EP3857273A1 - Leuchteinrichtung für ein fahrzeug - Google Patents

Leuchteinrichtung für ein fahrzeug

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Publication number
EP3857273A1
EP3857273A1 EP19782932.8A EP19782932A EP3857273A1 EP 3857273 A1 EP3857273 A1 EP 3857273A1 EP 19782932 A EP19782932 A EP 19782932A EP 3857273 A1 EP3857273 A1 EP 3857273A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
lighting device
light
diffuser
light source
aspherical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP19782932.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Cumme
Arnaud Deparnay
Roman KLEINDIENST
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jenoptik AG
Original Assignee
Carl Zeiss Jena GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss Jena GmbH filed Critical Carl Zeiss Jena GmbH
Publication of EP3857273A1 publication Critical patent/EP3857273A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G02B19/0028—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed refractive and reflective surfaces, e.g. non-imaging catadioptric systems
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F21S41/141—Light emitting diodes [LED]
    • F21S41/143—Light emitting diodes [LED] the main emission direction of the LED being parallel to the optical axis of the illuminating device
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F21S41/151—Light emitting diodes [LED] arranged in one or more lines
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    • F21S41/285—Refractors, transparent cover plates, light guides or filters not provided in groups F21S41/24 - F21S41/2805
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    • F21S41/32—Optical layout thereof
    • F21S41/322—Optical layout thereof the reflector using total internal reflection
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    • G02B5/0205—Diffusing elements; Afocal elements characterised by the diffusing properties
    • G02B5/021—Diffusing elements; Afocal elements characterised by the diffusing properties the diffusion taking place at the element's surface, e.g. by means of surface roughening or microprismatic structures
    • G02B5/0221—Diffusing elements; Afocal elements characterised by the diffusing properties the diffusion taking place at the element's surface, e.g. by means of surface roughening or microprismatic structures the surface having an irregular structure
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    • G02B5/0205—Diffusing elements; Afocal elements characterised by the diffusing properties
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    • G02B5/0273—Diffusing elements; Afocal elements characterized by the use
    • G02B5/0278—Diffusing elements; Afocal elements characterized by the use used in transmission

Definitions

  • the present application relates to lighting devices for vehicles.
  • Quality requirements for the lighting distribution provided, described by the so-called lighting function are continuously increasing and are characterized, for example, in the field of headlights by the desire for lighting functions for wide spectral ranges, for example white light, with complex, high-resolution lighting angles that are defined depending on the solid angle.
  • asymmetrical lighting functions are particularly required, for example with dipped and cornering lights.
  • Lighting devices are required to avoid, for example, color fringing and over-radiating areas, so-called "hot spots", when illuminating the road, in order to avoid disturbances for vehicle drivers and other road users.
  • hot spots when illuminating the road.
  • Faults are blue fringes of color that occur with moving vehicles, for example
  • Warning signals from emergency vehicles could be confused.
  • Corresponding requirements can be found for other vehicle lighting devices, for example taillights, fog lights, daytime running lights, brake lights or
  • LED light emitting diodes
  • LED light emitting diodes
  • Beam area in currently available systems for example, with a luminous flux of 600 lumens 2.1 x 1 mm 2 and with a luminous flux of 1200 lumens 4.4 mm 2 .
  • Such extensive radiation surfaces emitting in a wide solid angle range are more difficult to collimate with increasing surface, ie the radiation also has a residual divergence that is generally too high after the collimation in order to be able to implement desired lighting functions. If the residual divergence is too great, high-resolution beam shaping is made significantly more difficult.
  • FR 2 919 913 is a light source in combination with a collimator for one
  • Point light source and a device for beam shaping known, in particular for
  • FR 2 919 913 does not disclose anything about the handling of a finally extended light source and the problems of the aforementioned hot spots, such as those caused by the use of holographic diffusers as described in FR 2 919 913, the zeroth or higher diffraction orders have, can occur.
  • the collimation and beam shaping system should have as few color errors as possible. That would be e.g. possible if the beam formation and collimation by reflection optics (e.g.
  • the object of the invention is therefore to provide an improved lighting device which at the same time meets the above requirements to a greater extent:
  • a lighting device according to claim 1 is provided.
  • the sub-claims define further embodiments.
  • the lighting device comprises a spatially extended light source with a luminous area greater than 0.5 mm 2 . Furthermore, the lighting device comprises an aspherical TIR lens, which is set up to collimate light from the spatially extended light source, and a refractive diffuser, which is set up to generate a light distribution based on the collimated light.
  • TIR total internal reflection
  • TIR lenses are explained in more detail below.
  • An aspherical lens is understood to mean a lens in which at least one of the refractive surfaces has a surface deviating from a spherical or planar shape.
  • refractive diffuser is a component known per se, which has refractive, scattering or diffractive properties on a surface.
  • refractive diffusers are understood to mean diffusers with smooth surface profile shapes which do not contain any cracks and whose properties are characterized by the
  • Such diffusers typically have a wave-optically calculated, “smooth” “free-form surface” with a statistical surface profile.
  • the result from any location e.g. a surface of the diffuser (the location can be specified by coordinates x, y), emitted light waves in their entirety the desired light distribution.
  • the refractive diffuser can comprise a large number of surface areas, each of which contains all the information required for beam shaping. If, for example, a single surface area is illuminated with such refractive diffusers, the desired light distribution is created in the far field.
  • the surface areas can have sizes of 300-1000 pm, for example. All surface areas can be calculated so that they contain stochastically distributed structures. Furthermore, all surface areas can be designed in such a way that they are statistically independent of one another. In addition, all surface areas can be designed in such a way that they can be continuously joined to one another without any visible boundaries being created. In particular, it can be avoided that jump points on the there are joined surface areas, in particular it can be achieved that the refractive diffuser can be continuously differentiated over several surface areas.
  • a refractive diffuser cannot have a technologically determined zero diffraction order or undesirable higher diffraction orders. This can result in the occurrence of undesirable light effects such as Hot spots and lighting inhomogeneities can be avoided.
  • An ideal lighting device can be approximated by such a lighting device.
  • Such an ideal lighting device would consist of the following components: a fully collimatable light source, for example a point light source, a collimator, which ensures ideal collimation, and a high-resolution achromatic one
  • Beam shaping optics with complex, low-scatter beam shaping function are described below.
  • the refractive diffuser is an achromatic refractive diffuser.
  • Achromatic is understood to mean that the change in the light path, for example due to refraction, is essentially not dependent on the wavelength of the light. This can apply in particular to a range of wavelengths, for example for a specific wavelength range, for example for the visible wavelength range.
  • Achromatic properties of such refractive diffusers are described in M. Cumme and A.
  • the refractive diffusers described above potentially have a significantly higher efficiency than all other known diffusers. They can therefore be suitable for fulfilling the desire for increased efficiency in the field of vehicle lighting. This can also make it possible to achieve high brightness or high overall performance.
  • the achromatic refractive diffuser has an optical diffuser surface which is set up to provide the luminous distribution on the basis of the collimated light, the diffuser surface being continuously differentiable.
  • Beam angles for example at a numerical aperture NA up to 0.7, for example at 633 nm.
  • NA numerical aperture
  • the continuously differentiable shape also prevents phase jumps in the transmitted light.
  • the design freedom when creating the optical diffuser enables almost any, even asymmetrical, far field distributions.
  • Lighting functions can go beyond simple geometric shapes such as circles, ellipses and squares.
  • the geometric shapes such as circles, ellipses and squares.
  • Lighting functions have smooth transitions in intensity; in other examples, the lighting functions can have sharp transitions in intensity. A combination is also possible.
  • the intensity can have smooth transitions in a first angular direction, in a second perpendicular to the first angular direction
  • a hard transition can be understood, for example, to mean a change in the intensity by> 50%, for example by> 75%, for example> 85% in a solid angle range that corresponds to the half-width width solid angle range, FWHM (Full Width Half Maximum) - solid angle range that corresponds to the lighting .
  • a soft transition can be understood, for example, to mean a change in the intensity by ⁇ 50%, for example ⁇ 25%, for example ⁇ 15%, for example ⁇ 5%, for example ⁇ 3% in a solid angle range which corresponds to the FWHM solid angle range of the lighting.
  • the FWHM solid angle range of the lighting is understood to mean the solid angle range that is illuminated by the lighting arrangement described above, consisting of spatially extended LED and TIR lens, and only such
  • the refractive diffuser can be designed such that a residual divergence that occurs when it is illuminated, e.g. is created by the system consisting of an extended LED light source and TIR lens, is taken into account in the optical design.
  • a residual divergence that occurs when it is illuminated e.g. is created by the system consisting of an extended LED light source and TIR lens.
  • This can have the advantage that the deviation of the illumination angle distribution caused by the residual divergence is reduced. This enables the system to be designed in such a way that an ideal lighting device is better approximated. This allows the
  • Luminous distribution have an improved quality.
  • the diffuser surface has stochastically distributed structures with convex and concave structural components, the structural components having typical lateral dimensions of 15 pm-500 pm.
  • This procedure can also be used during the calculation to produce low-resolution optical lithographic processes, e.g. laser beam writing at 1 pm Dissolution, which can also reduce the cost of manufacture. These factors can contribute to a cost reduction with the same or even increased quality of the light distribution.
  • some of the refractive diffusers in optics design offer a choice of profile height and lateral structure size of the element structures while maintaining the generated angular distribution, the profile height and lateral structure size representing coupled quantities that are proportional to one another. This is called scalability of the design.
  • a predetermined illumination angle distribution A could be generated with a diffuser B, in which the average structure depth is, for example, 3 pm and the average lateral structure size is 50 pm.
  • a scalable design it is possible to generate the same illumination angle distribution A with a scaled diffuser C in which the average structure depth is, for example, 6 pm and the average lateral structure size is correspondingly 100 pm.
  • Deflection angle errors can be achieved by the combination of light diffraction and light refraction.
  • light In each diffuser, light is deflected at all locations on its illuminated surface.
  • Light can be diffracted, e.g. on a blaze grid (cf.
  • the deflection angle caused by refraction with normal dispersion e.g. in optical glasses in the visible wavelength range
  • the deflection angle caused by diffraction increases as the wavelength increases. If a prism and a blaze grating were illuminated with a white beam of light and if the orientation of both elements were such that the light would be deflected in the same direction, then a color spectrum would be visible behind both elements, although both color gradients would be oriented mirror-symmetrically to one another.
  • a blaze grille as described above as a scalable element and if you were to increase the profile depth and the period piece by piece with a blaze grille, then the grille would initially have a pure diffractive effect.
  • the diffractive effect would disappear and the optical effect would only be determined by the refractive effect.
  • This principle can also be used for color correction with refractive diffusers whose structure sizes are scalable.
  • Such diffusers have a structure size in which both diffraction and refraction occur, and the structure size is selected in such a way that the wavelength dependencies of the local deflection angles are compensated for.
  • achromatic refractive diffusers as described above, can have an optical design which is based on the considerations described. In contrast to blaze gratings, it is also possible with achromatic refractive diffusers to avoid a technologically determined zero diffraction maximum.
  • Such achromatic refractive diffusers can therefore have the advantage that color fringes can be avoided when illuminating the roadway.
  • the refractive diffuser comprises at least one region that contains a hybrid structure, the hybrid structure comprising a combination of an achromatic refractive diffuser with a globally acting diffractive structure.
  • the refractive diffuser can be an achromatic refractive diffuser in whole or in part.
  • the hybrid structure can also lie outside the areas of the refractive diffuser in which the refractive diffuser is an achromatic refractive diffuser. Areas of the refractive diffuser can also be achromatic refractive
  • the at least one region can be part of the refractive diffuser or can include the entire refractive diffuser. It is also possible for there to be a plurality of regions with hybrid structures which can overlap and / or can be spaced apart from one another.
  • a globally acting diffractive structure is understood here to mean that the structure exerts a diffractive optical function on light which passes through the globally acting diffractive structure, all local areas of the structure deflecting the light in such a way that the deflection occurs in a predetermined relationship all other areas.
  • a given relationship to all other areas means, for example, that all light rays passing through the global structure intersect in one place or in several places, for example located on a circular line. This one or more places can also be one virtual point or several virtual points, as is known, for example, in the case of diffusion lenses.
  • Globally acting can mean that the diffractive effect not only locally, but globally, the angular distribution of incoming light, for example on a scale of at least 20%, for example at least 40%, for example at least 60%, for example at least 80%, for example 100% of the Dimension of the globally acting diffractive structure influenced.
  • Such a global effect can be expressed, for example, by focusing parallel light on one point.
  • Such a globally acting diffractive structure can be set up so that a
  • Color angle spectrum of the light collimated by the aspherical TIR lens can be reduced. This can be achieved, for example, by optimizing the diffractive structure taking into account the color angle spectrum of the light collimated by the TIR lens, for example by means of optimization calculations as described below. It may also be possible to optimize the TIR lens and the globally acting diffractive structure together. This can further improve the quality of the light distribution.
  • such a globally acting diffractive structure and / or hybrid structure can include discontinuities. These can be optimized with regard to a central wavelength, for example for a central wavelength A.
  • Such discontinuities in the global refractive structure can lead to the occurrence of a zeroth diffraction order, which can be disadvantageous, as already explained above.
  • the jump points of the global refractive structure in the hybrid structure act in combination with an achromatic refractive diffuser, the jump points can each have a different one, for example if they are stochastic, but also in other exemplary embodiments, in combination with the achromatic refractive diffuser have randomly distributed, phase relationship to each other.
  • all light contributions occurring at the jump points which could lead to a zero-order diffraction pattern in the light distribution, mutually at least essentially, preferably completely, are compensated for by interference.
