ELEKTRISCH STEUERBARE LINSENVORRICHTUNG, SCHEINWERFER UND BELEUCHTUNGSEINRICHTUNG
Die Erfindung betrifft eine Linsenvorrichtung, einen Scheinwerfer und eine Beleuchtungseinrichtung nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Aus der gattungsbildenden US 6,538,823 B2 ist eine Linsenvorrichtung mit einer Linse bekannt, die ein über ein elektrisches Feld steuerbares Medium zum Verändern des • Beugungswinkels von Lichtstrahlen vorsieht. Dort ist eine einzelne Linse offenbart, die als elektrisch steuerbares Medium eine Flüssigkeit aufweist. Durch gesteuertes Einwirken von elektrischen Feldern wird die bekannte Linse verformt, was sich auf ihre Abbildungseigenschaften auswirkt. Die bekannte Linse findet in der Laserstrahlpositionierung für Glasfasern Anwendung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst flexible Linsenvorrichtung mit einem weiten Anwendungsbereich bereitzustellen. Weiterhin sollen ein Scheinwerfer und eine Beleuchtungseinrichtung geschaffen werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Die erfindungsgemäße Linsenvorrichtung weist mindestens zwei elektrisch steuerbare Linsen auf, die auf einer Elektrodenan-
Ordnung angeordnet sind. Den jeweiligen Linsen zugeordnete Elektroden werden über Leiterbahnen mit elektrischem Potenzial beaufschlagt. Das so erzeugte elektrische Feld wirkt auf die Linsen ein und verformt diese durch Influenzwirkung. Die Linsen können, entsprechend der gewählten Elektrodengeometrie und des angelegten elektrischen Feldes, in vorbestimmter Weise gezielt verformt werden. Durch die Verformung wird eine Änderung der Abstrahleigenschaften der Linsen bewirkt. Insbesondere können der Brennpunkt und/oder die Ablenkrichtung der Linse direkt elektrisch eingestellt werden. Dabei können Ablenkrichtung und Brennpunkt mit demselben Bauelement, insbesondere der Linsenvorrichtung mit Linsen und Elektrodenanordnung, eingestellt werden. Die Einstellung kann direkt über die angelegte elektrische Spannung erfolgen und erfordert keine aufwendige Elektronik. Licht, das durch die Linsenvorrichtung tritt, kann variabel abgelenkt und fokussiert werden. Die erfindungsgemäße Linsenvorrichtung weist vorteilhaft einen einfachen Aufbau auf und kann zur Einstellung von Brennpunkt und/oder Ablenkrichtung auf bewegte Bauteile verzichten .
Die Linsen sind vorzugsweise für elektromagnetische Strahlung im optischen Bereich durchlässig, können aber auch für andere Wellenlängenbereiche, beispielsweise im Infraroten oder Ultravioletten durchlässig sein.
Ein erfindungsgemäßer Scheinwerfer sowie eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung umfassen jeweils eine Linsenvorrichtung mit zumindest zwei elektrisch steuerbaren Linsen.
Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind der Beschreibung sowie den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die erfindungsgemäße Linsenvorrichtung eine Vielzahl von Linsen, die je-
weils auf einer Elektrodenanordnung angeordnet sind. Das sogenannte „Linsenarray" kann an die Form eines gewünschten Ausleuchtfelds angepasst sein und beispielsweise quadratisch, dreieckig oder rund sein bzw. eine beliebige andere Form aufweisen. Die Größe des Linsenarrays kann einfach an die Größe der auszuleuchtenden Fläche oder die Dimension der verwendeten Lichtstrahlen oder an die Art bzw. Größe der Lichtquelle angepasst werden. Als Lichtquelle können Standardlichtquellen wie Xenonlampen, Glühlampen, Leuchtdioden usw. eingesetzt werden. Jeder einzelnen Linse kann ein Elektrodenpaar der E- lektrodenanordnung zugeordnet sein. Die Art der Elektrodenanordnung, des so genannten Elektrodenarrays, ist an die Form des Linsenarrays angepasst.
Es kann vorgesehen sein, dass zumindest zwei Leiterbahnen mit abstehenden Leiterbahnzweigen eine zweidimensionale Elektrodenanordnung in der Art einer interdigitalen Anordnung von Interdigitalkondensatoren bilden. Die Elektrodenanordnung kann insbesondere mit den in der Halbleitertechnik üblichen Verfahren erzeugt werden, wie etwa dort bekannte Beschich- tungsverfahren, Lithographie, Mikrostrukturierung. Besonders günstig können dabei auch Mehrschichtverfahren, bei denen Leiterbahnen in verschiedenen Ebenen übereinander erzeugt werden können, angewendet und damit auch komplexe Elektrodengeometrien dargestellt werden.
