EP3516290B1

EP3516290B1 - Leuchteinrichtung für ein fahrzeug

Info

Publication number: EP3516290B1
Application number: EP17771430.0A
Authority: EP
Inventors: Matthias Cumme; Arnaud Deparnay
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 2016-09-23
Filing date: 2017-09-20
Publication date: 2024-03-20
Anticipated expiration: 2037-09-20
Also published as: DE102016117967A1; CN109790964A; EP3516290C0; EP3516290A1; CN109790964B; US10816155B2; US20190271446A1; WO2018054986A1

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft Leuchteinrichtungen für Fahrzeuge, beispielsweise als Scheinwerfer, Rücklichter, Bremslichter oder Blinker einsetzbare Leuchteinrichtungen.
In modernen Leuchteinrichtungen von Fahrzeugen, beispielsweise Kraftfahrzeugen, zum Einsatz kommende Lichtquellen wie beispielsweise Leuchtdioden, Weißlichtleuchtdioden, Laserdioden oder durch Laserlicht angeregte Phosphortargets bieten aufgrund ihrer spektralen Eigenschaften und der im Vergleich zu herkömmlichen Glühemissionslampen deutlich verbesserten Kollimationseigenschaften eine Erweiterung des Anwendungspotentials derartiger Lichtquellen, andererseits erfordern sie aber auch angepasste optische Konzepte, um zum Beispiel Auflagen der Gesetzgebung für Leuchteinrichtungen in Fahrzeugen zu erfüllen.
So ist es beispielsweise durch die Punktlichtquelleneigenschaften der in aktuellen Frontscheinwerfern verwendeten Systeme aus Laserdioden und Phosphortargets möglich, eine Fahrbahn bis zu 600 Meter weit auszuleuchten. Allerdings würde die Hell-Dunkel-Grenze im Abblendfall bei derartigen Lichtquellen zu scharf ausfallen, sodass für das Abblendlicht beispielsweise eine andere Art von Lichtquelle benötigt werden muss.
In Rückleuchten vermehrt zum Einsatz kommende Leuchtdioden, insbesondere rote Leistungsleuchtdioden, ermöglichen zwar neue Stylingkonzepte, jedoch kann sich die Abstrahlcharakteristik derartiger Leuchtdioden ungünstig auf die Sichtbarkeit über einen großen Winkelbereich auswirken. Eine Sichtbarkeit über einen gewissen Mindestwinkelbereich wird jedoch gefordert, beispielsweise in der Richtlinie ECE R7.
Gleichzeitig ist ein Trend zu beobachten, dass Fahrzeugleuchten immer stärker als stilistische Mittel eingesetzt werden. Beispielsweise werden charakteristische Leuchtsignaturen bei Fahrzeugrückleuchten eingesetzt. Dabei existieren gleichzeitig immer schärfer definierte Randbedingungen bezüglich Bauraum und Anordnung am Fahrzeug, beispielsweise, um eine Laderaumbreite maximal ausnutzen zu können. Um die in den genannten Beispielen erwähnten Einschränkungen zu umgehen bzw. um die vom Gesetzgeber und die vom Fahrzeugdesign geforderten Randbedingungen zu erfüllen, sind häufig stark angepasste optische Konzepte notwendig. Klassischerweise werden hier Spiegel, Prismen und makroskopische Streustrukturen eingesetzt, um gewünschte Leuchteinrichtungen zu realisieren.
Beispiele für Leuchteinrichtungen, welche besondere optische Effekte mittels Leuchtdioden erzielen, sind beispielsweise aus der FR 2 995 978 , der US 9,091,407 B1 , der EP 07 020 676 A1 , der EP 2 336 632 A1 , der WO 2011/113937 A1 , der US 2013/0010487 A1 , oder der US 2014/0085916 A1 bekannt. Aus derartigen Druckschriften bekannte Leuchtdiodenrückleuchten eines Fahrzeugs zeigen einen 3D-Effekt durch Mehrfachreflexion in einem Spiegelsystem, welches einen teildurchlässigen Spiegel und einen Spiegel mit im Wesentlichen 100% Reflexion umfasst. Eine verwendete Lichtquelle umfasst eine Zusammenstellung verschiedener Leuchtdioden in einem kompakten Gehäuse. Die Form dieses Gehäuses gibt eine optische Form vor, die mehrfach reflektiert wird.
Ein Beispiel für eine derartige herkömmliche Vorrichtung ist in den Figuren 1, 2A und 2B gezeigt.
In Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht einer Leuchteinrichtung 10 dargestellt, welche als Rückleuchte für ein Kraftfahrzeug dienen kann. Die Leuchteinrichtung 10 umfasst in einem Gehäuse 12 rechteckförmige angeordnete Leuchtdioden 13, welchen eine Lichtemissionsstruktur 14 zur gerichteten Lichtausgabe in Form eines Rechtecks zugeordnet ist. Zudem umfasst die Leuchteinrichtung 10 einen im Wesentlichen zu 100 % reflektierenden Spiegel 15 und einen teilreflektierenden Spiegel 16. Wie durch Beispiellichtstrahlen 17 dargestellt, wird das von den Leuchtdioden 13 ausgegebene Licht mehrmals reflektiert, sodass Licht entsprechend der Form des Lichtemitters 14 durch den teilreflektierenden Spiegel 16 mehrfach ausgegeben wird.