  • a combination of an achromatic refractive diffuser with a globally acting diffractive structure is understood to mean that the two elements are combined. This can be done, for example, by superpositioning profiles of the two structures, for example by superimposing height profiles of the two structures, for example by adding.
  • the hybrid structure can be composed of different optical components, which are arranged one behind the other, for example, so that the combination only results from the passing light.
  • the globally acting diffractive structure comprises a Fresnel lens.
  • the hybrid structure may be designed in such a way that a color correction is carried out by the hybrid structure, for example if color errors arise due to the collimation. This can be done by determining the chromatic properties of the aspherical TIR lens and including them as input parameters in the optical design of the hybrid structure.
  • the spatially extended light source is configured to provide white light as the light.
  • White light is understood here to mean light that has a combination of different spectral ranges, so that a white color impression is produced for the human eye.
  • the light source includes a light emitting diode and / or a laser diode.
  • the light source may further comprise a phosphor target. This is an inexpensive
  • the light distribution may have one or more of the following shapes: a symmetrical shape, an asymmetrical shape, a round shape, a square shape, an elliptical shape.
  • an elliptical shape can have symmetrical properties, for example a mirror symmetry along the Major axes.
  • the light distribution can also have a combination of the shapes mentioned, for example an elliptical shape in a first area and a round shape in a second area, which can be different from the first area.
  • Other combinations are also possible.
  • the light distribution has one or more of the following
  • an asymmetrical intensity distribution can be achieved by superimposing a top-hat-shaped intensity distribution with a super Gaussian intensity distribution.
  • asymmetrical intensity distributions can be provided that the
  • the light distribution can be designed in such a way that sharp contours are created in some places. For example, Lettering or certain characters such as Arrows are generated that show a strong contrast when they are projected onto the road.
  • the illuminated areas can be any, mathematically defined
  • Brightness modulations included i.e. Changes in brightness across the light distribution.
  • the aspherical TIR lens is not rotationally symmetrical.
  • rotationally symmetrical TIR lens can be improved compared to a rotationally symmetrical TIR lens. This will be explained in more detail later.
  • the coupling-in surfaces that is to say the surfaces which face the light source, enclose the TIR lens as far as possible around the extended light source and thus ensure that radiation emanating from the light source is in the largest possible solid angle range, for example essentially Half space around the light source into which the TIR lens is coupled.
  • Essentially encompassing a half space around a region is understood to mean that the spatially extended light source occupies a large part of the solid angle range of the half space, for example 80%, for example 85%, for example 90%, for example 95%, for example 100% of the solid angle range of the half space. This can have the advantage that a large part of the light emitted by the spatially extended light source is received and collimated by the TIR lens, which prevents losses and thus improves the efficiency of the system.
  • the spatially extended light source has a shape that includes a first length in a first direction and a second length in a second direction that is different from the first direction.
  • the first length is greater than the second length.
  • the shape of the light source may be a rectangular shape having a first side length and a second side length, the first length being the first side length and the second length being the second side length.
  • the aspherical TIR lens has a first dimension in the first direction and a second dimension in the second direction, the first
  • Extent is greater than the second extent.
  • the TIR lens shaped in this way has improved optical properties compared to a TIR lens that is not adapted to the shape of the spatially extended light source, i.e. collimation adapted in the first and second directions.
  • the aspherical TIR lens is set up to produce an essentially rotationally symmetrical collimation of the spatially extended light source.
  • a rotationally symmetrical collimation is understood here to mean that the deviation from an ideal collimation has a rotational symmetry with respect to the optical axis of the TIR lens, for example is constant in the amount of the deviation angle from the ideal collimation.
  • the deviation is essentially constant, for example less than 20%, for example less than 10, for example less than 5%, in particular less than 1%.
  • the angular deviation, also referred to as the local divergence angle, to the optical axis is proportional to the extension of the light source in relation to the lens diameter in the section plane perpendicular to the optical axis and to the reciprocal focal length of the lens.
  • the extent of the light source depends on the choice of the section plane perpendicular to the optical axis. So that's local too
  • the TIR lens has a first dimension in the first direction and a second dimension in the second direction, the first dimension being greater than the second dimension, this effect can now be at least partially compensated for.
  • an elliptical shape of the TIR lens can be selected, so that the angle of divergence is the same again for all cutting planes, because in the cutting planes in which the light source has a larger extension, the TIR lens also has a larger extension .
  • an angular light source for example a rectangular light source
  • this property can essentially also be achieved.
  • An elliptical shape of the TIR lens can also be selected here in order to take into account the different dimensions of the light source in different directions and to improve the collimation.
  • the focal length of the TIR lens can be increased, whereby an optimization process can be carried out together with other opposing requirements, for example construction volume.
  • the elliptical shape of the TIR lens is only one example of non-rotationally symmetrical shapes of the TIR lens.
  • another non-rotationally symmetrical shape of the aspherical TIR lens can also be selected.
  • the non-rotationally symmetrical Shape of the TIR lens can be selected depending on the shape of the spatially extended light source.
  • a shape of the aspherical TIR lens can be based on a shape of the spatially extended light source.
  • a TIR lens has an elliptical shape in the section plane perpendicular to the optical axis.
  • the aspherical TIR lens includes an axis, a first surface, a second surface, an exit surface, and a reflector surface, wherein
  • the axis runs through the spatially extended light source
  • the exit surface is planar and perpendicular to the axis
  • the first surface has a bi-aspherical shape and intersects the axis
  • the second surface has a free shape and does not intersect the axis
  • the reflector surface has a parabolic shape.
  • the shapes can be defined in a sectional plane that runs through the axis, for example in a cross-sectional plane of the TIR lens. In other sectional planes, the shapes can also be deformed in these planes in accordance with the deformation of the TIR lens with respect to the cross-sectional plane, as is known in the field of computer-aided design (CAD), for example from loft features.
  • CAD computer-aided design
  • the shapes are centered shapes, in other examples decentered shapes, for example the first surface can be a decentered bi-aspherical shape.
  • the bi-aspherical shape can be different for different cutting planes through the TIR lens that run through the axis.
  • TIR lenses with first and second surfaces, as described above are combined with hybrid structures, as previously described in connection with exemplary embodiments of the refractive diffusers.
  • the at least one region can fill at least part of a projection of the first surface and / or the second surface onto the refractive diffuser. The projection can take place along the axis.
  • the projection can also be carried out by means of ray tracing of the light, whereby a projection onto a part of the refractive diffuser can be determined by tracking a light bundle emanating from the light source and determining the area in which cross the light beam through the refractive diffuser, the area determined in this way then being able to be determined as the at least one region.
  • the aspherical TIR lens includes a bump region between the first and second surfaces, the bump region having a surface shape that is one
  • Manufacturing radius is not less and is designed such that a light component is deflected from the spatially extended light source that passes through the impact region so that the corresponding light component does not fall within a solid angle range behind the TIR lens, so that the overall light distribution behind that of the diffuser is essential being affected.
  • the light component does not essentially influence a luminous distribution that is generated without light that passes through the impact region.
  • This can mean that the solid angle-dependent intensity of the light distribution behind the diffuser for no solid angle due to the proportion of light that passes through the impact region, for example by more than 20%, for example 15%, for example 10%, for example 5%, for example 1%, based on the the desired solid angle dependent intensity behind the diffuser is changed.
  • Design software based on ray tracing is specified, for example as a "merit function" in the optical design software Zemax OpticStudio.
  • a production radius is understood to mean the smallest possible curvature that can still be produced using a production method, for example based on
  • the proportion of light which passes through the impact region and is directed in the direction of the exit surface is over 95%.
  • the light component can also make up other components, for example in the range between 70% and 100%. In this case, a higher proportion is desirable in many cases, although lower values can also be useful as part of an optimization process.
  • butt region is included in the optical design, it is possible that the manufacture of such a lighting device can be possible using inexpensive methods.
  • Some cheap manufacturing processes, such as injection molding, are characterized in that certain manufacturing radii cannot be undercut, since the removal of radii that are too small can lead to unpredictable effects in relation to the deflection of light. This is not limited to injection molding, but also applies to numerous other manufacturing processes.
  • the free form of the second surface is defined using Q polynomials.
  • Q polynomials are, for example, from I. Kaya et al., Comparative assessment of freeform polynomials as optical surface descriptions, OPTICS EXPRESS 22683, Vol. 20, No. September 20, 24, 2012.
  • the free form definition using Q polynomials has the advantage that numerical optimization of the free form and / or other forms becomes more robust and easier.
  • the Q polynomials can be decentered Q polynomials. In order to decenter the Q polynomials, offset values corresponding to the required decentration, ie lateral displacement, must be provided for the location coordinates. As a result, the surfaces described by Q polynomials are shifted relative to the optical axis, which results in additional degrees of freedom for the optical design.
  • the aspherical TIR lens and the refractive diffuser can be integrally formed as one component. In some cases
  • Embodiments of the refractive diffuser can be formed in one piece with the exit surface of the aspherical TIR lens.
  • the aspherical TIR lens and / or the refractive diffuser can be produced by means of an injection molding process.
  • the lighting device can be designed as a lighting device for a vehicle.
  • the lighting device can, for example, as a
  • Headlights a high beam, a fog light, a low beam, a rear light or be designed as a daytime running light. Use as other lighting equipment is also possible.
  • the lighting device can be used particularly advantageously when the achromatic properties are advantageous. This is for example at
  • Luminous devices which are intended to provide broad spectral ranges of light, for example in the case of white light.
  • other constellations are also conceivable, for example a lighting device for a combined brake light and direction indicator, the brake light in the red spectral range and the turn signal in the yellow spectral range emitting light, which can also be advantageously implemented by a lighting device according to the invention.
  • Fig. 2 shows a spatially extended light source with a luminous area according to one
  • FIG. 3A and 3B show a TIR lens in accordance with an exemplary embodiment, in this case FIG. 3A shows a cross-sectional view and FIG. 3B shows a frontal view of the TIR lens with each
  • 5A and 5B show a light distribution according to an exemplary embodiment
  • Fig. 6 shows an embodiment of an achromatic refractive diffuser with a
  • Fig. 1 shows a lighting device according to an embodiment.
  • the light from a spatially extended light source 110 is collimated by an aspherical TIR (total internal reflection) lens 120 and transformed by a refractive diffuser 130 in order to produce a luminous distribution 140 based on the collimated light.
  • a protective layer 150 for example made of glass, may also be present, which protects the structure 110, 120, 130 from environmental influences.
  • the protective layer 150 can be embodied in one piece with the refractive diffuser 130.
  • the spatially extended light source 110 has a luminous area greater than 0.5 mm 2 .
  • the spatially extended light source 110 is realized as a light-emitting diode, LED (“light emitting diode”) or groups of LEDs. This is explained in more detail below in connection with FIG. 2. in the
  • the refractive diffuser 130 is a divergence-adapted achromatic refractive diffuser.
  • the light distribution 140 shown in FIG. 1 is a defined asymmetrical, high-resolution white light distribution.
  • FIG. 2 shows a spatially extended light source with a luminous area according to one
  • FIG. 2 shows a spatially extended light source 200, which comprises a first LED 210 and a second LED 220.
  • the spatially extended light source 200 can be described by a first direction R1 and in a second direction R2, the spatially extended light source being extended in the first direction R1 and second direction R2.
  • the spatially extended light source 200 has a first length L1 in the first direction R1 and a second length L2 in the second direction R2. In the example shown in FIG. 2, the first length L1 is greater than the second length L2, so that a rectangular shape of the light source 200 results in the example of FIG. 2.
  • a first length L1 is greater than the second length L2, so that a rectangular shape of the light source 200 results in the example of FIG. 2.
  • a first length L1 is greater than the second length L2, so that a rectangular shape of the light source 200 results in the example of FIG. 2.
  • a first length L1 is greater than the second length L2, so that a rectangular shape of the light source 200 results in the example of FIG.
  • the challenge is to collimate such an extensive light source. Such collimation can be achieved in an efficient form by means of the TIR lenses described below in connection with FIGS. 3A and 3B.
  • FIG. 3A and 3B show a TIR lens 300, 301 according to an exemplary embodiment, with FIG. 3A showing a cross-sectional view 300 of the TIR lens and FIG. 3B showing a frontal view 301 of the TIR lens.
  • the TIR lens 300, 301 is set up to collimate light from the
  • the light source 302 is an LED, which can correspond to the light source 200 in FIG. 2.
  • the light source 302 has a rectangular shape with different first lengths L1 and second lengths L2, wherein the first length L1 can run in a first direction R1 and the second length L2 can run in a second direction L2.
  • the lengths and directions can correspond to the lengths and directions of FIG. 2.
  • the TIR lens 300, 301 is asymmetrically shaped.
  • the TIR lens is elliptically shaped and has a first dimension D1 in the first direction R1 and a second dimension D2 in the second direction R2 around the center point M.
  • the first dimension D1 is larger than the second dimension D2.
  • 3A shows two different beam entry areas for the light of the spatially extended light source 302, namely a first area 306 and a second area 307, as well as an exit area 310 and a reflector area 308.
  • the axis 350 running through the center point M runs through the spatially extended light source 302.
  • the exit surface 310 is planar and extends perpendicular to the axis 350, the exit surface 310 providing the collimated light.
  • the first surface 306 and the second surface 307 are formed independently of one another. in the
  • the first surface 306 has a bi-aspherical shape and intersects the axis 350.
  • the second surface 307 has a free form and does not intersect the axis 350.
  • the cross-sectional view 300 of the reflector surface 308 has a paraboloid shape.