Die Linsen können auf einem Träger auf elektrischen Leiterbahnzweigen in einer regelmäßigen gitterartigen Struktur angeordnet sein, wobei jeder Linse mindestens ein Elektrodenpaar zugeordnet ist. Dies ermöglicht eine einfache Berechnung der Abbildungseigenschaften des Linsenarrays. Es sind jedoch auch andere Anordnungen möglich. Selbstverständlich können einer Linse auch mehr als zwei Elektroden zugeordnet sein,
womit auch komplexe Verformungen der Linsen verwirklicht werden können .
Die Linsen umfassen vorzugsweise eine Flüssigkeit, vorteilhafterweise eine dielektrische Flüssigkeit, und bilden sogenannte „Flüssiglinsen" oder „Tropfenlinsen", insbesondere Wasser. Es ist auch jede andere bei der gewünschten Wellenlänge transparente Flüssigkeit möglich. Der Durchmesser dieser Linsen kann von einigen Mikrometern bis einigen Millimetern reichen. Dies gestattet die Ausbildung von sehr klein dimensionierten Linsenarrays, so dass sich beispielsweise bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Linsenvorrichtungen in Fahrzeugscheinwerfern durch Beschleunigungen hervorgerufene Vibrationen praktisch nicht bemerkbar machen. Gegenüber den herkömmlichen komplexen mechanischen Linsenbauteilen haben die erfindungsgemäßen Linsen insbesondere den Vorteil, dass sie weniger abgenutzt werden und eine längere Lebensdauer haben. Als Linsenmaterial können auch beispielsweise elektroop- tisch aktive oder elektrostriktive Medien vorgesehen sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind Linsen in einem Gehäuse zwischen einer oberen und einer unteren Abdeckung angeordnet. Vorteilhafterweise weist die obere Abdeckung auf ihrer den Linsen zugewandten Seite eine erste elektrische isolierende Schicht und die untere Abdeckung auf ihrer den Linsen zugewandten Seite eine zweite elektrisch isolierende Schicht auf. Die elektrisch isolierende Schicht kann aus einem Oxid bestehen, beispielsweise einem Siliziumoxid, einem Aluminiumoxid oder dergleichen, oder auch aus einem Polymer, z.B. aus einem Polyimid oder einem fluoriertem Polymer wie Teflon. Besonders geeignet sind isolierende Schichten, wie sie in der Halbleitertechnik verwendet werden. Die Linsenvorrichtung kann, wie bereits vorstehend bei der Elektrodenanordnung und den Leiterbahnen erwähnt, bevorzugt mit so ge-
nannten Batch-Verfahren der Halbleitertechnik hergestellt werden, die eine kostengünstige parallele Herstellung vieler gleichartiger Bauelemente in großer Stückzahl ermöglichen.
Die Elektrodenanordnung ist bevorzugt auf der zweiten elektrisch isolierenden Schicht angeordnet. Zwischen dem Elektro- denarray und der Linse kann eine dritte elektrisch isolierende Schicht angeordnet sein, so dass eine kapazitive Ankopp- lung der Linsen an die Elektroden erfolgen kann. Die dritte elektrisch isolierende Schicht ist zweckmäßigerweise als transparente Schicht ausgestaltet. Im Bereich der Elektroden, auf denen die Linsen platziert sind, kann die dritte elektrisch isolierende Schicht hydrophil ausgebildet sein, und im Bereich zwischen den Linsen weniger hydrophil oder sogar hydrophob. Dies erleichtert das definierte, zielgenaue Aufbringen der einzelnen Tropfenlinsen auf den Elektroden. Dazu kann die dritte Schicht beispielsweise mit einer hydrophoben Schicht, insbesondere einer Polymerschicht wie Teflon beschichtet oder aus einer solchen gebildet sein. Dieses Material kann bezüglich seiner hydrophoben Eigenschaften vorteilhaft sein, die etwa mittels einer in der Halbleitertechnik üblichen Plasmabehandlung ihrer Oberfläche in ihren hydrophoben Eigenschaften modifiziert werden kann. Auch hier können übliche Halbleitertechniken der Beschichtung, Strukturierung und/oder Oberflächenmodifikation eingesetzt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Linsenvorrichtung kann das Gehäuse im Zwischenraum zwischen den Linsen ein Trennmedium aus Gas oder eine Trennflüssigkeit aufweisen. Die Linsenflüssigkeit und das Trennmedium sind vorzugsweise nicht mischbar, und das Trennmedium vorzugsweise transparent im verwendeten Wellenlängenbereich. Zweckmäßigerweise weisen die Linsenflüssigkeit und das Trennmedium einen verschiedenen optischen Brechungsindex auf.
