1. Beleuchtungsvorrichtung, die aufweist:

eine transparente Platte (3) mit einander gegenüberliegenden ersten (4) und zweiten größeren parallelen Stirnflächen, und

eine Lichtquelle (1), die unmittelbar in der Nähe der ersten größeren Stirnfläche der Platte angeordnet oder in die Platte inkorporiert ist und die ein Lichtbündel (2, 5, 7, 9) emittiert, das eine vorbestimmte Divergenz besitzt,

wobei die ersten und zweiten größeren Stirnflächen jeweils entsprechend einen ersten (8) und einen zweiten (6) Oberflächenabschnitt aufweisen, derart, daß ein Teil des von der Lichtquelle ausgesandten Lichtbündels auf den zweiten Oberflächenabschnitt gerichtet ist, vom zweiten Oberflächenabschnitt durch innere Reflexion zum ersten Oberflächenabschnitt reflektiert wird, vom ersten Oberflächenabschnitt durch innere Reflexion zur zweiten größeren Stirnfläche reflektiert und durch die zweite größere Stirnfläche übertragen wird,

wobei mindestens der zweite Oberflächenabschnitt durch die Oberfläche einer Ausnehmung geschaffen wird, die in der zweiten größeren Oberfläche der Platte geschaffen ist und ein oberflächengestaltetes Profil besitzt, das in Bezug auf die Lichtquelle angeordnet ist und mit dem ersten Oberflächenabschnitt zusammenwirkt, derart, daß

ein Teilabschnitt des von der Lichtquelle ausgesandten Lichtstrahls durch innere Totalreflexion reflektiert wird und ein anderer Teilabschnitt durch partielle innere Reflexion partiell reflektiert und durch den zweiten Oberflächenabschnitt partiell übertragen wird, und

daß das von den ersten und zweiten Oberflächenabschnitten reflektierte und durch die zweite größere Stirnfläche übertragene Licht aus der zweiten größeren Stirnfläche als ein expandierter Lichtstrahl austritt, der eine vorbestimmte Form und eine andere Vergenz als der von der Lichtquelle ausgesandte Lichtstrahl besitzt.

2. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine Festkörperquelle des LED-Typs oder des Lasertyps ist.

3. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die transparente Platte (3) aus einem Kunststoffmaterial oder einem Glasmaterial besteht und als transparentes oder farbiges Führungsmittel für die Strahlung wirkt.

4. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) mit zugehörigen elektrischen und elektronischen Komponenten in die transparente Platte (3) integriert ist.

5. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der ersten und zweiten Oberflächenabschnitte (6, 8) eine Form solcher Art besitzt, daß ein aus der Platte austretender Lichtstrahl einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt aufweist.

6. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Oberflächenabschnitte mit einer größeren Ausdehnung einen vorbestimmten geometrischen Querschnitt aufweist, beispielsweise einen rechteckigen hexagonalen oder sternförmigen Querschnitt, so daß ein Lichtbündel mit einem ähnlichen Querschnitt erzeugt wird.

7. Beleuchtungssystem, das eine Matrix von Beleuchtungsvorrichtungen umfaßt, die in ein transparentes Plattenelement (3) integriert sind, wobei jede Beleuchtungsvorrichtung eine Beleuchtungsvorrichtung wie jene ist, die in irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche definiert ist, wobei die jeweiligen transparenten Platten durch das transparente Plattenelement gebildet sind; wobei die Beleuchtungsvorrichtungen derart angeordnet sind, daß die zweite Stirnfläche der Platte vollständig von den Querschnitten der austretenden Strahlungsbündel beaufschlagt werden.

8. Beleuchtungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsvorrichtungen, welche die in das transparente Plattenelement (3) integrierte Matrix bilden, untereinander verschieden sind, um getrennte Lichtbündel zu erzeugen.

9. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Oberflächenabschnitte (6, 8) durch pyramidenförmige Oberflächen oder durch Oberflächen in Form einer abgestumpften Pyramide gebildet sind, die in den Stirnflächen der Platte (3) gekrümmt sind.

10. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine symmetrische Anordnung um die optische Achse des Beleuchtungsfeldes aufweist.

11. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine asymmetrische Anordnung um die optische Achse des Beleuchtungsfeldes herum aufweist.