  • the planar shape of the exit surface 310 has the advantage that in some examples this surface can be formed in one piece with the refractive diffuser. This can enable a collimation diffuser module to be manufactured in a single injection molding process.
  • the two surfaces 306, 307 enclose a half space around the spatially extended light source and thus ensure that a large part of the radiation is coupled into the transparent material of the TIR lens. This will also
  • the TIR lens is shaped in such a way that the surfaces are as perpendicular as possible to the incident partial beam of the light source. In this way, it can be achieved that relatively small deflection angles are produced at the interfaces due to refraction when coupling into the material of the TIR lens, which results in a reduction in the chromatic aberration due to the material-dependent dispersion, as well as a high coupling efficiency into the material of the TIR Lens results.
  • 3A clearly shows that the first surface 306 and the second surface 307 are one
  • the impact region 309 has a surface shape that does not fall below a manufacturing radius and is designed in such a way that a proportion of light from the spatially extended light source 302 that passes through the impact region 309 is as high as possible in the direction of FIG Exit surface 310 is directed and in particular is not directed to the reflector surface 308.
  • This has the advantage that areas of high intensity (previously mentioned hot spots) in the resulting light distribution, which could otherwise occur if the impact region 309 is not carefully optimized, and in the light distribution (see light distribution 140 of FIG. 1) can be avoided ) would have a negative impact.
  • the light coming from the light source 302 can be different Beams are described.
  • the beam 304 emerges from the lower angular range of the total beam and has an oval shape in the front view of FIG. 3B, which corresponds to the surface 306 in FIG. 3B.
  • the beam 305 passes through the impact region 309.
  • the beam 303 results from the higher angular range of the total beam and passes through the second surface 307 and has an oval-annular shape which corresponds to the reflector surface 308 in the front view of FIG. 3B.
  • a low chromatic aberration is realized by the design shown, since the shape ensures that the beam 303 is deflected mainly by reflection on the surface 308, the reflections being free of achromatic aberrations.
  • the collimator shown in FIGS. 3A and 3B thus enables spectrally homogeneous collimation with minimized chromatic aberration, high efficiency of light transmission with low residual divergence of less than 6 ° and at the same time a compact design.
  • the component can be produced monolithically using the injection molding process, it being possible to also produce a refractive diffuser structure, for example an achromatic refractive diffuser structure, in one piece using the injection molding process.
  • the diffuser structure is explained below in connection with FIG. 4.
  • FIG. 4 shows a refractive diffuser 400, which is designed as an achromatic refractive diffuser.
  • a height contour 421 of the refractive diffuser as a function of the location along the path 410 is shown in the diagram 420.
  • the height contour describes a topography function for path 410.
  • the height contour 421 changes continuously differentiable by an average value 440, the standard deviation of the height contour 421 added with the mean value of the height contour 422 and the standard deviation subtracted from the mean value of the height contour 423 being shown as a reference.
  • the height contour 421 runs through local maxima 430 and minima 431. The fact that the height contour 421 is continuously differentiable makes it possible
  • 5A and 5B show a light distribution according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 5A shows a possible light distribution 500 of the lighting device.
  • a light distribution 500 can be generated, for example, by the lighting device in FIG. 1 will.
  • an asymmetrical form of the light distribution is achieved.
  • the possible combination of the spatially extended light source with the aspherical TIR lens and the refractive diffuser results in numerous
  • FIG. 5B shows the intensity of the white light for the cuts of FIG. 5A in arbitrary units as a function of the radiation angle in arbitrary units.
  • Curve 51 1 shows the intensity profile of section 510, curve 521 the intensity profile of section 520 and curve 531 the intensity profile of section 530.
  • curves various symmetrical and asymmetrical light distributions can be seen in FIG.
  • curve 531 has an almost symmetrical super-Gaussian shape
  • curve 521 has an almost symmetrical top-hat-shaped super-Gaussian distribution
  • Curve 51 1 is highly asymmetrical and represents a superposition of two modified super-Gaussian intensity distributions. These intensity distributions can be determined by optimizing the various components with large degrees of design freedom.
  • Intensity curve shown in curve 531 can be achieved, but also sharper transitions, such as, for example, in the intensity curve of curve 521, are possible.
  • FIG. 6 shows an embodiment of a refractive diffuser with a hybrid structure.
  • At least part of the refractive diffuser can have a hybrid structure, as explained at the beginning.
  • Such hybrid structures can have the advantage that chromatic errors of the TIR lens can be compensated for.
  • a height contour of an achromatic refractive diffuser 610 is shown as an example as a function of the location along a path.
  • the diffuser can also be a refractive diffuser in other exemplary embodiments.
  • the achromatic refractive diffuser shown can, for example, correspond to the achromatic refractive diffuser 400 of FIG. 4.
  • the height profile of the achromatic refractive diffuser is now used as the starting point for a diffuser with a hybrid structure
  • a height profile of a globally acting diffractive structure 620 is overlaid with the height profile of the achromatic refractive diffuser 610. 6 this is carried out by way of example for a profile, the height profiles 610, 620 being added are superimposed.
  • a hybrid structure is obtained by superimposing the height profiles of the achromatic refractive diffuser and the globally acting diffractive structure.
  • a height contour of the hybrid structure 630 is also shown in FIG. 6 as an example.
  • the globally acting diffractive structure is restricted to region A.
  • Region B has no globally active diffractive structure.
  • the globally acting diffractive structure in region A is designed as a Fresnel lens 621, which is designed to make 2u phase jumps of light for a wavelength l
  • region A can extend over other regions, also fill the entire region, so that region B is omitted, or there can be several different regions such as A and B.
  • the structures can be designed at different locations for different center wavelengths. This can be advantageous, for example, if it is known that there is a different spectral light distribution in certain regions than in other areas. This can be the case, for example, due to chromatic aberration in optical components, for example in the TIR lens.
  • the hybrid structure in region B is unchanged from the original height profile of the achromatic refractive diffuser.
  • the hybrid structure in region B can have the advantage that a color angle spectrum of the light collimated by the aspherical TIR lens can be reduced.
  • the diffuser with a hybrid structure can, for example, be arranged on the exit surface 310 of FIGS. 3a and 3b, and the region A can be selected such that the beam 304 passes through the region A. Then the hybrid structure can at least partially compensate for a chromatic error, which can arise, for example, due to refraction on surface 306. This can further improve the quality of the light distribution. At the same time, the hybrid structure, as described above, prevents the formation of zeroth diffraction orders in the light distribution.
  • Lighting devices for vehicles in particular headlights, but also
  • Direction indicators, reversing lights, fog lights, brake lights and the like can be provided with the desired light distributions, which allows great design freedom.

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Abstract

Es wird eine Leuchteinrichtung bereitgestellt, umfassend eine räumlich ausgedehnte Lichtquelle mit einer Leuchtfläche größer als 0,5 mm2 sowie eine asphärische TIR-Linse, die eingerichtet ist, Licht von der räumlich ausgedehnten Lichtquelle zu kollimieren und einen refraktiven Diffuser, der zum Erzeugen einer Leuchtverteilung auf Basis des kollimierten Lichts eingerichtet ist.

Description

Beschreibung
Leuchteinrichtung für ein Fahrzeug
Die vorliegende Anmeldung betrifft Leuchteinrichtungen für Fahrzeuge.
Im Bereich der Beleuchtungstechnik von Fahrzeugen müssen Leuchteinrichtungen zahlreichen komplexen Anforderungen gerecht werden. Diese Anforderungen stehen teilweise in
Gegensätzen zueinander und verlangen in vielen Fällen Kompromisse.
Beispielsweise bestehen hohe Anforderungen bezüglich der Energieeffizienz sowie enge Vorgaben bei den Rahmenbedingungen, beispielsweise Kostendruck,
Lebensdaueranforderungen und Bauraumbeschränkungen z.B. aufgrund von Raumbedarf anderer Fahrzeugkomponenten sowie aerodynamischen Erwägungen. Die
Qualitätsanforderungen an die bereitgestellte Leuchtverteilung, beschrieben durch die sogenannte Leuchtfunktion, erhöhen sich kontinuierlich und sind beispielsweise im Feld der Frontscheinwerfer durch den Wunsch nach Beleuchtungsfunktionen für breite Spektralbereiche, beispielsweise weißes Licht, mit komplexer, hochaufgelöster und raumwinkelabhängig definierter Beleuchtungsverteilung charakterisiert. In vielen Anwendungsfeldern werden insbesondere asymmetrische Beleuchtungsfunktionen, beispielsweise bei Abblend- und Kurvenlicht verlangt. Hierbei sind ebenfalls achromatische Eigenschaften der
Beleuchtungseinrichtungen gefordert, um beispielsweise Farbsäume und überstrahlende Bereiche, sog.„Hot Spots“, bei der Fahrbahnausleuchtung zu vermeiden, um Störungen für Fahrzeugführer und andere Verkehrsteilnehmer zu vermeiden. Ein Beispiel für solche
Störungen sind blaue Farbsäume, die bei bewegten Fahrzeugen, beispielsweise mit
Warnsignalen von Einsatzfahrzeugen, sog. Rundumkennleuchten, verwechselt werden könnten. Entsprechende Anforderungen finden sich für andere Fahrzeugleuchteinrichtungen, beispielsweise Rücklichter, Nebelleuchten, Tagfahrleuchten, Bremslichter oder
Fahrtrichtungsanzeiger.
Um Effizienzforderungen zu erfüllen, bieten sich als Lichtquellen Leuchtdioden, LED (engl „light emitting diodes“) an. Aufgrund der erreichbaren Leuchtdichte von LEDs und aufgrund der Notwendigkeit, die thermische Verlustleistung abführen zu müssen, besitzen Hochleistung- LEDs mit zunehmender Lichtleistung auch größere Abstrahlflächen. So beträgt die
Abstrahlfläche in derzeit verfügbaren Systemen beispielsweise bei einem Lichtstrom von 600 Lumen 2,1 x 1 mm2 und bei einem Lichtstrom von 1200 Lumen 4,4 mm2. Solche ausgedehnten, in einem großen Raumwinkelbereich emittierenden Abstrahlflächen sind mit zunehmender Fläche schlechter kollimierbar, d.h. die Strahlung weist auch nach der Kollimation eine in der Regel zu hohe Restdivergenz auf um gewünschte Beleuchtungsfunktionen realisieren zu können. Bei zu großer Restdivergenz wird nämlich eine hochauflösende Strahlformung deutlich erschwert.
Somit stehen Effizienz- und Helligkeitsforderungen und die Forderung nach langer Lebensdauer der Forderung nach minimaler Restdivergenz einander entgegen. Andererseits steht beispielsweise die Anforderung an eine verbesserte Kollimation einer ausgedehnten Lichtquelle der Anforderung des beschränkten Bauraums entgegen. Ferner machen es die gewünschten achromatischen Eigenschaften erforderlich, dass das Strahlformungssystem so geringe
Farbfehler wie möglich aufweist, was ebenfalls mit Bauraumforderungen und
Kostenforderungen kollidieren kann.
Aus der FR 2 919 913 ist eine Lichtquelle in Kombination mit einem Kollimator für eine
Punktlichtquelle und eine Einrichtung zur Strahlumformung bekannt, insbesondere zur
Realisierung eines Nebellichts, Rücklichts oder Bremslichts. Der Kollimator ist dabei
beispielsweise eine TIR (engl „total internal reflection“, vollständige interne Reflexion)-Linse, eine Fresnel-Linse oder eine Kuppellinse, die idealisiert parallele Strahlen für eine idealisierte Punktlichtquelle erzeugt. Die FR 2 919 913 offenbart jedoch nichts zu dem Umgang mit einer endlich ausgedehnten Lichtquelle und zur Problematik der zuvor genannten Hot Spots, wie sie beispielsweise durch die Verwendung von holographischen Diffusem, wie in der FR 2 919 913 beschrieben, die nullte bzw. höhere Beugungsordnungen aufweisen, auftreten können.
Aus dem Stand der Technik sind ebenfalls Leuchteinrichtungen, welche Spiegel zur
Strahlumformung verwenden, bekannt. Solche bekannten Anordnungen werden jedoch häufig Anforderungen bezüglich geringem Bauraum und geringer Kosten nicht gerecht.
Um gleichzeitig noch die Forderung nach achromatischen Eigenschaften zu erfüllen, dürften das Kollimations- und Strahlformungssystem möglichst keine Farbfehler aufweisen. Das wäre z.B. möglich, wenn die Strahlformung und die Kollimation durch Reflexionsoptiken (z.B.
Hohlspiegel für Kollimation und segmentiertes Spiegelsystem für Strahlformung) realisiert würden. Eine solche Anordnung könnte jedoch ebenfalls die Forderung nach Bauraum- und Kostenreduktion verletzten.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine verbesserte Leuchteinrichtung bereitzustellen, welche den oben genannten Anforderungen in höherem Maße gleichzeitig gerecht wird: Hierzu wird eine Leuchteinrichtung gemäß Anspruch 1 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen.
Die Leuchteinrichtung umfasst eine räumlich ausgedehnte Lichtquelle mit einer Leuchtfläche größer als 0,5 mm2. Ferner umfasst die Leuchteinrichtung eine asphärische TIR-Linse, die eingerichtet ist, Licht von der räumlich ausgedehnten Lichtquelle zu kollimieren, sowie einen refraktiven Diffuser, der zum Erzeugen einer Leuchtverteilung auf Basis des kollimierten Lichts eingerichtet ist.