Die Figuren 2A und 2B veranschaulichen den hierdurch erreichbaren Effekt für zwei verschiedene Betrachtungspositionen. In Fig. 2A wird die Leuchteinrichtung 10 wie durch ein Auge 22 symbolisiert mittig betrachtet. Hier werden als Leuchtsignaturen 20 mehrere symmetrisch ineinander angeordnete Rechtecke wahrgenommen, wobei durch die Mehrfachreflexion eine Leuchtintensität der Rechtecke von außen nach innen abnimmt. Bei einer zu einer Mittelachse versetzten Betrachtung wie in Fig. 2B dargestellt und wie durch ein Auge 23 symbolisiert ergibt sich die mit 21 bezeichnete Leuchtsignatur, bei der die inneren Rechtecke verschoben sind. Somit kann gleichsam ein dreidimensionaler Betrachtungseffekt erzeugt werden.
Diese herkömmliche Lösung weist verschiedene Nachteile auf. Zum einen ist die Leuchteinrichtung ein reales Gehäuse mit einer bestimmten Ausdehnung. Durch den verfügbaren Raum in der Leuchteinrichtung, durch Herstellungserfordernisse und eine gewünschte Formkomplexität stößt das Design schnell an Grenzen. Zudem werden mehrere Lichtquellen, beispielsweise Leuchtdioden (zum Beispiel etwa 30 Leuchtdioden) benötigt, um eine kontinuierliche Rechteckform zu generieren. Zudem ist die Lichtintensität innerhalb jedes Rechtecks gleichmäßig hell. Eine Modulation der Lichtintensität innerhalb eines einzelnen Rechtecks oder einer anderen Form ist nur mit viel Aufwand erzeugbar.
Auch andere Konzepte, welche mit herkömmlichen Elementen wie Spiegel, Prismen und makroskopischen Streustrukturen arbeiten, stoßen an ihre Grenzen, wenn komplexe Randbedingungen wie zum Beispiel betrachtungswinkelabhängige Leuchtsignaturen, Leuchtsignaturen mit einer bestimmten Intensitätsverteilung und definierter Projektionsebene oder komplexe Beleuchtungsstrukturen unter einer Randbedingung starker Bauraumreduzierung gefordert sind.
Die EP 2 905 530 A1 offenbart eine Leuchtvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, bei der mittels eines reflektiven Musters dreidimensionale Leuchtformen implementiert werden können.
Die EP 0 950 848 A2 offenbart eine Leuchte für ein Fahrzeug, bei welcher eine Linse ein Muster aufweist, welches einen bestimmten optischen Eindruck mit verschiedenen Helligkeiten und somit einen dreidimensionalen Eindruck erzeugt.
Die WO 2015/173814 A2 offenbart einen refraktiven Volumendiffuser, der in einem Volumen verteilte Partikel verwendet hiermit wird eine bestimmte Abstrahlcharakteristik einer Leuchtvorrichtung erzeugt.
Die JP 2009 169012 A offenbart eine projektorartige Anzeigevorrichtung, bei der eine Lichtquelle einen entsprechend technisch ausgestalteten Diffusor beleuchtet, um anzuzeigende Bilder in einer Ebene zu projizieren.
Zudem ist es sehr wünschenswert, die Herstellungskosten für Leuchteinrichtungen möglichst gering zu halten und insbesondere eine einfache Massenproduktion zu ermöglichen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Leuchteinrichtungen für Fahrzeuge bereitzustellen, bei welchen die oben beschriebenen Probleme ganz oder teilweise behoben oder zumindest abgemildert werden können.
Hierzu wird eine Fahrzeug-Leuchteinrichtung nach Anspruch 1 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen.
Erfindungsgemäß wird eine Fahrzeug-Leuchteinrichtung (im Folgenden kurz als Leuchteinrichtung bezeichnet) bereitgestellt, umfassend: eine Lichtquelle, und einen refraktiven Diffuser, wobei Licht von der Lichtquelle zum Erzeugen einer Leuchtsignatur auf Basis von Licht aus der Lichtquelle durch den refraktiven Diffuser hindurch zu einem Betrachter gelangt. Die Leuchtsignatur wird als ein oder mehrere virtuelle oder reelle Bilder, welche gewünschte Formen und/oder Intensitätsverteilungen aufweisen und in einer jeweiligen Ebene liegen, erzeugt.
Der refraktive Diffuser weist ein wellenoptisch berechnetes statistisches kontinuierliches Oberflächenprofil auf.
Der refraktive Diffuser kann dabei ein refraktiver Diffuser mit achromatischen Eigenschaften sein.
Durch die Verwendung eines refraktiven Diffusers kann bei relativ geringem Bauraum eine große Designfreiheit für die Leuchteinrichtung erreicht werden. Zudem weist ein refraktiver Diffuser im Gegensatz zu diffraktiven Diffusern keine nullte Beugungsordnung auf, was ein Auftreten unerwünschter Lichteffekte aufgrund der nullten Beugungsordnung vermeidet.
Ein refraktiver Diffuser ist eine für sich genommen bekannte Komponente, welche auf einer Oberfläche brechende Eigenschaften aufweist. Unter refraktiven Diffusern werden Diffusern mit glatten Oberflächenprofilformen verstanden, die keine Sprungstellen enthalten und deren Eigenschaften durch die Lichtbrechung dominiert werden. Typischerweise weisen derartige Diffuser eine wellenoptisch berechnete, "glatte" "Freiformfläche" mit statistischem Oberflächenprofil auf. Bei einem derartigen Diffusor ergeben die von jedem Ort z.B. einer Fläche des Diffusors (der Ort kann durch Koordinaten x,y angegeben werden) abgestrahlten Lichtwellen in ihrer Gesamtheit die gewünschte Leuchtsignatur. Die Strukturen auf dem Diffusor sind also derart bestimmt, dass sich gerade die Leuchtsignatur insbesondere als geometrisch definierte Leuchtverteilung ergibt. Die Berechnung solcher Strukturen, auch als kontinuierliche oder refraktive Phasenelemente bezeichnet, ist beispielsweise in J. Néauport et al., Applied Optics, Vol. 42, No. 13, Seiten 2377 ff oder in K.-H. Brenner et al, Diffractive optics and microoptics (DOMO) 2000: Conference Edition; OSA Technical Digest, Seiten 237 ff, ISBN 1-55752-635-4 erläutert. Achromatische Eigenschaften derartiger Elemente werden in M. Cumme und A. Deparnay, Advanced Optical Technologies, Vol. 4, Issue 1, Seiten 47-61, beschrieben. Diese basieren auf einer speziellen Mischung von diffraktiven und refraktiven Eigenschaften, bei der eine entgegengesetzte Winkeldispersion zur Kompensation chromatischer Fehler verwendet wird.