Bei der erfindungsgemäßen Linsenvorrichtung kann vorgesehen sein, dass die einzelnen Linsen gleichartig verformbar sind. Weiterhin können auch bereichsweise Gruppen von einzelnen Linsen unterschiedlich verformbar sein, was sich lokal auf die jeweilige Abbildungseigenschaft auswirkt. Damit können beispielsweise Kurvenlichter, Seitenlichter oder adaptive Frontlichtsysteme ausgebildet werden.
Es kann auch eine andere Elektrodengeometrie vorgesehen sein, um je nach Erzeugung der gewünschten Lichtabstrahlung eine asymmetrische Verformung der jeweiligen Linsen zu erzeugen. Die Linse kann auch direkt über ein Trägersubstrat mit Spannung beaufschlagt werden. Als Trägersubstrat kann ein transparenter Halbleiter, beispielsweise Indium-Zinnoxid, vorgesehen sein.
Insbesondere können alle Materialien für die erfindungsgemäße Linsenvorrichtung für bestimmte Wellenlängen transparent ausgestaltet sein.
Es können damit beispielsweise Beleuchtungseinrichtungen im Generellen, beispielsweise für Projektionsgeräte und insbesondere für Scheinwerfer, bevorzugt für Fahrzeuge, realisiert werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination, die der Fachmann zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen wird.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Linsenvorrichtung,
Fig. 2 eine schematisierte Detailansicht einer Linse,
Fig. 3 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Linsenvorrichtung,
Fig. 4 a,b,c verschiedene schematische Darstellungen von mit elektrischem Potenzial beaufschlagten Linsen mit U=0V (a) , U1≠U2 (b) und U1=U2>0V,
Fig. 5 a-f verschiedene schematische Darstellungen des jeweiligen Strahlengangs mit verschiedenen schematisch angedeuteten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Linsenvorrichtung bei einem Scheinwerfer eines Kraftfahrzeugs, und
Fig. 6 schematisch eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Scheinwerfers.
In den Figuren sind im Wesentlichen gleich bleibende Elemente mit gleichen Bezugszeichen beziffert.
In Figur 1 ist eine Linsenvorrichtung mit einer Vielzahl von gleichartigen, auf einer Elektrodenanordnung 15 angeordneten Linsen 10 dargestellt, von denen der Übersichtlichkeit wegen nur einige mit Bezugszeichen beziffert sind. Die Linsen 10 umfassen ein über ein elektrisches Feld ansteuerbares Medium zum Verändern ihrer Abbildungseigenschaften. Jeder Linse 10
ist ein Elektrodenpaar 20 mit Elektroden 20a, 20b der Elektrodenanordnung 15 zugeordnet. Zwischen den beiden Elektroden 20a, 20b in jedem Elektrodenpaar 20 ist jeweils eine separate Masseelektrode 19 angeordnet. Der Übersichtlichkeit wegen ist nur ein Elektrodenpaar 20 mit Elektroden 20a, 20b sowie nur eine der Masseelektroden 19 bezeichnet. Die Linsenvorrichtung ist in einem Gehäuse 25 zwischen einer oberen Abdeckung 26 und einer unteren Abdeckung 28 angeordnet. Die jeweiligen Linsen 10 umfassen eine dielektrische Flüssigkeit. Eine An- steuereinheit zum Ansteuern der Elektrodenanordnung 15, eine Spannungsversorgung und dergleichen ist nicht dargestellt; der Fachmann wird eine ihm sinnvoll erscheinende Ansteuerung verwenden.
In einer Detailansicht einer Linse 10 in Figur 2 ist erkennbar, dass die obere Abdeckung 26 auf ihrer den Linsen 10 zugewandten Seite eine erste elektrische isolierende Schicht 27 und die untere Abdeckung 28 auf ihrer den Linsen 10 zugewandten Seite eine zweite elektrisch isolierende Schicht 29 aufweist. Die Elektrodenanordnung 15 ist auf der zweiten elektrisch isolierenden Schicht 29 angeordnet. Der Linse 10 ist ein Paar von Elektroden 20a, 20b der Elektrodenanordnung 15 zugeordnet. Zwischen den Elektroden 20a und 20b befindet sich eine Trennfuge 23, in der eine elektrisch von den Elektroden 20a, 20b getrennte Masseelektrode 19 angeordnet ist, die zur Linse 10 hin ragt und deren Unterseite kontaktiert. Die Masseelektrode 19 setzt sich unterhalb der zweiten elektrisch isolierenden Schicht 29 fort. Die Trennfuge 23 kann als Hohlraum ausgebildet sein oder mit einem Isolator gefüllt sein.