Unter einer TIR (engl „total internal reflection“, vollständige interne Reflexion) -Linse wird eine optische Vorrichtung verstanden, die zumindest einen Teil der einfallenden Lichtstrahlen mittels Totalreflexion weiterleitet. TIR-Linsen werden nachfolgend genauer erläutert.
Unter einer asphärischen Linse wird eine Linse verstanden, bei der mindestens eine der brechenden Oberflächen eine von einer Kugel- oder planaren Form abweichende Oberfläche aufweist.
Ein refraktiver Diffuser ist eine für sich genommen bekannte Komponente, welche auf einer Oberfläche brechende, streuende oder beugende Eigenschaften aufweist. Unter refraktiven Diffusem werden im Rahmen dieser Anmeldung Diffuser 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 Diffuser ergeben die von jedem Ort, z.B. einer Fläche des Diffusers (der Ort kann durch Koordinaten x, y angegeben werden), abgestrahlten Lichtwellen in ihrer Gesamtheit die gewünschte Leuchtverteilung.
In manchen Beispielen kann der refraktive Diffuser eine Vielzahl von Flächenbereichen umfassen, die jeweils alle zur Strahlformung benötigte Information enthalten. Wird bei solchen refraktiven Diffusem beispielsweise ein einzelner Flächenbereich beleuchtet, entsteht bereits im Fernfeld die gewünschte Leuchtverteilung. Die Flächenbereiche können z.B. Größen von 300- 1000 pm haben. Alle Flächenbereiche können dabei so berechnet sein, dass sie stochastisch verteilte Strukturen enthalten. Des Weiteren können alle Flächenbereiche so ausgebildet sein, dass sie statistisch voneinander unabhängig sind. Außerdem können alle Flächenbereiche so ausgestaltet sein, dass sie stetig aneinander gefügt werden können, ohne dass dabei sichtbare Grenzen entstehen. Insbesondere kann so vermieden werden, dass Sprungstellen an den aneinandergefügten Flächenbereichen bestehen, insbesondere kann erreicht werden, dass der refraktive Diffuser über mehrere Flächenbereiche hinweg stetig differenzierbar ist.
Die Verwendung statistisch voneinander unabhängiger Flächenbereiche kann den Vorteil haben, dass Inhomogenitäten, die durch die bei partiell kohärentem Licht an Diffusem auftretenden Speckles (manchmal auch als Lichtgranulation oder Specklemuster bezeichnet) entstehen, deutlich verringert werden können. Außerdem kann durch die Ausführung der Flächenbereiche als stetig differenzierbare Oberfläche, die stetig differenzierbar
aneinandergefügt werden können, den Vorteil haben, dass Streuzentren vermieden werden, wodurch die Effizienz und der erreichbare Kontrast gesteigert werden kann.
Die Berechnung solcher Strukturen, auch als kontinuierliche oder refraktive Phasenelemente bezeichnet, ist beispielsweise in J. Neauport 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.
Durch die Verwendung eines refraktiven Diffusers kann bei relativ geringem Bauraum eine große Designfreiheit für die Leuchteinrichtung erreicht werden. Hierdurch kann eine
Bauraumminimierung ermöglicht werden. Zudem kann ein refraktiver Diffuser im Gegensatz zu diffraktiven Diffusem keine technologisch bedingte nullte Beugungsordnung sowie keine unerwünschten höheren Beugungsordnungen aufweisen. Dadurch kann ein Auftreten unerwünschter Lichteffekte wie z.B. Hot Spots und Beleuchtungsinhomogenitäten vermieden werden.
Durch eine solche Leuchteinrichtung kann eine ideale Leuchteinrichtung angenähert werden. Eine solche ideale Leuchteinrichtung würde aus folgenden Komponenten bestehen: eine vollständig kollimierbare Lichtquelle, beispielsweise eine Punktlichtquelle, ein Kollimator, der eine ideale Kollimation gewährleistet-und eine hochauflösende achromatische
Strahlformungsoptik mit komplexer, streulichtarmer Strahlformungsfunktion. Die Vorteile der beschriebenen Vorrichtung, die eine Annäherung an eine solche ideale Leuchteinrichtung ermöglichen, werden nachfolgend beschrieben.
In manchen Beispielen ist der refraktive Diffuser ein achromatischer refraktiver Diffuser.
Unter achromatisch wird verstanden, dass die Änderung des Lichtwegs, beispielsweise durch Brechung, im Wesentlichen nicht von der Wellenlänge des Lichts abhängig ist. Dies kann insbesondere für einen Bereich von Wellenlängen, beispielsweise für einen bestimmten Wellenlängenbereich, beispielsweise für den sichtbaren Wellenlängenbereich, gelten. Achromatische Eigenschaften derartiger refraktiver Diffuser werden in M. Cumme und A.
Deparnay, Advanced Optical Technologies, Vol. 4, Issue 1 , Seiten 47-61 , 2004, beschrieben. Diese beruhen auf einer Kombination von diffraktiven und refraktiven Eigenschaften, bei der eine entgegengesetzte Winkeldispersion zur Kompensation chromatischer Fehler verwendet wird. Durch diese achromatischen Eigenschaften kann eine verbesserte Leuchtverteilung bereitgestellt werden, die beispielsweise frei von Farbsäumen, beispielsweise blauen
Farbsäumen bei weißem Licht wie oben beschrieben, ist.
Potentiell weisen die oben beschriebenen refraktiven Diffuser eine deutlich höhere Effizienz als alle anderen bekannten Diffuser auf. Sie können daher dazu geeignet sein, den Wunsch nach einer gesteigerten Effizienz im Gebiet der Fahrzeugbeleuchtung zu erfüllen. Hierdurch kann es ebenfalls möglich sein eine hohe Helligkeit bzw. eine hohe Gesamtleistung zu erzielen.
In manchen Beispielen weist der achromatische refraktive Diffuser eine optische Diffuserfläche auf, die eingerichtet ist, die Leuchtverteilung auf Basis des kollimierten Lichts bereitzustellen, wobei die Diffuserfläche stetig differenzierbar ist.
Dies kann den Vorteil haben, dass durch eine solche stetig differenzierbare,„glatte“ Form der Diffuserfläche das Auftreten von nullten Beugungsordnungen in der Leuchtverteilung erheblich reduzieren oder sogar vollständig vermieden werden kann. Auch bieten solche Diffuser eine sehr hohe Effizienz von typischerweise 93% bis 97% Transmission auch bei großen
Abstrahlwinkeln, beispielsweise bei einer numerischen Apertur NA bis 0,7, beispielsweise bei 633 nm. Auch werden durch die stetig differenzierbare Form Phasensprünge des transmittierten Lichts vermieden. Hierdurch treten keine technologisch bedingten nullten Beugungsordnungen und Streueffekte auf. Die Designfreiheiten bei der Erstellung des optischen Diffusers ermöglichen nahezu beliebige, auch asymmetrische, Fernfeldverteilungen.
Somit kann es möglich sein, Beleuchtungsfunktionen mit komplexer, hochaufgelöster und/oder raumwinkelabhängig definierter Beleuchtungsverteilung bereitzustellen. Solche
Beleuchtungsfunktionen können insbesondere über einfache geometrische Formen wie Kreise, Ellipsen und Quadrate hinausgehen. In manchen Beispielen können die
Beleuchtungsfunktionen weiche Übergänge der Intensität aufweisen, in anderen Beispielen können die Beleuchtungsfunktionen scharfe Übergänge der Intensität aufweisen. Auch eine Kombination ist möglich. Beispielsweise kann die Intensität in einer ersten Winkelrichtung weiche Übergänge haben, in einer zur ersten Winkelrichtung senkrechten zweiten
Winkelrichtung hingegen harte Übergänge haben. Unter einem harten Übergang kann beispielsweise eine Änderung der Intensität um > 50%, beispielsweise um >75%, beispielsweise > 85% in einem Raumwinkelbereich verstanden werden, der dem Halbwertsbreiten-Raumwinkelbereich, FWHM (Full Width Half Maximum)- Raumwinkelbereich, der Beleuchtung entspricht. Unter einem weichen Übergang kann beispielsweise eine Änderung der Intensität um <50%, beispielsweise < 25%, beispielsweise < 15%, beispielsweise < 5%, beispielsweise < 3% in einem Raumwinkelbereich verstanden werden, der dem FWHM-Raumwinkelbereich der Beleuchtung entspricht.
Unter FWHM-Raumwinkelbereich der Beleuchtung wird derjenige Raumwinkelbereich verstanden, der durch die weiter oben beschriebene Beleuchtungsanordnung, bestehend aus räumlich ausgedehnter LED und TIR-Linse, ausgeleuchtet wird und der nur solche
Beleuchtungswinkel enthält, bei denen die Intensität größer als die Hälfte der Maximalintensität ist.
In manchen Ausführungsbeispielen kann der refraktive Diffuser so ausgebildet sein, dass eine bei seiner Beleuchtung auftretende Restdivergenz, die z.B. durch das System bestehend aus ausgedehnter LED-Lichtquelle und TIR-Linse entsteht, im optischen Design berücksichtigt wird. Dies kann den Vorteil haben, dass die durch die Restdivergenz hervorgerufene Abweichung der Beleuchtungswinkelverteilung vermindert wird. Dies ermöglicht, das System so zu gestalten, dass eine ideale Leuchteinrichtung besser angenähert wird. Hierdurch kann die
Leuchtverteilung eine verbesserte Qualität aufweisen.
In manchen Beispielen weist die Diffuserfläche stochastisch verteilte Strukturen mit konvexen und konkaven Strukturanteilen auf, wobei die Strukturanteile typische laterale Dimensionen von 15 pm-500 pm aufweisen.
Dies kann eine günstige Herstellung bei hoher Qualität der Leuchtverteilung ermöglichen, beispielsweise weil eine Fertigung mit massenfertigungstauglichen Verfahren, beispielsweise mittels Spritzgussherstellung, möglich ist. So kann bereits im Designprozess ein Beschränkung der minimalen Strukturgröße vorgenommen werden, wodurch eine höhere Haltbarkeit von Abformwerkzeugen und bessere Entformbarkeit beim Abformprozess erreicht werden kann.Auch kann durch ein solches Vorgehen während der Berechnung eine Herstellung mit niedrigauflösenden optischen lithographischen Verfahren, beispielsweise Laserstrahlschreiben mit 1 pm Auflösung, erfolgen, was ebenfalls die Kosten der Herstellung reduzieren kann. Diese Faktoren können zu einer Kosten red uktion bei gleicher oder sogar gesteigerter Qualität der Leuchtverteilung beitragen. Zu bemerken ist, dass manche der refraktiven Diffuser beim Optikdesign eine Wahlmöglichkeit von Profilhöhe und lateraler Strukturgröße der Elementstrukturen unter Beibehaltung der erzeugten Winkelverteilung bieten, wobei Profilhöhe und laterale Strukturgröße gekoppelte Größen darstellen, die sich zueinander proportional verhalten. Dies wird als Skalierbarkeit des Designs bezeichnet. So könnte z.B. eine vorgegebene Beleuchtungswinkelverteilung A mit einem Diffuser B erzeugt werden, bei dem die mittlere Strukturtiefe beispielsweise 3 pm und die mittlere laterale Strukturgröße 50 pm beträgt. Bei einem skalierbaren Design ist es möglich, die gleiche Beleuchtungswinkelverteilung A mit einem skalierten Diffuser C zu erzeugen, bei dem die mittlere Strukturtiefe z.B. 6 pm und die mittlere laterale Strukturgröße entsprechend 100 pm beträgt.
Die oben beschriebene Skalierbarkeit, die auf refraktive Diffuser angewendet werden kann, ermöglicht eine Designfreiheit, die zur Ausgestaltung als achromatischer refraktiver Diffuser verwendet werden kann. Hierdurch kann die Kompensation chromatisch bedingter
Ablenkwinkelfehler durch die Kombination von Lichtbeugung und Lichtbrechung erreicht werden. In jedem Diffuser findet an allen Orten seiner beleuchteten Fläche Lichtablenkung statt. Licht kann sowohl durch Beugung (Diffraktion) wie z.B. an einem Blazegitter (vgl.
https://de.wikipedia.orq/w/index.php?title=Blazeqitter&oldid=175256423, abgerufen am
16.08.2018), als auch durch Brechung (Refraktion) wie z.B. am Prisma abgelenkt werden. Die durch Brechung oder Beugung hervorgerufenen Lichtablenkungen zeigen jedoch
entgegengesetzte Änderungen des Ablenkwinkels, wenn sich die Wellenlänge ändert. So wird der durch Brechung hervorgerufene Ablenkwinkel bei normaler Dispersion, z.B. in optischen Gläsern im sichtbaren Wellenlängenbereich, kleiner, wenn sich die Wellenlänge vergrößert. Der durch Beugung hervorgerufene Ablenkwinkel wird jedoch größer, wenn sich die Wellenlänge vergrößert. Würden ein Prisma und ein Blazegitter mit einem weißen Lichtstrahl beleuchtet und wäre die Orientierung beider Elemente so, dass das Licht in dieselbe Richtung abgelenkt würde, dann wäre hinter beiden Elementen ein Farbspektrum sichtbar, wobei jedoch beide Farbverläufe spiegelsymmetrisch zueinander orientiert wären.