In dieser Veröffentlichung werden also refraktive Diffuser mit achromatischen Eigenschaften beschrieben. Diese vermeiden aufgrund ihrer speziellen Oberflächenstruktur das Auftreten einer nullten Beugungsordnung und besitzen neben ihren achromatischen Eigenschaften eine hohe Effizienz und sind daher gut für Leuchteinrichtungen für Fahrzeuge geeignet.
Unter einer Leuchtsignatur ist dabei die wahrgenommene Erscheinungsform des Lichtes im Betrieb der Leuchteinrichtung zu verstehen, welche insbesondere eine geometrisch definierte Leuchtverteilung aufweisen kann.
Die Lichtquelle kann beispielsweise eine Leuchtdiode und/oder eine Laserdiode, z.B. in Kombination mit einem Phosphortarget, umfassen. Hierdurch ist ein preisgünstiges Bereitstellen einer Lichtquelle ausreichender Kohärenz möglich.
Der refraktive Diffuser kann eingerichtet sein, die Leuchtsignatur mit einer inhomogenen Intensitätsverteilung zu erzeugen. Durch derartige Intensitätsverteilungen ergibt sich ein zusätzlicher Freiheitsgrad bei dem Design von Leuchtsignaturen.
Die Leuchtsignatur kann z.B. eine Rechteckform, ein Kreuzform und/oder eine Bumerang-Form umfassen. Es können aber auch kompliziertere Formen wie z.B. Sternformen oder verschachtelte Intensitätsmuster erzeugt werden. Es sind also verschiedene Formen möglich, was eine große Designfreiheit ergibt.
Der refraktive Diffuser kann auch so eingerichtet sein, dass sich die Leuchtsignatur in Abhängigkeit von einer Betrachtungsrichtung ändert. Hierdurch sind weitere optische Effekte möglich.
Die Leuchteinrichtung kann weiter mindestens einen Spiegel zum Ablenken von Licht von der Lichtquelle umfassen.
Durch Kombination mit einem Spiegel kann Licht von einer Lichtquelle insbesondere mehrfach und/oder mit einer gewünschten Fokussierung durch den Diffuser gelenkt werden.
Der refraktive Diffuser und ein Spiegel des mindestens einen Spiegels können einstückig als eine Komponente ausgebildet sein. So ist eine kostengünstige Herstellung möglich.
Der Spiegel kann einen ersten Spiegel und einen teilreflektierenden zweiten Spiegel umfassen, welche derart angeordnet sind, dass sie mehrere Teillichtstrahlen erzeugen und zu dem refraktiven Diffuser lenken. Bei einer solchen Anordnung mit Mehrfachreflexion können insbesondere mehrere Bilder der Leuchtsignatur erzeugt werden.
Der refraktive Diffuser kann eingerichtet sein, ein virtuelles Bild der Leuchtsignatur in einer Ebene zwischen dem Diffusor und der Lichtquelle zu erzeugen oder eingerichtet sein, das virtuelle Bild in der Ebene der Lichtquelle zu erzeugen. Bei anderen Ausführungsformen kann ein reelles Bild insbesondere zwischen einer Leuchtaustrittsfläche der Leuchteinrichtung und einem Betrachter erzeugt werden.
Der mindestens eine Spiegel kann auch einen Hohlspiegel zum Bündeln von Licht von der Lichtquelle umfassen.
Mit einem Hohlspiegel kann eine Fokusebene bzw. ein Ort eines zu erzeugenden reellen Bildes definiert werden.
Die Leuchteinrichtung kann z.B. als Rückleuchte oder als Frontscheinwerfer ausgebildet sein. Die Erfindung ist somit für verschiedene Leuchtrichtungen eines Fahrzeugs einsetzbar.
Zum besseren Verständnis werden nachfolgend Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen Leuchteinrichtung,
Figuren 2A und 2B Beispiele für Leuchtsignaturen der Leuchteinrichtung der Fig. 1 bei verschiedenen Betrachtungsrichtungen,
Fig. 3 ein schematisches Blockdiagramm einer Leuchteinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Figuren 4A und 4B Darstellungen zur Veranschaulichung von schematischen refraktiven Diffusern,
Figuren 5A und 5B Darstellungen einer Leuchteinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, und Figuren 5C und 5D entsprechende Leuchtsignaturen,
Figuren 6A und 6B Darstellungen einer Leuchteinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
Fig. 7 eine Darstellung einer Leuchteinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
Fig. 8 eine Darstellung einer Leuchteinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
Fig. 9 eine Darstellung einer möglichen Leuchtsignatur der Vorrichtung der Fig. 8,
Fig. 10 eine Darstellung eines Teils eines refraktiven Diffusers, welcher bei der Vorrichtung der Fig. 8 einsetzbar ist,
Fig. 11 eine Darstellung einer Leuchteinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, und
Fig. 12A-12C eine Darstellung zur Erläuterung von von einer Betrachtungsrichtung abhängigen Leuchtsignaturen.