Auf der der Linse 10 zugewandten Seite der Elektroden 20a, 20b ist eine dritte elektrisch isolierende Schicht 31 angeordnet, die die Elektroden 20a, 20b von der Linse 10 trennt. Diese elektrisch isolierende Schicht 31 ist im Bereich um die
Linsen 10 bevorzugt hydrophob ausgebildet. Die hydrophilen oder hydrophoben Eigenschaften der Schicht 31 können auch auf einem auf die dritte elektrisch isolierende Schicht 31 aufgebrachten Dünnfilm (in den Figuren nicht ersichtlich) ausgeprägt sein, der etwa aus einem Polymer mit entsprechend modifizierten Eigenschaften bestehen kann.
Das Gehäuse 25 weist um die- Linse 10 und im Zwischenraum zwischen 'den Linsen 10 (vgl. Figur 1) ein Trennmedium 30 aus Gas oder eine Trennflüssigkeit auf. Dieses Trennmedium 30 ist mit der die Linse 10 bildende Flüssigkeit nicht mischbar.
Figur 3 zeigt in einer Draufsicht eine bevorzugte Anordnung eines Elektrodenarrays mit Paaren bildenden Elektroden 20a, 20b und 20c, 20d auf der Elektrodenanordnung 15. Der Übersichtlichkeit wegen sind bei mehreren gleichartigen Elementen jeweils nur einige mit Bezugszeichen beziffert. Die Elektroden 20a, 20b, 20c, 20d sind jeweils halbkreisförmig ausgebildet. Ein Paar von Elektroden 20a, 20b bildet jeweils ungefähr einen Kreis. Zwischen den Elektroden 20a, 20b bzw. 20c, 20d befindet sich jeweils eine Trennfuge 23, in der eine Masse- elektrode 19 angeordnet ist. Die Masseelektroden 19 sind miteinander verbunden und elektrisch mit einem extern kontak- tierbaren Massekontakt 18 verbunden.
Zwei auf der unteren Abdeckung 28 bzw. deren nicht dargestellten isolierenden Schicht 29 zueinander parallel verlaufende Leiterbahnen 32, 33 bilden mit in einer Ebene verlaufenden, senkrecht abstehenden Leiterbahnzweigen 34, 35 eine zweidimensionale interdigitale Anordnung, bei der die Leiterbahnzweige 34, 35 der sich gegenüberliegenden Leiterbahnen 32, 33 ineinander greifen. Es sind jeweils zwei Paare von E- lektroden 20a, 20b und 20c, 20d elektrisch in Serie zueinander geschaltet, und zu den beiden in Serie angeordneten
Elektrodenpaaren sind weitere gleichartige Elektrodenpaare parallel geschaltet. Die Linsen 10 sind auf einer nicht dargestellten Schicht auf den Paaren von Elektroden 20a, 20b bzw. 20b, 20c in einer regelmäßigen, gitterartigen Struktur angeordnet.
Die Paare bildenden Elektroden 20a, 20b bzw. 20c, 20d sind mit den Leiterbahnen 32, 33 verbunden und werden über Anschlussstellen 36, 37 an den Leiterbahnen 32, 33 außerhalb der Abdeckungen 26, 28 mit einem elektrischem Potenzial beaufschlagt. Unter Einwirkung des dadurch entstehenden elektrischen Feldes werden die Linsen 10 verformt. Diese Verformung ist aus den verschiedenen Darstellungen in den Figuren 4a, 4b und 4c ersichtlich, wobei Figur 4a eine neutrale Position einer Linse 10 wiedergibt. Figur 4b zeigt eine asymmetrische Verformung der Linse 10, die mit einer entsprechenden Elektrodengeometrie bzw. Feldverteilung des elektrischen Feldes erreicht werden kann und bei der ein an der einen Elektrode 20a angelegtes Potenzial vom an der anderen Elektrode 20b angelegtes Potenzial verschieden ist. Figur 4c zeigt eine symmetrische Verformung der Linse 10, bei der an beiden E- lektroden 20a, 20b das gleiche Potenzial angelegt ist, das ungleich 0 Volt ist. Es können verschiedenste Elektrodengeometrien eingesetzt werden, wie sie im Stand der Technik, beispielsweise in US 6,538,823 B2, offenbart sind.