Betrachtet man ein Blazegitter, wie oben beschreiben, als skalierbares Element und würde man bei einem Blazegitter die Profiltiefe und die Periode proportional zueinander stückweise vergrößern, dann hätte das Gitter anfänglich eine reine diffraktive Wirkung. Bei extrem großer Periode und entsprechend vergrößerter Profiltiefe, beispielsweise wenn der Lichtstrahl nur noch wenige oder nur eine Periode beleuchtet, würde die diffraktive Wirkung verschwinden und die optische Wirkung wäre nur noch durch die refraktive Wirkung bestimmt. Demzufolge gibt es einen Zwischenbereich, bei dem sowohl eine refraktive Wirkung, als auch eine diffraktive Wirkung auftritt. Wird dieser Bereich so gewählt bzw. werden Periode und Profiltiefe so eingestellt, dass die refraktive und die diffraktive Wirkung gleich groß sind, dann ist auf Grund der entgegengesetzten Abhängigkeit des Ablenkwinkels von der Wellenlänge eine Farbkorrektur möglich.
Dieses Prinzip kann auch bei refraktiven Diffusem, deren Strukturgrößen skalierbar sind, zur Farbkorrektur verwendet werden. Solche Diffuser besitzen eine Strukturgröße, bei der sowohl Diffraktion, als auch Refraktion auftritt und die Wahl der Strukturgröße erfolgt so, dass sich die Wellenlängenabhängigkeiten der lokalen Ablenkwinkel kompensieren. Insbesondere können achromatische refraktive Diffuser, wie zuvor beschrieben, ein optisches Design aufweisen, welches auf den beschriebenen Überlegungen basiert. Im Gegensatz zu Blazegittern ist es ferner bei achromatischen refraktiven Diffusem möglich, ein technologisch bedingtes nulltes Beugungsmaximum zu vermeiden.
Solche achromatischen refraktiven Diffuser können daher den Vorteil haben, dass Farbsäume bei der Fahrbahnausleuchtung vermieden werden können.
In manchen Ausführungsbeispielen umfasst der refraktive Diffuser mindestens eine Region, die eine Hybridstruktur enthält, wobei die Hybridstruktur eine Kombination eines achromatischen refraktiven Diffusers mit einer global wirkenden diffraktiven Struktur umfasst.
Der refraktive Diffuser kann hierbei insgesamt oder teilweise ein achromatischer refraktiver Diffuser sein. In solchen Fällen kann die Hybridstruktur auch außerhalb der Bereiche des refraktiven Diffusers liegen, in denen der refraktive Diffuser ein achromatischer refraktiver Diffusor ist. Auch können Bereiche des refraktiven Diffusers achromatische refraktive
Diffuserbereiche sein, die keine Hybridstruktur aufweisen.
Die mindestens eine Region kann hierbei ein Teil des refraktiven Diffusers sein oder auch den gesamten refraktiven Diffuser umfassen. Es ist auch möglich, dass mehrere Regionen mit Hybridstrukturen vorliegen können, die überlappen können und/oder voneinander beabstandet sein können.
Unter einer global wirkenden diffraktiven Struktur wird hierbei verstanden, dass die Struktur eine diffraktiv wirkende optische Funktion auf Licht, welches die global wirkende diffraktive Struktur passiert, ausübt, wobei alle lokalen Bereiche der Struktur das Licht so ablenken, dass die Ablenkung in einer vorgegebenen Beziehung zu allen anderen Bereichen steht. Vorgegebene Beziehung zu allen anderen Bereichen bedeutet beispielsweise, dass sich alle durch die globale Struktur tretenden Lichtstrahlen in einem Ort oder in mehreren, beispielsweise auf einer Kreislinie befindlichen, Orten schneiden. Dieser eine Ort oder die mehreren Orte können auch ein virtueller Punkt oder mehrere virtuelle Punkte sein, wie dies beispielsweise bei Streulinsen bekannt ist.
Dies kann beispielsweise durch eine diffraktiv wirkende Linse bereitgestellt werden,
beispielsweise durch eine Fresnel-Linse, aber auch das Verwenden anderer diffraktiv wirkender Strukturen ist möglich. Global wirkend kann hierbei bedeuten, dass die diffraktive Wirkung die Winkelverteilung von eingehendem Licht nicht nur lokal, sondern global, beispielsweise auf einer Skala von mindestens 20%, beispielsweise mindestens 40%, beispielsweise mindestens 60%, beispielsweise mindestens 80%, beispielsweise 100% der Abmessung der global wirkenden diffraktiven Struktur beeinflusst. Eine solche globale Wirkung kann beispielsweise in einer Fokussierung von parallel einfallendem Licht auf einen Punkt zum Ausdruck kommen.
Eine solche global wirkende diffraktiven Struktur kann so eingerichtet sein, dass ein
Farbwinkelspektrum des von der asphärischen TIR-Linse kollimierten Lichtes verkleinert werden kann. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die diffraktive Struktur unter Berücksichtigung des Farbwinkelspektrums des von der TIR-Linse kollimierten Lichtes optimiert wird, beispielsweise mittels Optimierungsrechnungen wie nachfolgend beschrieben. Auch kann es möglich sein, die TIR-Linse und die global wirkende diffraktive Struktur gemeinsam zu optimieren. Hierdurch kann die Qualität der Leuchtverteilung weiter verbessert werden.
Eine solche global wirkende diffraktive Struktur und/oder Hybridstruktur kann im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen refraktiven Diffuserstrukturen Unstetigkeitsstellen umfassen. Diese können im Hinblick auf eine zentrale Wellenlänge optimiert werden, beispielsweise für eine Mittenwellenlänge A. Die Mittenwellenlänge kann durch A=! (Amax+Amin) beschrieben werden, wobei Amax die maximale Wellenlänge und Amm die minimale Wellenlänge des Spektralbereichs angibt, für den die achromatische Korrektur angestrebt wird. Die global wirkende diffraktive Struktur kann so ausgelegt werden, dass sich für Licht mit der Mittenwellenlänge l 2tt*h- Sprungstellen ergeben, wobei insbesondere n=1 gewählt werden kann. Aber auch andere im Wesentlichen ganzzahlige Werte für n sind möglich. Solche Sprungstellen in der globalen refraktiven Struktur können zum Auftreten einer nullten Beugungsordnung führen, was nachteilig sein kann, wie bereits zuvor erläutert. Da die Sprungstellen der globalen refraktiven Struktur in der Hybridstruktur jedoch in Kombination mit einem achromatischen refraktiven Diffuser wirkt, können die Sprungstellen durch eine Kombination mit dem achromatischen refraktiven Diffuser, insbesondere wenn dieser stochastisch ausgebildet ist, aber auch in anderen Ausführungsbeispielen, jeweils eine unterschiedliche, beispielsweise zufallsverteilte, Phasenlage zueinander aufweisen. Somit können alle an den Sprungstellen auftretenden Licht- Beiträge, die zu einem Beugungsbild nullten Ordnung in der Leuchtverteilung führen könnten, gegenseitig im Mittel durch Interferenz zumindest im Wesentlichen, vorzugsweise vollständig, kompensiert werden.
Unter einer Kombination eines achromatischen refraktiven Diffusers mit einer global wirkenden diffraktiven Struktur wird hierbei verstanden, dass die beiden Elemente kombiniert werden. Dies kann beispielsweise mittels einer Superposition von Profilen der beiden Strukturen geschehen, beispielsweise durch Überlagerung von Höhenprofilen der beiden Strukturen, beispielsweise mittels Addition. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Hybridstruktur aus verschiedenen optischen Komponenten zusammengesetzt sein, die beispielsweise hintereinander angeordnet sind, so dass sich die Kombination erst durch das passierende Licht ergibt.
In manchen Ausführungsbeispielen umfasst die global wirkende diffraktive Struktur eine Fresnel-Linse.
Hierbei kann es möglich sein, die Hybridstruktur so auszubilden, dass eine Farbkorrektur durch die Hybridstruktur erfolgt, beispielsweise wenn Farbfehler durch die Kollimierung entstehen. Dies kann dadurch erfolgen, dass chromatische Eigenschaften der asphärischen TIR-Linse bestimmt werden und als Eingangsparameter in das optische Design der Hybridstruktur einfließen.
In manchen Beispielen ist die räumlich ausgedehnte Lichtquelle eingerichtet, weißes Licht als das Licht bereitzustellen.
Unter weißem Licht wird hierbei Licht verstanden, das eine Kombination verschiedener Spektralbereiche aufweist, sodass für das menschliche Auge ein weißer Farbeindruck entsteht.
In manchen Beispielen umfasst die Lichtquelle eine Leuchtdiode und/oder eine Laserdiode. Die Lichtquelle kann weiter ein Phosphortarget umfassen. Hierdurch ist ein preisgünstiges
Bereitstellen einer Lichtquelle ausreichender Kohärenz möglich. Auch kann es möglich sein, eine hohe Lebensdauer der Komponenten zu erreichen.
In manchen Beispielen kann die Leuchtverteilung eine oder mehrere der folgenden Formen aufweisen: eine symmetrische Form, eine asymmetrische Form, eine runde Form, eine quadratische Form, eine elliptische Form.
Hierbei ist unter mehreren der obigen Formen zu verstehen, dass manche Formen eine Kombination der genannten Formen aufweisen können. So kann beispielsweise eine elliptische Form symmetrische Eigenschaften, beispielsweise eine Spiegelsymmetrie entlang der Hauptachsen, aufweisen. Die Leuchtverteilung kann auch insofern eine Kombination der genannten Formen aufweisen, beispielsweise in einem ersten Bereich eine elliptische Form und in einem zweiten Bereich, der von dem ersten Bereich verschieden sein kann, eine runde Form. Aber auch andere Kombinationen sind möglich.
In manchen Beispielen weist die Leuchtverteilung eine oder mehrere der folgenden
Intensitätsverteilungen auf: eine homogene Intensitätsverteilung, eine top-hat-förmige
Intensitätsverteilung, eine gaußsche Intensitätsverteilung, eine supergaußsche
Intensitätsverteilung.
Mehrere der Intensitätsverteilungen bedeutet hierbei, dass die Intensitätsverteilung
verschiedene Aspekte, beispielsweise für bestimmte Raumwinkelbereiche, kombiniert. So kann beispielsweise eine asymmetrische Intensitätsverteilung durch eine Überlagerung einer top-hat- förmigen Intensitätsverteilung mit einer supergaußschen Intensitätsverteilung erreicht werden. Hierdurch können asymmetrische Intensitätsverteilungen bereitgestellt werden, die den
Anforderungen des Straßenverkehrs genügen und in manchen Beispielen einen harten
Übergang von ausgeleuchteten zu nicht ausgeleuchteten Bereichen vermeiden.
Außerdem kann die Leuchtverteilung derart gestaltet sein, dass an manchen Orten scharfe Konturen entstehen. So können z.B. Schriftzüge oder bestimmte Zeichen wie z.B. Pfeile erzeugt werden, die bei ihrer Projektion auf die Fahrbahn einen starken Kontrast zeigen.
Ebenso können die beleuchteten Bereiche beliebige, mathematisch definierte
Helligkeitsmodulationen enthalten, d.h. Helligkeitsänderungen über die Leuchtverteilung hinweg.
In manchen Ausführungsbeispielen ist die asphärische TIR-Linse nicht rotationssymmetrisch.
Beispielsweise kann für eine räumlich ausgedehnte Lichtquelle, die eine asymmetrische, beispielsweise rechteckige, Form aufweist, die Kollimation durch eine nicht
rotationsymmetrische TIR-Linse gegenüber einer rotationsymmetrischen TIR-Linse verbessert werden. Dies wird später noch näher erläutert.
In manchen Beispielen umschließen die Einkoppelflächen, also die Flächen, welche der Lichtquelle zugewandt sind, der TIR-Linse einen möglichst großen Bereich um die ausgedehnte Lichtquelle und sorgen somit dafür, dass von der Lichtquelle ausgehende Strahlung in einem möglichst großen Raumwinkelbereich, beispielsweise im Wesentlichen ein Halbraum um die Lichtquelle, in die TIR-Linse eingekoppelt wird. Unter im Wesentlichen einen Halbraum um einen Bereich umfassen wird verstanden, dass die räumlich ausgedehnte Lichtquelle einen Großteil des Raumwinkelbereichs des Halbraums einnimmt, beispielsweise 80%, beispielsweise 85%, beispielsweise 90%, beispielsweise 95%, beispielsweise 100% des Raumwinkelbereichs des Halbraums. Dies kann den Vorteil haben, dass ein Großteil des von der räumlich ausgedehnten Lichtquelle emittierten Lichts von der TIR- Linse aufgenommen und kollimiert wird, was Verluste verhindert und somit die Effizienz des Systems verbessert.
In manchen Beispielen weist die räumlich ausgedehnte Lichtquelle eine Form, umfassend eine erste Länge in einer ersten Richtung und eine zweite Länge in einer zweiten Richtung, die sich von der ersten Richtung unterscheidet, auf. Hierbei ist die erste Länge größer als die zweite Länge.
In manchen Beispielen kann die Form der Lichtquelle eine rechteckige Form mit einer ersten Seitenlänge und einer zweiten Seitenlänge sein, wobei die erste Länge die erste Seitenlänge und die zweite Länge die zweite Seitenlänge ist.
Dies kann den Vorteil haben, dass industriell verfügbare Lichtquellen verwendet werden können, und dass durch die Formgebung andere Eigenschaften der Lichtquelle, beispielsweise die Wärmeabfuhr, verbessert werden können, was die Lebensdauer und Effizienz verbessern kann.
In manchen Beispielen weist die asphärische TIR-Linse eine erste Ausdehnung in der ersten Richtung und eine zweite Ausdehnung in der zweiten Richtung auf, wobei die erste
Ausdehnung größer als die zweite Ausdehnung ist.
Dies kann den Vorteil haben, dass die so geformte TIR-Linse gegenüber einer nicht an die Form der räumlich ausgedehnten Lichtquelle angepasste TIR-Linse verbesserte optische Eigenschaften, d.h. eine in der ersten und zweiten Richtung angepasste Kollimation, hat.