Im Folgenden werden nunmehr verschiedene Ausführungsbeispiele detailliert erläutert. Diese detaillierte Beschreibung ist nicht als einschränkend auszulegen. Insbesondere ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Merkmalen, Komponenten oder Details nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Merkmale, Komponenten und Details zur Implementierung notwendig sind. Variationen und Abwandlungen, welche für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, sind auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar, sofern nichts anderes angegeben ist. Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele können zudem miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsbeispiele zu bilden.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Leuchteinrichtung 30 gemäß einem Ausführungsbeispiel, anhand derer einige grundlegende Komponenten von Ausführungsbeispielen erläutert werden. Die Leuchteinrichtung 30 ist je nach genauer Implementierung beispielsweise als Rückleuchte, als Frontscheinwerfer, als Bremsleuchte oder als Blinker für ein Fahrzeug einsetzbar.
Die Leuchteinrichtung 30 umfasst eine Lichtquellenanordnung 32, welche beispielsweise eine oder mehrere Leuchtdioden, insbesondere Leistungsleuchtdioden oder auch Laserlichtquellen in Kombination mit Phosphortargets umfassen kann. Des Weiteren umfasst die Leuchteinrichtung 30 der Fig. 3 einen refraktiven Diffuser 31, insbesondere einen refraktiven Diffuser mit achromatischen Eigenschaften. Wie bereits erwähnt ist ein derartiger Diffuser beispielsweise in "Advanced Optical Technologies", Vol. 4, No. 1, Seiten 47-61, beschrieben. Mittels des Diffusers 31 kann eine Strahlformung des Lichts von der Lichtquellenanordnung 32 erreicht werden. Insbesondere können ein oder mehrere virtuelle oder reelle Bilder erzeugt werden, welche gewünschte Formen und/oder gewünschte Intensitätsverteilungen aufweisen. Dies ermöglicht eine größere Freiheit beim Design einer Leuchtsignatur der Leuchteinrichtung 30 als bei den eingangs erwähnten herkömmlichen Herangehensweisen.
Die Wirkungsweise und der Aufbau eines derartigen refraktiven Diffusers wird nunmehr unter Bezugnahme auf die Figuren 4A und 4B sowie 12A-12C erläutert.
Wie in Fig. 4A gezeigt, erzeugt ein Diffuser 42 bei Beleuchtung mit geeignetem Licht von einer Lichtquelle 41 ein virtuelles Bild 43, welches in einer Ebene durch die Lichtquelle 41 parallel zu einer Ebene des Diffusers 42 liegt. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann das virtuelle Bild in einer Ebene zwischen Lichtquelle 41 und Diffuser 42 liegen. Insbesondere ist der Diffuser 42 ein refraktiver Diffuser mit achromatischen Eigenschaften. In dem dargestellten Beispiel weist das virtuelle Bild 43 eine Kreuzform auf. Bei dem Design der Form des virtuellen Bildes bestehen jedoch große Freiheiten, und es können auch andere Formen bereitgestellt werden. Von einem Auge 40 eines Betrachters wird dann das virtuelle Bild 43 wahrgenommen. In Fig. 4B ist ein Beispiel für ein Höhenprofil eines derartigen Diffusers 42 dargestellt. Der Diffuser 42 weist ein kontinuierliches Oberflächenprofil auf, welches in Abhängigkeit von der gewünschten Form des Bildes 43 berechnet wird. Da ein refraktiver Diffuser in der Anordnung der Fig. 4A ein virtuelles Bild generiert, können die erzeugten Lichtformen auf der optischen Achse liegen, d.h. das Licht erscheint in der Mitte bei mittiger Betrachtung.
Für die Erzeugung des virtuellen Bildes 43 sind dabei diejenigen Strukturen des refraktiven Diffusers 42 maßgebend und notwendig, die sich in einer bestimmten Region um die optische Achse befinden. Die optische Achse ist dabei die Verbindungslinie zwischen dem Auge 40 des Betrachters und der Lichtquelle 41. Die Größe der bestimmten Region ist über die maximalen Ablenkwinkel der in ihr befindlichen refraktiven Strukturen definiert, nämlich so, dass nur diejenigen Strukturen in der bestimmten Region liegen, durch die Licht von der Lichtquelle 41 noch zu dem Auge 40 hin abgelenkt werden.
Bei Änderung der Betrachtungsrichtung, beispielsweise durch Verschiebung der Position des Auges, verschiebt sich auch die optische Achse und somit diese bestimmte Region, die die für die Erzeugung des wahrgenommenen virtuellen Bildes notwendigen Strukturen enthält. Wenn diese Strukturen des refraktiven Diffusers 42 beispielsweise aus periodisch fortgesetzten Einheitszellen mit identischem Winkelspektrum (d.h. identischer Ablenkung der Strahlen von der Lichtquelle zu dem Auge hin) bestehen, ergibt sich bei Änderung der Betrachtungsrichtung keine Änderung des virtuellen Bildes, da sich zwar die bestimmte Region der für die jeweilige Bilderzeugung relevanten Strukturen des refraktiven Diffusers 42 ändert, nicht aber das von diesen Strukturen in der bestimmten Region erzeugte Winkelspektrum an Lichtstrahlen und somit nicht das wahrgenommene virtuelle Bild.
Bei anderen Ausführungsbeispielen ist der refraktive Diffuser gerade so aufgebaut, dass sich das virtuelle Bild mit der Betrachtungsrichtung ändert. Ein Beispiel hierfür ist in den Figuren 12A bis 12C dargestellt. Die Figuren 12A bis 12C zeigen dabei eine Anordnung mit einem refraktiven Diffuser 121 und einer Lichtquelle 122 für drei verschiedene Betrachtungsrichtungen entsprechend drei verschiedenen Positionen eines Auges 120 relativ zu dem refraktiven Diffuser 121. Als Beispiel sind in dem Diffuser 121 Strukturen 124A, 124B und 124C angedeutet, welche Licht von der Lichtquelle 122 in verschiedener Weise zum Auge hin ablenken.