Die Form der unter elektrischer Influenzwirkung stehenden Linse 10 in Figur 4c ist gegenüber der in Figur 4a dargestellten Linse 10 flacher und breiter, wie an der Breite der Basislinie 12 der Linse 10 erkennbar ist. Ansonsten sind die Linsen 10 in den Figuren 4a und 4c bezogen auf eine Achse X symmetrisch. Durch diese symmetrische Verformung oder Verzerrung der Linse 10 ändert sich ihre Abbildungseigenschaft.
Bei einem Linsenarray, das eine unsymmetrische, jedoch gleichartige Verformung der jeweiligen Linsen 10 aufweist, wird eine modifizierte, stark zu einer Seite abgelenkte Lichtverteilung erzielt. Diese Lichtverteilung findet beispielsweise bei einem bevorzugten Kurvenlicht in einem Scheinwerfer für ein Kraftfährzeug Anwendung. Die Linsen 10 leuchten in die Kurven hinein.
Figur 5 zeigt in ihren Teilfiguren 5a-5f beispielhaft die Abbildungseigenschaften einer erfindungsgemäßen, eine Vielzahl von Linsen 10 umfassenden Linsenvorrichtung, wobei Figur 5a den Strahlengang einer Linsenvorrichtung in neutraler Position der einzelnen Linsen 10 wiedergibt, Figur 5b den Strahlengang von asymmetrisch verformten Linsen 10 und Figur 5c die Abbildungseigenschaft von symmetrisch verformten Linsen 10. Es sind jeweils nur einzelne der sich wiederholenden gleichartigen Elemente mit Bezugszeichen beziffert. Die einzelnen Linsen 10 sind jeweils gleich verformt. Bei einer unverform- ten Linse 10 gemäß der in der Figur 4a dargestellten, neutralen Position kann sich in Summe eine gleichmäßige Lichtverteilung ergeben, wie aus der Darstellung in Figur 5a ersichtlich ist. Bei einer Verformung der Linse 10 gemäß Figur 4c ändert sich der Brennpunkt der Linse 10 entsprechend und bewirkt eine Fokussierung der austretenden Lichtstrahlen Y. Dies ist aus der Lichtverteilung in Figur 5c ersichtlich. Die Verformung der einzelnen Linsen 10 der Linsenvorrichtung in Figur 5c ist jeweils gleichartig und ergibt in Summe eine Lichtverteilung mit einer Fokusebene, bei der die Brennpunkte der flächig verteilten Linsen 10 in einer Ebene liegen.
Zur Veranschaulichung der Abbildungseigenschaften der erfindungsgemäßen Linsenvorrichtung ist in den Figuren 5d, 5e, 5f schematisch jeweils ein sich auf einer Fahrbahn 50 befindliches Fahrzeug 45 abgebildet. Der Scheinwerfer des Fahrzeugs
45 in Figur 5d zeigt ein Abblendlicht bei neutraler Position entsprechend der in Figur 5a gezeigten Lichtverteilung, wobei der rechte Fahrbahnrand ausgeleuchtet wird. In Figur 5e leuchten die Linsen 10 entsprechend der Verformung der Linsen 10 in Figur 5b in die Kurve hinein. Figur 5f zeigt schematisch eine Fernlichtfunktion eines Scheinwerfers mit fokus- sierenden Abbildungseigenschaften entsprechend der Verformung der Linsen in Figur 5c.
Figur 6 zeigt schematisch die Darstellung eines erfindungsgemäßen Scheinwerfers mit einer Beleuchtungsquelle 11, einem üblichen Reflektor 13, einer Streulinse 14 als weiteres optisches Element und einer erfindungsgemäßen Linsenvorrichtung 16. Das Ausleuchtfeld ist der Klarheit wegen mit einer gestrichelten Linie umgeben. Die von der Beleuchtungsquelle 11 nach hinten abgestrahlten Lichtstrahlen Yl werden über den Reflektor 13 nach vorne in Richtung zu der Streulinse 14 reflektiert und vereinen sich dort mit den nach vorne abgestrahlten Lichtstrahlen Y2. Der aus der Streulinse 14 austretende divergente Lichtstrahl Y3 tritt von dort aus in die bezogen auf die Lichtabstrahlrichtung Z davor liegende Linsenvorrichtung 16 ein. Wie beschrieben, werden die von der Linsenvorrichtung 16 umfassten Linsen 10 je nach Elektrodengeometrie und Beaufschlagung mit elektrischem Potenzial U verformt, um eine gewünschte Lichtverteilung zu erreichen.