In manchen Beispielen ist die asphärische TIR-Linse eingerichtet, eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Kollimation der räumlich ausgedehnten Lichtquelle zu erzeugen.
Unter einer rotationssymmetrischen Kollimation wird hierbei verstanden, dass die Abweichung von einer idealen Kollimation eine Rotationssymmetrie bezüglich der optischen Achse der TIR- Linse aufweist, beispielsweise im Betrag des Abweichungswinkels zur idealen Kollimation konstant ist. Unter einer im Wesentlichen rotationssymmetrischen Kollimation wird entsprechend verstanden, dass die Abweichung im Wesentlichen konstant ist, z.B. kleiner als 20%, z.B. kleiner als 10, z.B. kleiner als 5%, insbesondere kleiner als 1 % ist.
Im idealisierten Falle einer Punktlichtquelle ist es möglich, mittels einer asphärischen Linse eine perfekte Kollimation mit einer Winkelabweichung zur optischen Achse von 0° zu erreichen.
Im Falle einer ausgedehnten Lichtquelle in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse ist dies nicht mehr möglich. In einer beliebig gewählten Schnittebene senkrecht zur optischen Achse ist die Winkelabweichung, auch als lokaler Divergenzwinkel bezeichnet, zur optischen Achse proportional zur Ausdehnung der Lichtquelle im Verhältnis zum Linsendurchmesser in der Schnittebene senkrecht zur optischen Achse und zur reziproken Brennweite der Linse.
Im Falle einer asymmetrischen Lichtquelle ist die Ausdehnung der Lichtquelle von der Wahl der Schnittebene senkrecht zur optischen Achse abhängig. Somit ist auch der lokale
Divergenzwinkel von der Wahl der Schnittebene abhängig.
Dadurch, dass die TIR-Linse eine erste Ausdehnung in der ersten Richtung und eine zweite Ausdehnung in der zweiten Richtung aufweist, wobei die erste Ausdehnung größer als die zweite Ausdehnung ist, lässt sich dieser Effekt nun zumindest teilweise kompensieren.
Beispielsweise kann im Fall einer elliptischen Lichtquelle eine elliptische Form der TIR-Linse gewählt werden, sodass der Divergenzwinkel für alle Schnittebenen wieder gleich ist, weil in den Schnittebenen, in denen die Lichtquelle eine größere Ausdehnung aufweist, die TIR-Linse ebenfalls eine größere Ausdehnung aufweist.
Im Falle einer eckigen Lichtquelle, beispielsweise einer rechteckigen Lichtquelle, kann diese Eigenschaft im Wesentlichen ebenfalls erreicht werden. Hier kann ebenfalls eine elliptische Form der TIR-Linse gewählt werden, um den verschiedenen Ausdehnungen der Lichtquelle in verschiedenen Richtungen Rechnung zu tragen und die Kollimation zu verbessern. Um den Einfluss solcher Abweichungen ergänzend zu verringern, kann die Brennweite der TIR-Linse vergrößert werden, wobei hierbei zusammen mit anderen gegenläufigen Anforderungen, beispielsweise Bauvolumen, ein Optimierungsprozess vorgenommen werden kann.
Die elliptische Form der TIR-Linse stellt lediglich ein Beispiel für nicht-rotationssymmetrische Formen der TIR-Linse dar.
In manchen Ausführungsbeispielen kann auch eine andere nicht-rotationssymmetrische Form der asphärischen TIR-Linse gewählt werden. Hierbei kann die nicht-rotationssymmetrische Form der TIR-Linse in Abhängigkeit von der Form der räumlich ausgedehnten Lichtquelle gewählt werden.
In manchen Ausführungsbeispielen kann eine Form der asphärischen TIR-Linse auf einer Form der räumlich ausgedehnten Lichtquelle basieren.
Beispielsweise kann für eine elliptische Form oder rechteckige Form der räumlich
ausgedehnten Lichtquelle eine TIR-Linse eine elliptische Form in der Schnittebene senkrecht zur optischen Achse aufweisen.
Die oben genannten Vorgehensweisen können den Vorteil haben, dass in gleichem Bauraum eine verbesserte Kollimierung erreicht werden kann.
Dies kann den Vorteil haben, dass die ausgedehnte Form der TIR-Linse den Einfluss der Asymmetrie einer asymmetrischen, räumlich ausgedehnten Lichtquelle auf die Kollimation verringern kann.
In manchen Beispielen umfasst die asphärische TIR-Linse eine Achse, eine erste Fläche, eine zweite Fläche, eine Austrittsfläche und eine Reflektorfläche, wobei
die Achse durch die räumlich ausgedehnte Lichtquelle verläuft,
die Austrittsfläche planar ist und senkrecht zu der Achse verläuft, wobei die
Austrittsfläche das kollimierte Licht bereitstellt,
die erste Fläche eine bi-asphärische Form aufweist und die Achse schneidet, die zweite Fläche eine Freiform aufweist und die Achse nicht schneidet und
wobei die Reflektorfläche eine parabolische Form aufweist.
In den Beispielen, bei denen die TIR-Linse eine erste Ausdehnung aufweist, die größer als eine zweite Ausdehnung ist, können die Formen in einer Schnittebene, welche durch die Achse verläuft, beispielsweise in einer Querschnittsebene der TIR-Linse, definiert sein. In anderen Schnittebenen können die Formen entsprechend der Verformung der TIR-Linse gegenüber der Querschnittsebene in diesen Ebenen ebenfalls verformt sein, wie dies im Bereich der rechnergestützten Konstruktion (engl.:„Computer aided design“, CAD) beispielsweise durch Loft-Features bekannt ist.
In manchen Beispielen sind die Formen zentrierte Formen, in anderen Beispielen dezentrierte Formen, beispielsweise kann die erste Fläche eine dezentrierte bi-asphärische Form sein. Hierbei kann die bi-asphärische Form für verschiedene Schnittebenen durch die TIR-Linse, die durch die Achse verlaufen, unterschiedlich sein. In manchen Ausführungsbeispielen sind TIR-Linsen mit erster und zweiter Fläche, wie zuvor beschrieben, mit Hybridstrukturen, wie zuvor im Zusammenhang mit Ausführungsbeispielen der refraktiven Diffusem beschrieben, kombiniert. In diesen Ausführungsbeispielen kann die mindestens eine Region zumindest einen Teil einer Projektion der ersten Fläche und/oder der zweiten Fläche auf den refraktiven Diffuser ausfüllen. Hierbei kann die Projektion entlang der Achse erfolgen. Die Projektion kann aber auch mittels Strahldurchrechnung (engl. Raytracing) des Lichts erfolgen, wobei eine Projektion auf einen Teil des refraktiven Diffusers dadurch bestimmt werden kann, dass ein Lichtbündel, welches von der Lichtquelle ausgeht, verfolgt wird und der Bereich bestimmt wird, in dem das Lichtbündel den refraktiven Diffuser durchqueren, wobei der so ermittelte Bereich dann als die mindestens eine Region bestimmt werden kann.
In manchen Beispielen umfasst die asphärische TIR-Linse eine Stoßregion zwischen der ersten und der zweiten Fläche, wobei die Stoßregion eine Flächenform aufweist, die einen
Fertigungsradius nicht unterschreitet und derart ausgestaltet ist, dass ein Lichtanteil von der räumlich ausgedehnten Lichtquelle, die die Stoßregion durchläuft, so abgelenkt wird, dass der entsprechende Lichtanteil nicht in einen Raumwinkelbereich hinter der TIR-Linse fällt, so dass die Gesamtleuchtverteilung hinter der dem Diffuser wesentlich beeinflusst wird.
Darunter, dass der von der Stoßregion abgelenkte Lichtanteil die Leuchtverteilung im
Wesentlichen nicht beeinflusst, wird verstanden, dass der Lichtanteil eine Leuchtverteilung, die ohne Licht, welches die Stoßregion durchläuft, erzeugt wird im Wesentlichen nicht beeinflusst. Dies kann bedeuten, dass die raumwinkelabhängige Intensität der Leuchtverteilung hinter dem Diffuser für keinen Raumwinkel durch den Lichtanteil, welcher die Stoßregion durchläuft, um beispielsweise mehr als 20% beispielsweise 15%, beispielsweise 10%, beispielsweise 5%, beispielsweise 1%, bezogen auf die gewünschte raumwinkelabhängige Intensität hinter dem Diffuser geändert wird.
Die zuvor genannten Kriterien und Zielvorgaben können von einem Fachmann bei der
Erstellung des optischen Designs berücksichtigt werden, beispielsweise indem diese
Zielvorgaben als Optimierungsziele für numerische Optimierungsprozesse für optische
Designsoftware auf Basis von Strahldurchrechnung (engl. Raytracing) vorgegeben wird, beispielsweise als eine„Merit-function“ in der optischen Designsoftware Zemax OpticStudio.
Unter einem Fertigungsradius wird eine kleinstmögliche Krümmung verstanden, die mit einem Fertigungsverfahren noch hergestellt werden kann, beispielsweise aufgrund von
Werkzeuggrößen oder aufgrund von Materialeigenschaften. Dies kann den Vorteil haben, dass eine Kostenoptimierung der Herstellungskosten dadurch erreicht wird, dass ein geeigneter Fertigungsradius bereits in der Design-Phase berücksichtigt wird. Insbesondere ist der Einfluss von Licht aus der Stoßregion auf die Leuchtverteilung zu minimieren oder die Stoßregion derart auszubilden, dass das hiervon ausgehende Licht gezielt in die Nutzverteilung überführt wird. So kann vermieden werden, dass Licht, welches die Stoßregion durchläuft, zu einer Bildung von Hot Spots in der Leuchtverteilung führt, was beispielsweise durch eine Reflexion an der Stoßregion und bei anschließender Reflexion in der TIR-Linse der Fall sein könnte. In manchen Beispielen kann verhindert werden, dass die Leuchtverteilung eine unerwünschte Abstandsabhängigkeit aufgrund von nicht kollimiertem Licht aus der Stoßregion aufweist.
In manchen Ausführungsbeispielen beträgt der Anteil von Licht, welches die Stoßregion durchläuft und in Richtung der Austrittsfläche gelenkt wird, über 95%.
Der Lichtanteil kann auch andere Anteile ausmachen, beispielsweise im Bereich zwischen 70% und 100% liegen. Hierbei ist in vielen Fällen ein höherer Anteil erstrebenswert, wobei auch niedrigere Werte im Rahmen eines Optimierungsprozesses nützlich sein können,
beispielsweise um größere Fertigungsradien und somit günstigere Fertigung zu erlauben, solange die resultierende Leuchtverteilung den Anforderungen genügt.
Dadurch, dass die Stoßregion in das optische Design mit einbezogen wird, ist es möglich, dass die Herstellung einer solchen Leuchteinrichtung mittels günstiger Verfahren möglich sein kann. Manche günstige Herstellungsverfahren, beispielsweise Spritzgussfertigung, zeichnen sich dadurch aus, dass bestimmte Fertigungsradien nicht unterschritten werden können, da die Entformung zu kleiner Radien zu unvorhersehbaren Effekten bezogen auf die Lichtablenkung führen kann. Dies ist nicht auf Spritzgussfertigung beschränkt, sondern gilt auch für zahlreiche andere Fertigungsverfahren.
In manchen Ausführungsbeispielen ist die Freiform der zweiten Fläche mittels Q-Polynomen definiert.
Q-Polynome sind beispielsweise aus I. Kaya et al., Comparative assessment of freeform polynomials as optical surface descriptions, OPTICS EXPRESS 22683, Vol. 20, No. 20, 24 September 2012, bekannt. Die Freiformdefinition mittels Q-Polynomen hat den Vorteil, dass eine numerische Optimierung der Freiform und/oder anderer Formen robuster und einfacher wird. In manchen Ausführungsbeispielen können die Q-Polynome dezentrierte Q-Polynome sein. Zur Dezentrierung der Q-Polynome sind für die Ortskoordinaten Offset-Werte entsprechend der geforderten Dezentrierung, d.h. lateralen Verschiebung, vorzusehen. Infolgedessen werden die durch Q-Polynome beschriebenen Oberflächen relativ zur optischen Achse verschoben, wodurch sich zusätzliche Freiheitsgrade für das Optikdesign ergeben.
In manchen Ausführungsbeispielen können die asphärische TIR-Linse und der refraktive Diffuser einstückig als eine Komponente ausgebildet sein. Hierbei kann in manchen
Ausführungsbeispielen der refraktive Diffuser einstückig mit der Austrittsfläche der asphärischen TIR-Linse ausgebildet sein.
Dies kann den Vorteil haben, dass die Fertigungskosten gesenkt werden können. Gleichzeitig kann aufgrund der einstückigen Fertigung eine genaue und reproduzierbare Passung zwischen der TIR-Linse und dem refraktiven Diffuser erreicht werden. Hierdurch können
Anordnungsfehler dieser Komponenten zueinander vermieden werden und es kann möglich sein, auf eine Justierung von Komponenten zu verzichten.
Dies kann den Vorteil haben, dass eine Herstellung besonders einfach und somit besonders kosteneffizient möglich ist.
In manchen Ausführungsbeispielen können die asphärische TIR-Linse und/oder der refraktive Diffuser mittels eines Spritzgussverfahrens hergestellt sein.