Bei dem Beispiel der Fig. 12A befinden sich die Strukturen 124A in dem oben erwähnten bestimmten Bereich, d.h. Licht von der Lichtquelle 122, welche auf die Strukturen 124A fällt, wird zum Auge 120 hin abgelenkt, was ein virtuelles Bild in Form eines Balkens 123A erzeugt. Licht von Lichtquelle 122, das auf die Strukturen 124B und 124C fällt, gelangt aufgrund der Winkelcharakteristik dieser Strukturen nicht zu dem Auge 120 in der in Fig. 12A dargestellten Position.
In der Position des Auges 120 der Fig. 12B ist hingegen die Struktur 124B in dem bestimmten Bereich, aus dem Licht von der Lichtquelle 122 zu dem Auge 120 gelenkt wird, und erzeugt ein virtuelles Bild in Form eines Balkens 123B, welcher deutlich länger ist als der Balken 123A der Fig. 12A. In der Position des Auges 120 der Fig. 12C wird schließlich Licht von den Strukturen 124C zu dem Auge 120 gelenkt, was zu einem virtuellen Bild in Form eines Balkens 123C führt, welcher noch länger ist als der Balken 123B.
Somit ändert sich je nach Betrachtungsrichtung das virtuelle Bild, in dem Beispiel die Länge des Balkens. Es sind jedoch auch andere Änderungen, insbesondere auch komplexere Veränderungen wie eine Änderung der wahrgenommenen Form der Leuchtsignatur, beispielsweise veränderliche Sterne, Kreuze, Ring- oder Kreisfiguren. Hierzu werden die refraktiven Strukturen so angeordnet, dass sich das von ihnen erzeugte Winkelspektrum über die Fläche des Diffusers an die gewünschten wahrzunehmenden Leuchtsignaturen angepasst ändert.
Im Folgenden werden nunmehr konkretere Implementierungsbeispiele von Leuchteinrichtungen mit refraktivem Diffuser beschrieben.
In den Fig. 5A und 5B sind Querschnittsansichten von Leuchteinrichtungen dargestellt, welche auf der herkömmlichen Leuchteinrichtung, welche unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 eingangs diskutiert wurde, beruht. Die Leuchteinrichtungen der Figuren 5A und 5B unterscheiden sich lediglich hinsichtlich der Position einer Lichtquelle und sind ansonsten einander entsprechend aufgebaut. Die Figuren 5C und 5D zeigen mögliche Leuchtsignaturen der Ausführungsbeispiele der Figuren 5A und 5B.
In der Fig. 5A ist bei einer Leuchteinrichtung 56A ähnlich wie bei der Leuchteinrichtung 10 der Fig. 1 in einem Gehäuse ein Spiegel 53, welcher zumindest im Wesentlichen vollständig reflektiert, und ein teildurchlässiger Spiegel 52 angeordnet. Des Weiteren weist die Beleuchtungseinrichtung 56A eine Leuchtdiode 54A als Lichtquelle auf. Die Leuchtdiode 54A kann insbesondere eine Leistungsleuchtdiode mit hinreichend hoher Intensität sein. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5A ist die Leuchtdiode 54A dabei seitlich, d.h. zu einer Mittelachse versetzt, angeordnet.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5A wird eine gewünschte Form der Leuchtsignatur, beispielsweise ein Rechteck, nicht durch eine Anordnung vieler Leuchtdioden wie bei dem Stand der Technik der Fig. 1 erzeugt, sondern durch einen refraktiven Diffuser 50A, welcher eingerichtet ist, im Fernfeld eine gewünschte Form, z.B. eine Rechteckform, zu erzeugen.
Hierdurch ist nur eine einzige Leuchtdiode als Lichtquelle notwendig. Zudem besteht eine größere Freiheit im Design der gewünschten Form der Leuchtsignatur, und das Rechteck ist hier nur als Beispiel zu verstehen.
Die Fig. 5B zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels der Fig. 5A, und gleiche Elemente weisen die gleichen Bezugszeichen auf und werden nicht mehrmals erläutert. Es werden vielmehr nur die Unterschiede zu der Fig. 5A erläutert.
Im Unterschied zu der Fig. 5A ist bei einer Leuchteinrichtung 56B der Fig. 5B eine Leuchtdiode 54B zentral angeordnet. Es ist wiederum ein Diffuser 50B vorgesehen, welcher verglichen mit dem Diffuser 50A an die veränderte Position der Leuchtdiode 54B angepasst sein kann und wiederum eingerichtet ist, im Fernfeld eine gewünschte Form, beispielsweise eine Rechteckform, zu erzeugen.
Sowohl bei der Fig. 5A, als auch bei der Fig. 5B wird dabei das Licht der Leuchtdiode 54A bzw. 54B mehrmals zwischen den Spiegeln 52 und 53 reflektiert, wobei der Spiegel 52 jeweils einen Teil des Lichts durchlässt. Aus dem jeweils ausgekoppelten Licht werden durch den Diffuser 50A bzw. 50B im Fernfeld dann verschiedene Rechtecke "geformt".