In manchen Ausführungsbeispielen kann die Leuchteinrichtung als Leuchteinrichtung für ein Fahrzeug ausgebildet sein. Hierbei kann die Leuchteinrichtung beispielsweise als ein
Frontscheinwerfer, ein Fernlicht, ein Nebellicht, ein Abblendlicht, eine Rückleuchte oder als ein Tagfahrlicht ausgebildet sein. Auch eine Verwendung als andere Leuchteinrichtung ist möglich. Die Leuchteinrichtung kann insbesondere dann vorteilhaft zum Einsatz kommen, wenn die achromatischen Eigenschaften von Vorteil sind. Dies ist beispielsweise bei
Leuchteinrichtungen, die breite Spektralbereiche des Lichts bereitstellen sollen, beispielsweise bei weißem Licht, der Fall. Aber auch andere Konstellationen sind denkbar, beispielsweise eine Leuchteinrichtung für ein kombiniertes Bremslicht und Richtungsanzeiger, wobei das Bremslicht im roten Spektralbereich und der Blinker im gelben Spektralbereich Licht aussenden soll, was ebenfalls durch eine erfindungsgemäße Leuchteinrichtung vorteilhaft umgesetzt werden kann.
Zum besseren Verständnis werden nachfolgend Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Leuchteinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels,
Fig. 2 eine räumlich ausgedehnte Lichtquelle mit einer Leuchtfläche gemäß eines
Ausführungsbeispiels,
Fig. 3A und Fig. 3B eine TIR-Linse gemäß eines Ausführungsbeispiels, hierbei zeigt Fig. 3A eine Querschnittsansicht und Fig. 3B eine Frontalansicht der TIR-Linse jeweils mit
entsprechenden Kennzeichnungen der Teilbereiche der TIR-Linse,
Fig. 4 einen refraktiven Diffuser gemäß eines Ausführungsbeispiels,
Fig. 5A und Fig. 5B eine Leuchtverteilung gemäß eines Ausführungsbeispiels,
Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel eines achromatischen refraktiven Diffusers mit einer
Hybridstruktur.
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. 1 zeigt eine Leuchteinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels. Das Licht einer räumlich ausgedehnten Lichtquelle 1 10 wird von einer asphärischen TIR (engl „total internal reflection“, vollständige interne Reflexion)-Linse 120 kollimiert und von einem refraktiven Diffuser 130 umgeformt, um eine Leuchtverteilung 140 auf Basis des kollimierten Lichts zu erzeugen. In manchen Ausführungsbeispielen kann zusätzlich noch eine Schutzschicht 150, beispielsweise aus Glas, vorhanden sein, die den Aufbau 1 10, 120, 130 vor Umwelteinflüssen schützt. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Schutzschicht 150 einstückig mit dem refraktiven Diffuser 130 ausgeführt sein. Die räumlich ausgedehnte Lichtquelle 1 10 weist eine Leuchtfläche größer als 0,5 mm2 auf. In manchen Ausführungsbeispielen ist die räumlich ausgedehnte Lichtquelle 110 als Leuchtdiode, LED (engl „light emitting diode“) oder Gruppen von LEDs realisiert. Dies wird nachfolgend im Zusammenhang mit Fig. 2 näher erläutert. Im
Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist der refraktive Diffuser 130 ein Divergenz-adaptierter achromatischer refraktiver Diffuser. Die in Fig. 1 gezeigte Leuchtverteilung 140 ist eine definierte asymmetrische hochaufgelöste Weißlichtverteilung.
Fig. 2 zeigt eine räumlich ausgedehnte Lichtquelle mit einer Leuchtfläche gemäß eines
Ausführungsbeispiels. Fig. 2 zeigt eine räumlich ausgedehnte Lichtquelle 200, die eine erste LED 210 und eine zweite LED 220 umfasst. Die räumlich ausgedehnte Lichtquelle 200 kann durch eine erste Richtung R1 und in eine zweite Richtung R2 beschrieben werden, wobei die räumlich ausgedehnte Lichtquelle in erste Richtung R1 und zweite Richtung R2 ausgedehnt ist. In der ersten Richtung R1 hat die räumlich ausgedehnte Lichtquelle 200 eine erste Länge L1 und in der zweiten Richtung R2 eine zweite Länge L2. Im gezeigten Beispiel der Fig. 2 ist die erste Länge L1 größer als die zweite Länge L2, sodass sich im Beispiel der Fig. 2 eine rechteckige Form der Lichtquelle 200 ergibt. Wie zuvor beschrieben kann nun eine
Herausforderung darin bestehen, eine solche ausgedehnte Lichtquelle zu kollimieren. Eine solche Kollimation kann in effizienter Form durch die nachfolgend im Zusammenhang mit den Figuren 3A und 3B beschriebenen TIR-Linsen erreicht werden.
Die Fig. 3A und die Fig. 3B zeigen eine TIR-Linse 300, 301 gemäß eines Ausführungsbeispiels, wobei Fig. 3A eine Querschnittsansicht 300 der TIR-Linse und Fig. 3B eine Frontalansicht 301 der TIR-Linse zeigt. Die TIR-Linse 300, 301 ist eingerichtet, kollimiertes Licht von der
Lichtquelle 302 bereitzustellen. Im gezeigten Beispiel handelt es sich bei der Lichtquelle 302 um eine LED, die der Lichtquelle 200 der Fig. 2 entsprechen kann. Aber auch andere Lichtquellen 302 sind möglich. Im gezeigten Beispiel hat die Lichtquelle 302 eine rechteckige Form mit unterschiedlicher erster Länge L1 und zweiter Länge L2, wobei die erste Länge L1 in eine erste Richtung R1 und die zweite Länge L2 in eine zweite Richtung L2 verlaufen kann. Die Längen und Richtungen können den Längen und Richtungen der Fig. 2 entsprechen.
Um die Qualität der Kollimation der räumlich ausgedehnten Leuchtfläche zu verbessern, ist die TIR-Linse 300, 301 asymmetrisch geformt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die TIR-Linse elliptisch geformt und weist um den Mittelpunkt M eine erste Ausdehnung D1 in der ersten Richtung R1 und eine zweite Ausdehnung D2 in der zweiten Richtung R2 auf. Hierbei ist die erste Ausdehnung D1 größer als die zweite Ausdehnung D2.
Aufgrund der asymmetrischen Form der TIR-Linse 300, 301 kann es möglich sein, dass der Aufbau den Anforderungen für die Leuchteinrichtung 100 gerecht wird und im Winkelbereich hinter dem Kollimator eine Winkelverteilung bereitstellt, die eine möglichst kleine, in allen Richtungen möglichst gleiche, Restdivergenz aufweist. Die Querschnittsansicht der Fig. 3A zeigt zwei unterschiedliche Strahleintrittsflächen für das Licht der räumlich ausgedehnten Lichtquelle 302, namentlich eine erste Fläche 306 und eine zweite Fläche 307, sowie eine Austrittsfläche 310 und eine Reflektorfläche 308. Die durch den Mittelpunkt M verlaufende Achse 350 verläuft durch die räumlich ausgedehnte Lichtquelle 302. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Austrittsfläche 310 planar geformt und verläuft senkrecht zur Achse 350, wobei die Austrittsfläche 310 das kollimierte Licht bereitstellt. Die erste Fläche 306 und die zweite Fläche 307 sind unabhängig voneinander geformt. Im
Ausführungsbeispiel weist die erste Fläche 306 eine bi-asphärische Form auf und schneidet die Achse 350. Die zweite Fläche 307 hingegen weist eine Freiform auf und schneidet die Achse 350 nicht. Die Reflektorfläche 308 weist in der Querschnittsansicht 300 eine paraboloide Form auf. Die planare Form der Austrittsfläche 310 hat den Vorteil, dass diese Oberfläche in manchen Beispielen einstückig mit dem refraktiven Diffuser geformt werden kann. Dies kann eine Herstellung eines Kollimation-Diffuser-Moduls in einem einzigen Spritzgussprozess ermöglichen. Die zwei Flächen 306, 307 umschließen einen Halbraum um die räumlich ausgedehnte Lichtquelle und sorgen somit dafür, dass ein Großteil der Strahlung in das transparente Material der TIR-Linse eingekoppelt wird. Hierdurch werden auch
Strahlungsanteile in weit von der Achse entfernt liegenden Winkelbereichen aufgenommen, wodurch die Effizienz der Vorrichtung gesteigert wird.
Die TIR-Linse ist hierbei so geformt, dass die Oberflächen jeweils möglichst senkrecht zum jeweils einfallenden Teilstrahlenbündel der Lichtquelle stehen. Hierdurch kann erreicht werden, dass durch Brechung bei der Einkopplung ins Material der TIR-Linse an den Grenzflächen verhältnismäßig kleine Ablenkwinkel erzeugt werden, was eine Verringerung der chromatischen Aberration infolge der materialabhängigen Dispersion zur Folge hat, sowie zu einer hohen Einkopplungseffizienz in das Material der TIR-Linse resultiert. In der Querschnittsansicht der Fig. 3A ist gut zu erkennen, dass die erste Fläche 306 und die zweite Fläche 307 eine
Stoßregion 309 zwischen der ersten Fläche 306 und der zweiten Fläche 307 aufweisen. Wie schematisch in Fig. 3A angedeutet, weist die Stoßregion 309 eine Flächenform auf, die einen Fertigungsradius nicht unterschreitet und derart ausgestaltet ist, dass ein Lichtanteil von der räumlich ausgedehnten Lichtquelle 302, der die Stoßregion 309 durchläuft, zu einem möglichst hohen Anteil in Richtung der Austrittsfläche 310 gelenkt wird und insbesondere nicht zur Reflektorfläche 308 gelenkt wird. Dies hat den Vorteil, dass Bereiche hoher Intensität (zuvor genannte Hot Spots) in der resultierenden Leuchtverteilung vermieden werden können, die sonst bei einer nicht sorgsamen Optimierung der Stoßregion 309 auftreten könnten, und sich in der Leuchtverteilung (vgl. Leuchtverteilung 140 der Fig. 1 ) nachteilig auswirken würden. Dies könnte insbesondere bei einer unkontrollierbaren Fertigung der Stoßstelle der Fall sein, also dann, wenn Fertigungsradien verlangt werden, die unterhalb der möglichen Fertigungsradien liegen. Hierbei kann das von der Lichtquelle 302 ausgehende Licht durch verschiedene Strahlenbündel beschrieben werden. Das Strahlenbündel 304 geht aus dem niedrigeren Winkelbereich des Gesamtstrahlenbündels hervor und hat in der Frontalansicht der Fig. 3B eine ovale Form, welche der Fläche 306 in Fig. 3B entspricht. Das Strahlenbündel 305 durchläuft die Stoßregion 309. Das Strahlenbündel 303 ergibt sich aus dem höheren Winkelbereich des Gesamtstrahlenbündels und durchläuft die zweite Fläche 307 und weist eine oval-ringförmige Form auf, die der Reflektorfläche 308 in der Frontalansicht der Fig. 3B entspricht. Durch die gezeigte Bauform wird eine geringe chromatische Aberration realisiert, da durch die Form erreicht wird, dass das Strahlenbündel 303 hauptsächlich durch Reflexion an der Fläche 308 abgelenkt wird, wobei die Reflexionen frei von achromatischen Aberrationen sind. Der in den Fig. 3A und Fig. 3B gezeigte Kollimator ermöglicht somit eine spektral homogene Kollimation bei minimierter chromatischer Aberration, eine hohe Effizienz der Lichttransmission bei geringer Restdivergenz von weniger als 6° und zugleich eine kompakte Bauform. Zusätzlich ist das Bauteil mittels Spritzgussverfahren monolithisch herstellbar, wobei es möglich ist, eine refraktive Diffuserstruktur, beispielsweise eine achromatische refraktive Diffuserstruktur, ebenfalls einstückig mittels dem Spritzgussverfahren zu erzeugen. Die Diffuserstruktur wird nachfolgend im Zusammenhang mit Fig. 4 erläutert.
Fig. 4 zeigt einen refraktiven Diffuser 400, der als achromatischer refraktiver Diffuser ausgestaltet ist. Auf der linken Seite von Fig. 4 wird im Diagramm 420 eine Höhenkontur 421 des refraktiven Diffusers als Funktion des Orts entlang des Pfads 410 gezeigt. Die Höhenkontur beschreibt hierbei für den Pfad 410 eine Topographiefunktion. Wie aus der Höhenkontur 421 zu ersehen ist, ändert sich das Höhenprofil stetig differenzierbar um einen Mittelwert 440, wobei zusätzlich die Standardabweichung der Höhenkontur 421 addiert mit dem Mittelwert der Höhenkontur 422 und die Standardabweichung subtrahiert vom Mittelwert der Höhenkontur 423 als Referenz gezeigt sind. Hierbei durchläuft die Höhenkontur 421 lokale Maxima 430 und Minima 431. Dadurch, dass die Höhenkontur 421 stetig differenzierbar ist, werden
Phasensprünge in der Wellenfront des transmittierten Lichts vermieden. Hierdurch werden technologisch bedingte nullte Beugungsordnungen vermieden und es können sehr gute Transmissionseigenschaften, wie zuvor beschrieben, erreicht werden. Die bereits oben beschriebene Skalierbarkeit des Diffusers bietet weitere Designfreiheitsgrade für die
Leuchtverteilung im Fernfeld und insbesondere Möglichkeiten, eine achromatische
Leuchtverteilung zu erzeugen. Dies wird nachfolgend im Zusammenhang mit den Fig. 5A und Fig. 5B beschrieben.
Die Fig. 5A und Fig. 5B zeigen eine Leuchtverteilung gemäß eines Ausführungsbeispiels.
Die Fig. 5A zeigt eine mögliche Leuchtverteilung 500 der Leuchteinrichtung. Eine solche Leuchtverteilung 500 kann beispielsweise durch die Leuchteinrichtung der Fig. 1 erzeugt werden. Im Beispiel der Fig. 5A wird eine asymmetrische Form der Leuchtverteilung erreicht. Hierbei ergeben sich durch die mögliche Kombination der räumlich ausgedehnten Lichtquelle mit der asphärischen TIR-Linse und dem refraktiven Diffuser zahlreiche
Gestaltungsmöglichkeiten und Designfreiheitsgrade für die Leuchtverteilung 500, wie zuvor und nachfolgend beschrieben. Zur Verdeutlichung der erzielten asymmetrischen Leuchtverteilung 500 sind verschiedene Intensitätsverläufe 511 , 521 , 531 für Schnitte 510, 520, 530 in Fig. 5B als Funktion des Abstrahlwinkels aufgetragen.
Fig. 5B zeigt hierbei die Intensität des Weißlichts für die Schnitte der Fig. 5A in beliebigen Einheiten als Funktion des Abstrahlwinkels in beliebigen Einheiten. Die Kurve 51 1 zeigt hierbei den Intensitätsverlauf des Schnitts 510, die Kurve 521 den Intensitätsverlauf des Schnitts 520 und die Kurve 531 den Intensitätsverlauf des Schnitts 530. Wie anhand der Kurven zu ersehen ist, können verschiedene symmetrische und asymmetrische Leuchtverteilungen in
verschiedenen Bereichen der Leuchtverteilung 500 erreicht werden. So weist die Kurve 531 eine nahezu symmetrische supergaußsche Form auf, wohingegen die Kurve 521 eine nahezu symmetrische top-hat-förmige supergaußsche Verteilung aufweist. Die Kurve 51 1 hingegen ist stark asymmetrisch und stellt eine Überlagerung von zwei modifizierten super-gaußschen Intensitätsverteilungen dar. Diese Intensitätsverteilungen können durch Optimierung der verschiedenen Komponenten mit großen Designfreiheitsgraden festgelegt werden.
Insbesondere können sehr weiche Intensitätsübergänge, wie am Beispiel des
Intensitätsverlaufs der Kurve 531 gezeigt, erreicht werden, aber auch schärfere Übergänge, wie beispielsweise bei dem Intensitätsverlauf der Kurve 521 , sind möglich.
Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines refraktiven Diffusers mit einer Hybridstruktur.
In manchen Ausführungsbeispielen kann zumindest ein Teil des refraktiven Diffusers eine Hybridstruktur, wie eingangs erläutert, aufweisen. Solche Hybridstrukturen können den Vorteil haben, dass chromatische Fehler der TIR-Linse kompensiert werden können.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 6 ist exemplarisch eine Höhenkontur eines achromatischen refraktiven Diffusers 610 als Funktion des Orts entlang eines Pfads gezeigt. Wie zuvor erläutert kann der Diffuser in anderen Ausführungsbeispielen auch ein refraktiver Diffuser sein. Der gezeigte achromatische refraktive Diffuser kann beispielsweise dem achromatischen refraktiven Diffuser 400 der Fig. 4 entsprechen. Das Höhenprofil des achromatischen refraktiven Diffusers wird nun als Ausgangsbasis verwendet, um einen Diffuser mit einer Hybridstruktur
bereitzustellen. Hierzu wird ein Höhenprofil einer global wirkenden diffraktiven Struktur 620 mit dem Höhenprofil des achromatischen refraktiven Diffusers 610 überlagert. Fig. 6 ist dies Beispielhaft für ein Profil durchgeführt, wobei die Höhenprofile 610, 620 mittels Addition überlagert sind. Durch die Überlagerung der Höhenprofile des achromatischen refraktiven Diffusers und der global wirkenden diffraktiven Struktur wird eine Hybridstruktur erhalten. Eine Höhenkontur der Hybridstruktur 630 ist als Beispiel ebenfalls in Fig. 6 gezeigt.
Im gezeigten Beispiel ist die global wirkende diffraktive Struktur auf eine Region A beschränkt. Die Region B weist hingegen keine global wirkende diffraktive Struktur auf. Im gezeigten Beispiel ist die global wirkende diffraktive Struktur in der Region A als eine Fresnel-Linse 621 ausgeführt, die ausgelegt ist, 2u-Phasensprünge des Lichts für eine Wellenlänge l
herbeizuführen.
In anderen Ausführungsbeispielen kann sich die Region A über andere Bereiche erstrecken, auch den gesamten Bereich ausfüllen, so dass die Region B entfällt, oder es können mehrere verschiedene Regionen wie A und B vorliegen. Insbesondere können die Strukturen an verschiedenen Orten für verschiedene Mittenwellenlängen ausgelegt sein. Dies kann beispielsweise vorteilhaft sein, wenn bekannt ist, dass in bestimmten Regionen eine andere spektrale Lichtverteilung vorliegt als in anderen Bereichen. Dies kann beispielsweise aufgrund von chromatischer Aberration in optischen Komponenten, beispielsweise in der TIR-Linse, der Fall sein.
Die Hybridstruktur ist in der Region B gegenüber dem ursprünglichen Höhenprofil des achromatischen refraktiven Diffusers unverändert. Die Hybridstruktur in Region B kann den Vorteil haben, dass ein Farbwinkelspektrum des von der asphärischen TIR-Linse kollimierten Lichtes verkleinert werden kann.
Der Diffuser mit Hybridstruktur kann beispielsweise auf der Austrittsfläche 310 der Fig. 3a und Fig. 3b angeordnet sein und die Region A kann so gewählt werden, dass das Strahlenbündel 304 die Region A durchläuft. Dann kann die Hybridstruktur einen chromatischen Fehler, welcher beispielsweise aufgrund von Brechung an der Fläche 306 entstehen kann, zumindest teilweise kompensieren. Hierdurch kann die Qualität der Leuchtverteilung weiter verbessert werden. Zugleich kann durch die Hybridstruktur, wie zuvor beschrieben, das Entstehen von nullten Beugungsordnungen in der Leuchtverteilung vermieden werden.
Somit können mittels refraktiven Diffusem und TIR-Reflektoren verschiedene Arten von
Leuchteinrichtungen für Fahrzeuge, insbesondere Frontscheinwerfer, aber auch
Richtungsanzeiger, Rückfahrscheinwerfer, Nebelleuchten, Bremslichter und dergleichen, mit gewünschten Leuchtverteilungen bereitgestellt werden, was eine große Designfreiheit ermöglicht.

Claims

Patentansprüche
1. Leuchteinrichtung (100), umfassend:
eine räumlich ausgedehnte Lichtquelle (1 10, 200, 302) mit einer Leuchtfläche (230) größer als 0,5 mm2,
eine asphärische TIR-Linse (120, 300, 301 ), die eingerichtet ist, Licht von der räumlich ausgedehnten Lichtquelle (110, 200, 302) zu kollimieren und
einen refraktiven Diffuser (130, 400), der zum Erzeugen einer Leuchtverteilung (140, 500) auf Basis des kollimierten Lichts eingerichtet ist.
2. Leuchteinrichtung (100) nach Anspruch 1 , wobei der refraktive Diffuser (130, 400) ein achromatischer refraktiver Diffuser (400) ist.
3. Leuchteinrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der refraktive Diffuser (130, 400) eingerichtet ist, das kollimierte Licht mit einer Restdivergenz zu empfangen, wobei der refraktive Diffuser zum Erzeugen der Leuchtverteilung (140, 500) auf Basis des kollimierten Lichts mit der Restdivergenz eingerichtet ist.
4. Leuchteinrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der achromatische refraktive Diffuser (400) eine optische Diffuserfläche (400) aufweist, die eingerichtet ist, die Leuchtverteilung (140, 500) auf Basis des kollimierten Lichts bereitzustellen, wobei die Diffuserfläche (400) stetig differenzierbar ist.
5. Leuchteinrichtung (100) nach Anspruch 4, wobei die Diffuserfläche (400) stochastisch verteilte Strukturen (430, 431 ) mit konvexen (430) und konkaven (431 ) Strukturanteilen aufweist, wobei die Strukturanteile laterale Dimensionen von 15 pm-500 pm aufweisen.
6. Leuchteinrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die
Leuchtverteilung (140, 500) eine oder mehrere der folgenden Formen aufweist:
eine symmetrische Form, eine asymmetrische Form, eine runde Form, eine quadratische Form, eine elliptische Form.
7. Leuchteinrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Leuchtverteilung (140, 500) eine oder mehrere der folgenden Intensitätsverteilungen aufweist:
eine homogene Intensitätsverteilung, eine top-hat-förmige Intensitätsverteilung, eine gaußsche Intensitätsverteilung, eine supergaußsche Intensitätsverteilung.
8. Leuchteinrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die asphärische TIR-Linse (120, 300, 301 ) nicht rotationssymmetrisch ist und wobei die asphärische TIR- Linse (120, 300, 301 ) sich in einem Raumwinkelbereich, ausgehend von einem
Mittelpunkt (M) der räumlich ausgedehnten Lichtquelle (110, 200, 302), befindet, wobei der Raumwinkelbereich im Wesentlichen den Halbraum um die räumlich ausgedehnte Lichtquelle (1 10, 200, 302) umfasst.
9. Leuchteinrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die räumlich
ausgedehnte Lichtquelle (1 10, 200, 302) eine Form, umfassend eine erste Länge (L1 ) in einer ersten Richtung (R1 ) und eine zweite Länge (L2) in einer zweiten Richtung (R2), die sich von der ersten Richtung (R1 ) unterscheidet, aufweist, wobei die erste Länge (L1 ) größer als die zweite Länge (L2) ist.
10. Leuchteinrichtung (100) nach Anspruch 9, wobei die asphärische TIR-Linse (120, 300,
301 ) eine erste Ausdehnung (D1 ) in der ersten Richtung (R1 ) und eine zweite
Ausdehnung (D2) in der zweiten Richtung (R2) aufweist, wobei die erste Ausdehnung (D1 ) größer als die zweite Ausdehnung (D2) ist.
1 1. Leuchteinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die asphärische TIR- Linse (120, 300, 301 ) eingerichtet ist, eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Kollimation der räumlich ausgedehnten Lichtquelle (110, 200, 302) zu erzeugen.
12. Leuchteinrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die asphärische TIR-Linse (120, 300, 301 ) eine Achse (350), eine erste Fläche (306), eine zweite Fläche (307), eine Austrittsfläche (310) und eine Reflektorfläche (308) umfasst, wobei:
die Achse (350) durch die räumlich ausgedehnte Lichtquelle (1 10, 200, 302) verläuft, die Austrittsfläche (310) planar ist und senkrecht zu der Achse (350) verläuft, wobei die Austrittsfläche (310) das kollimierte Licht bereitstellt,
die erste Fläche (306) eine bi-asphärische Form aufweist und die Achse (350) schneidet, die zweite Fläche (307) eine Freiform aufweist und die Achse (350) nicht schneidet und wobei die Reflektorfläche (308) eine paraboloide Form aufweist.
13. Leuchteinrichtung (100) nach Anspruch 12, wobei die asphärische TIR-Linse (120, 300, 301 ) eine Stoßregion (309) zwischen der ersten (306) und der zweiten (307) Fläche umfasst, wobei die Stoßregion (309) eine Flächenform aufweist, die einen
Fertigungsradius nicht unterschreitet und derart ausgestaltet ist, dass ein Lichtanteil von der räumlich ausgedehnten Lichtquelle (110, 200, 302), die die Stoßregion durchläuft, so abgelenkt wird, dass der Lichtanteil die Leuchtverteilung im Wesentlichen nicht beeinflusst.
14. Leuchteinrichtung (100) nach Anspruch 13, wobei der Lichtanteil zu einem Anteil von mindestens 70% in Richtung der Austrittsfläche (310) gelenkt wird und nicht zur
Reflektorfläche (308) gelenkt wird.
15. Leuchteinrichtung (100) nach Anspruch 14, wobei der Anteil über 95% beträgt.
16. Leuchteinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 12-15, wobei die Freiform der zweiten Fläche (307) mittels Q-Polynomen definiert ist.
17. Leuchteinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der refraktive Diffuser mindestens eine Region umfasst, die eine Hybridstruktur (630) enthält, wobei die
Hybridstruktur (600) eine Kombination eines achromatischen refraktiven Diffusers (400, 610) mit einer global wirkenden diffraktiven Struktur (620) umfasst.
18. Leuchteinrichtung nach Anspruch 17, wobei die global wirkende diffraktive Struktur (620) eine Fresnel-Linse (621 ) umfasst.
19. Leuchteinrichtung nach Anspruch 12 und 17 oder 12 und 18, wobei die mindestens eine Region zumindest einen Teil einer Projektion der ersten Fläche (306) und/oder der zweiten Fläche (307) auf den refraktiven Diffuser (130, 400) ausfüllt.
20. Leuchteinrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüchen, wobei die asphärische TIR-Linse (120, 300, 301 ) und der refraktive Diffuser (130, 400) einstückig als eine Komponente ausgebildet sind.
21. Leuchteinrichtung (100) nach Anspruch 20, wobei der refraktive Diffuser (130, 400) einstückig mit der Austrittsfläche (310) der asphärischen TIR-Linse (120, 300, 301 ) ausgebildet ist.
22. Leuchteinrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die asphärische
TIR-Linse (120, 300, 301 ) und/oder der refraktive Diffuser (130, 400) mittels eines Spritzgussverfahrens hergestellt sind.
23. Leuchteinrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die
Leuchteinrichtung (100) als Leuchteinrichtung für ein Fahrzeug ausgebildet ist.
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