Die Figuren 5C und 5D zeigen Beispiele für sich ergebende Leuchtsignaturen. Die Leuchtsignatur 55A weist mehrere ineinander geschachtelte Rechtecke auf, welche nicht mittig zueinander angeordnet sind. Eine derartige Signatur kann sich beispielsweise bei gerader Betrachtung der Leuchteinrichtung 56A der Fig. 5A oder der Leuchteinrichtung 56B der Fig. 5B ergeben. Die Fig. 5D zeigt eine Leuchtsignatur 55B mit mittig zueinander angeordneten Rechtecken, wie sie sich beispielsweise aus schräger Betrachtung der Leuchteinrichtung 56B der Fig. 5B oder der Leuchteinrichtung 56A der Fig. 5A ergeben kann.
Im Unterschied zu den unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 erläuterten Leuchteinrichtungen ist hier die größte Lichtform, d.h. in dem dargestellten Beispiel das größte Rechteck, in einer am weitesten entfernten Ebene im Hintergrund vom Betrachter aus zu sehen, während das kleinste Rechteck dem Betrachter am nächsten erscheint. Zudem ist hier im Gegensatz zu der Leuchteinrichtung der Figuren 1 und 2 das kleinste Rechteck am hellsten.
Diese Intensitätsverteilung ergibt sich beim Einsatz eines durchgehenden teilreflektierenden Spiegels 52. Um die Lichtintensitäten durch die mehreren Reflexionen anders zu verteilen, ist auch der Einsatz einer Anordnung mit mehreren teildurchlässigen Spiegeln mit einem kleinen Transmissionsfaktor (5 % oder 10 %) oder mit sich verändernden Transmissionsfaktoren bei anderen Ausführungsbeispielen möglich.
Die Verwendung eines refraktiven Diffusers erlaubt insbesondere eine große Designfreiheit hinsichtlich der Form der Leuchtsignatur. Diese ist insbesondere nicht auf Rechtecke wie in der Fig. 5 gezeigt beschränkt. Weitere Möglichkeiten werden nunmehr unter Bezugnahme auf die Figuren 6 und 7 erläutert. Die Figuren 6A und 6B zeigen dabei eine Leuchteinrichtung 60, welche größtenteils wie die Leuchteinrichtung 56B der Fig. 5B aufgebaut ist. Als Unterschied ist der Diffuser 50B der Fig. 5B durch einen Diffuser 63 ersetzt, welcher eingerichtet ist, statt der rechteckförmigen Leuchtsignatur des Diffusers 50 eine Bumerang-förmige Leuchtsignatur zu erzeugen. Die Leuchteinrichtung 60 weist dabei eine mittig angeordnete Lichtquelle entsprechend der Lichtquelle 54B der Fig. 5B auf. Als Abwandlung kann eine Lichtquelle auch am Rand der Leuchteinrichtung angeordnet sein, entsprechend der Lichtquelle 54A der Fig. 5A.
Die Figuren 6A und 6B zeigen Beispiele für sich ergebende Leuchtsignaturen für zwei verschiedene Betrachtungsrichtungen. Die Fig. 6A zeigt dabei ein Beispiel für eine Leuchtsignatur 62A bei einer mittigen Betrachtung wie durch ein Auge 61A angedeutet. Die Fig. 6B zeigt die entsprechende Leuchtsignatur 62B bei einer seitlichen oder schrägen Betrachtung, wie durch ein Auge 61B angedeutet. Ähnlich wie in der Fig. 5 entsteht hier die Grundform der Leuchtsignatur in verschiedenen Größen, wobei die Grundform in diesem Fall ein Boomerang ist. Die Bumerang-Form weist zudem bei dem Beispiel der Fig. 6 eine Uniformitätsvariation auf, d.h. die Form weist helle Zonen und weniger helle Zonen auf.
Ein weiteres Beispiel ist in der Fig. 7 dargestellt. Die Fig. 7 zeigt eine Leuchteinrichtung 70, welche entsprechend der Leuchteinrichtung 56A der Fig. 5A (mit einer am Rand angeordneten Lichtquelle) ausgestaltet ist. Statt des refraktiven Diffusers 50 der Fig. 5A weist die Leuchteinrichtung 70 der Fig. 7 einen refraktiven Diffuser 74 auf, welcher eingerichtet ist, eine kreuzförmige Leuchtsignatur zu erzeugen. Ein Beispielergebnis bei gerader Betrachtung wie durch ein Auge 71 angedeutet ist mit 72 bezeichnet. Das kleinste Kreuz (bei 72 links dargestellt) ist in diesem Fall das hellste und erscheint im Vordergrund, während das größte Kreuz (bei 72 rechts) das dunkelste ist und rechts erscheint. Mit 73 ist eine fotografische Aufnahme eines entsprechenden Bildes bezeichnet. Hier ist der Diffuser zusätzlich derart ausgestaltet, dass die Kreuze eine Lichtmodulation aufweisen. Insbesondere erscheinen die Kreuze in dem dargestellten Beispiel in der Mitte heller als am Rand. Auch andere Lichtmodulationen sind möglich. Derartige Lichtmodulationen können zudem auch bei anderen Formen eingesetzt werden, beispielsweise der Rechteckform der Fig. 5 oder der Boomerangform der Fig. 6. Durch entsprechende Ausgestaltung eines refraktiven Diffusers gibt es hier also eine große Designfreiheit.
Die unter Bezugnahme auf die Figuren 5 bis 7 diskutierten Ausführungsbeispiele benutzen eine Mehrfachreflexion und eignen sich insbesondere für Rückleuchten eines Fahrzeugs. Es sind auch Rückleuchten ohne Mehrfachreflexion, d.h. ohne die dargestellten Spiegel, möglich. In diesem Fall wird eine einzelne Form der Leuchtsignatur, beispielsweise ein einziger Boomerang, ein einziges Rechteck oder ein einziges Kreuz erzeugt. Zudem lassen sich refraktive Diffuser auch für andere Arten von Leuchteinrichtungen in Fahrzeugen einsetzen. Als Beispiel werden nunmehr unter Bezugnahme auf die Figuren 8 bis 11 Leuchteinrichtungen dargestellt, welche als Frontscheinwerfer oder Teil hiervon zum Einsatz kommen, beispielsweise als Fernlicht, Abblendlicht oder auch Tagfahrlicht.
In Fig. 8 ist eine schematische Darstellung eines Fahrzeugscheinwerfers 80 eines Ausführungsbeispiels dargestellt. Das Ausführungsbeispiel der Fig. 8 umfasst eine Lichtquelle 81. Die Lichtquelle 81 kann beispielsweise eine Laserdiode kombiniert mit einem Phosphortarget umfassen, kann jedoch auch eine andere Art von Lichtquellen, wie beispielsweise eine Leuchtdiode, eine Weißlichtleuchtdiode oder eine Kombination mehrerer derartiger Lichtquellen umfassen. Licht von der Lichtquelle 81 fällt auf einen Hohlspiegel 82, welcher eingerichtet ist, Licht zu einem Brennpunkt 85 in einer Projektionsebene 86 hin zu bündeln.
Im Unterschied zu herkömmlichen Scheinwerfern weist der Scheinwerfer 80 der Fig. 8 zusätzlich einen refraktiven Diffuser 83 auf, welcher zwischen dem Hohlspiegel 82 und der Projektionsebene 86 angeordnet ist. Derartige refraktive Diffuser sind beispielsweise durch Spritzgusstechniken günstig herstellbar.
Der Diffuser 83 erzeugt in der Projektionsebene 86 am Brennpunkt oder um den Brennpunkt herum eine gewünschte Lichtverteilung, d.h. eine gewünschte Leuchtsignatur der Leuchteinrichtung, welche wie bereits bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen erläutert durch entsprechende Ausgestaltung des Diffusers 83 wie gewünscht gewählt werden kann. Als Beispiel ist in Fig. 9 eine rechteckförmige Verteilung 90 gezeigt. Es sind jedoch auch beliebig andere Verteilungen wie zum Beispiel Dreiecke, Quadrate, Sterne oder andere, auch komplexere, Formen möglich. Je nach Brennweite des Hohlspiegels 82 kann dabei die Projektionsebene 86 bzw. der Brennpunkt 85 außerhalb des Scheinwerfers 80 (wie dargestellt) oder innerhalb des Scheinwerfers liegen. Beispielsweise kann der Abstand zwischen dem Diffuser 83 und der Projektionsebene 86 zwischen 2 und 10 cm betragen, beispielsweise etwa 5 cm. Diese Zahlenwerte sind jedoch nur als Beispiel zu verstehen. Die Leuchtsignatur wird dabei als reelles Bild erzeugt, welches sich beispielsweise im Raum vor der Leuchtvorrichtung außerhalb des Fahrzeugs befindet. Wie oben unter Bezugnahme auf die Fig. 11 diskutiert kann auch bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 9 ein Diffuser 83 verwendet werden, der derart ausgestaltet ist, dass sich bei Änderung der Betrachtungsrichtung eine Änderung der Leuchtsignatur ergibt, wie dies am Beispiel eines veränderlichen Balkens in Fig. 11 diskutiert wurde.
Der Diffuser selbst kann wiederum wie in den eingangs erwähnten Dokumenten beschrieben ausgestaltet sein.
Die Fig. 10 zeigt einen Ausschnitt aus einer berechneten Phasenverteilung für einen refraktiven Diffuser zur Erzeugung einer Rechtecksignatur wie in Fig. 9 dargestellt. Mit 100 ist eine Draufsicht auf einen Teil der Phasenverteilung des Diffusers angegeben, wobei der Phasenhub in Einheiten von 2 π dargestellt ist. Ein Graph 101 zeigt einen Querschnitt der Phasenverteilung entlang einer Linie 102 in der Darstellung 100. Die Berechnung wurde dabei für eine Wellenlänge von 630 nm und eine Kohärenzlänge von 30 nm durchgeführt. Je nach gewünschter Leuchtsignatur, gewünschter Wellenlänge und Kohärenzlänge kann sich die Phasenverteilung von Implementierung zu Implementierung unterscheiden.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 8 sind der Hohlspiegel 82 und der Diffuser 83 getrennte Komponenten. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann eine Diffuserstruktur auch auf einer Spiegelfläche bereitgestellt werden. In diesem Fall kann dann Hohlspiegel und Diffuserstruktur in einem einzigen Spritzgussverfahren hergestellt werden. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 11 dargestellt. Fig. 11 zeigt einen Scheinwerfer 110 mit einer Lichtquelle 111, welche entsprechend der Lichtquelle 81 der Fig. 8 ausgestaltet sein kann. Des Weiteren umfasst der Scheinwerfer 110 einen Hohlspiegel 112, auf dessen reflektierender Oberfläche ein refraktiver Diffuser 113 ausgebildet ist, sodass Hohlspiegel 112 und Diffuser 113 eine einzige Komponente bilden. Der Hohlspiegel 112 bildet die Lichtstrahlen, welche von der Lichtquelle ausgehen, auf einen Brennpunkt 114 hin ab. In einer entsprechenden Projektionsebene durch den Brennpunkt wird dann eine durch den Diffuser 113 bestimmte Leuchtsignatur erzeugt. Abgesehen von der Bereitstellung des Diffusers 113 direkt auf der Oberfläche des Hohlspiegels 112 entspricht die Funktionsweise des Ausführungsbeispiels der Fig. 11 der Funktionsweise des Ausführungsbeispiels der Fig. 8, und die verschiedenen Variationen und Erläuterungen, welche bezüglich des Ausführungsbeispiels der Fig. 8 gemacht wurden, sind auch auf das Ausführungsbeispiel der Fig. 11 anwendbar.
Es ist zu bemerken, dass eine derartige einstückige Ausbildung von Diffuser und Spiegel auch bei anderen Ausführungsbeispielen möglich ist. So kann beispielsweise bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 der Diffuser 50 auf dem teildurchlässigen Spiegel 52 ausgebildet sein.
Somit können mittels refraktiven Diffuseren verschiedene Arten von Fahrzeug-Leuchteinrichtungen, insbesondere Rückleuchten, Frontscheinwerfer, aber auch Blinker, Bremslichter und dergleichen, mit gewünschten Leuchtsignaturen versehen werden, was eine große Designfreiheit ermöglicht.

Claims

Fahrzeug-Leuchteinrichtung (30; 56A; 56B; 60; 70; 80; 110), umfassend:
eine Lichtquelle (32; 41; 54A; 54B; 81; 111; 122), und

einen refraktiven Diffuser (31; 42; 50; 63; 74; 83; 113; 121), wobei Licht von der Lichtquelle (32; 41; 54A; 54B; 81; 111) zum Erzeugen einer Leuchtsignatur (43; 55A; 55B; 62A; 62B; 72; 73; 90; 123A, 123B, 123C) als ein oder mehrere virtuelle oder reelle Bilder, welche gewünschte Formen und/oder Intensitätsverteilungen aufweisen und in einer jeweiligen Ebene liegen, auf Basis von Licht aus der Lichtquelle (32; 41; 54A; 54B; 81; 111) durch den refraktiven Diffuser (31; 42; 50; 63; 74; 83; 113; 121) hindurch zu einem Betrachter gelangt,

wobei der refraktive Diffuser (31; 42; 50; 63; 74; 83; 113; 121) ein wellenoptisch berechnetes statistisches kontinuierliches Oberflächenprofil aufweist.
Fahrzeug-Leuchteinrichtung (30; 56A; 56B; 60; 70; 80; 110) nach Anspruch 1, wobei der refraktive Diffuser (31; 42; 50; 63; 74; 83; 113; 121) ein refraktiver Diffuser mit achromatischen Eigenschaften ist.
Fahrzeug-Leuchteinrichtung (30; 56A; 56B; 60; 70; 80; 110) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Lichtquelle (32; 41; 54A; 54B; 81; 111; 122) eine Leuchtdiode und/oder eine Laserdiode umfasst.
Fahrzeug-Leuchteinrichtung (30; 56A; 56B; 60; 70; 80; 110) nach einem der Ansprüche 1-3, wobei der refraktive Diffuser (31; 42; 50; 63; 74; 83; 113; 121) eingerichtet ist, die Leuchtsignatur (43; 55A; 55B; 62A; 62B; 72; 73; 90; 123A, 123B, 123C) mit einer inhomogenen Intensitätsverteilung zu erzeugen.
Fahrzeug-Leuchteinrichtung (30; 56A; 56B; 60; 70; 80; 110) nach einem der Ansprüche 1-4, wobei die Leuchtsignatur (43; 55A; 55B; 62A; 62B; 72; 73; 90) eine Rechteckform, eine Kreuzform und/oder eine Bumerang-Form umfasst.
Fahrzeug-Leuchteinrichtung (30; 56A; 56B; 60; 70; 80; 110) nach einem der Ansprüche 1-5, wobei der refraktive Diffuser (121) eingerichtet ist, eine in Abhängigkeit von einer Betrachtungsrichtung veränderliche Leuchtsignatur (123A; 123B. 123C) zu erzeugen.
Fahrzeug-Leuchteinrichtung (30; 56A; 56B; 60; 70; 80; 110) nach einem der Ansprüche 1-6, weiter umfassend mindestens einen Spiegel (53, 53; 82; 112) zum Ablenken von Licht von der Lichtquelle (32; 41; 54A; 54B; 81; 111; 122).
Fahrzeug-Leuchteinrichtung (110) nach Anspruch 7, wobei der refraktive Diffuser (113) und ein Spiegel (112) des mindestens einen Spiegels einstückig als eine Komponente ausgebildet sind.
Fahrzeug-Leuchteinrichtung (56A, 56B; 60; 70) nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Spiegel einen ersten Spiegel (53) und einen teilreflektierenden zweiten Spiegel (52) umfasst, welche derart angeordnet sind, dass sie mehrere Teillichtstrahlen erzeugen und zu dem refraktiven Diffuser (42; 50; 63; 74) lenken.
Fahrzeug-Leuchteinrichtung (30; 56A; 56B; 60; 70; 80; 110) nach einem der Ansprüche 1-9, wobei der refraktive Diffuser (31; 42; 50; 63; 74) eingerichtet ist, ein virtuelles Bild der Leuchtsignatur in einer Ebene der Lichtquelle (32; 41; 54A; 54B; 122) zu erzeugen oder eingerichtet ist, ein virtuelles Bild der Leuchtsignatur in einer Ebene zwischen der Lichtquelle (32; 41; 54A; 54B; 122) und dem refraktiven Diffuser (31; 42; 50; 63; 74) zu erzeugen
Fahrzeug-Leuchteinrichtung (80; 110) nach Anspruch 7 oder 8, wobei der mindestens eine Spiegel (82; 112) einen Hohlspiegel zum Bündeln von Licht von der Lichtquelle (81; 111) umfasst.
Fahrzeug-Leuchteinrichtung (30; 56A; 56B; 60; 70; 80; 110) nach einem der Ansprüche 1-11, wobei die Fahrzeug-Leuchteinrichtung als Rückleuchte, als Frontscheinwerfer, als Bremsleuchte oder als Blinker ausgebildet ist.