WO2009068285A1 - Optische anordnung - Google Patents

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WO2009068285A1
WO2009068285A1 PCT/EP2008/010081 EP2008010081W WO2009068285A1 WO 2009068285 A1 WO2009068285 A1 WO 2009068285A1 EP 2008010081 W EP2008010081 W EP 2008010081W WO 2009068285 A1 WO2009068285 A1 WO 2009068285A1
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optical arrangement
incidence
angle
nutzflanken
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Ralf Mayer
Frank Schliep
Oliver Kirsch
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Johnson Controls Gmbh
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    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
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    • 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
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    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0149—Head-up displays characterised by mechanical features
    • G02B2027/015—Head-up displays characterised by mechanical features involving arrangement aiming to get less bulky devices

Definitions

  • the invention relates to an optical arrangement, in particular for use as a beam converter.
  • EP 1 147 437 B1 discloses a step-shaped diffusion plate in which an element of light-transmissive material has a surface configured to form a step-like or ribbed refractive and / or light-reflecting element, wherein the step-shaped or ribbed surface is covered with a second material having a refractive index substantially different from that of the former translucent material, the second material providing a smooth, generally planar surface of the resulting device.
  • optical arrangements in motor vehicles, in particular in display instruments of motor vehicles, it is necessary that they have to meet a variety of partially conflicting requirements. For example, it is required that such optical assemblies withstand the large mechanical and / or chemical stresses during operation of a motor vehicle over the life of the vehicle, typically at least ten years. Furthermore, however, it is increasingly necessary that display instruments in motor vehicles - despite an increased range of functions - are designed particularly space-compact. This requirement is offset by the typically comparatively large space requirement that exists when certain optics with reflective surfaces are used in the beam path of such display instruments.
  • the present invention has for its object to propose an optical arrangement that allows a particularly space-flexible and flexible arrangement of various optical components and yet has a very high optical quality.
  • the object is achieved with an optical arrangement, in particular for use in a display instrument of a motor vehicle (for example, to realize as homogeneous as possible illumination or backlighting, for example a transmissive or reflective display, such as an LCD or LCOS display), wherein the optical arrangement has a reflection structure to deflect an incident direction of a first incident beam through a reflection angle in a reflection direction of a second beam, wherein the reflection structure is provided with a plurality of Nutzflanken and Dehnflanken such that the Nutzflanken are perpendicular to the bisector of incident and reflection direction and that the Dehnflanken are arranged substantially parallel to the direction of incidence.
  • the main extension plane of the reflection structure it is advantageously possible according to the invention for the main extension plane of the reflection structure to be able to be selected essentially independently of the direction of incidence as well as the direction of reflection or independently of the direction of incidence and of the reflection angle.
  • the main extension plane of the reflection structure need not be oriented at an angle of 45 ° both to the direction of incidence and to the reflection direction (as would be the case with a plane reflection structure), but rather to the main extension plane the reflection structure, for example, at an angle of 22.5 ° to the direction of incidence or to the reflection direction (and correspondingly at an angle of 67.5 ° to the reflection direction or incident direction) may be provided. This results in a significantly increased variability in the design of the beam path of the optical arrangement.
  • the payload flanks and the expansion flanks are formed as microstructures, in particular with an extent in the plane spanned by the direction of incidence and the reflection direction from 1 micrometer to 1000 micrometers, preferably from 10 micrometers to 100 micrometers.
  • the surface of the reflection structure has a reflection coefficient at least in the region of the useful flanks, which varies along the extent of the optical arrangement in the plane spanned by the direction of incidence and the reflection direction.
  • the longer optical beam path for light, which is reflected at the far end of the reflection structure be compensated by the fact that the reflection coefficient in the region of the payload flanks in this (removed) region of the reflection structure is at least as homogeneous as possible for the second beam is formed higher than in a nearer region of the reflection structure.
  • the optical arrangement is rounded off at the transition between the payload flanks and the stretched edges. In this way, a more homogeneous distribution of the intensity of the second beam can also be ensured.
  • an interaction of the optical arrangement is provided with a lens, wherein the lens is provided for scattering the second beam.
  • Another object of the present invention is a display instrument for a motor vehicle with an optical arrangement according to the invention.
  • the structure of such a display instrument can thus be particularly space-compact, weight-optimized and cost-effective.
  • Figure 1 shows an optical arrangement according to the invention, in a schematic representation, in a section in a vertical plane;
  • Figure 2 shows the enlarged detail D of the arrangement of Figure 1, in partial view.
  • the optical arrangement 1 according to the invention shown schematically in FIG. 1 comprises a base plate 2 and a reflection structure 3 with a plurality of steps 4 provided in particular in the form of a staircase.
  • first beam B1 collimated first beam B1
  • second beam B2 for example rectangular, second cross-section converted.
  • the second beam B2 is aligned substantially parallel to a reflection direction. Between the reflection direction and the direction of incidence, the reflection angle ⁇ is provided.
  • the dimensions of the first cross section are, for example, 20 mm ⁇ 20 mm (length ⁇ width), while the dimensions of the second cross section are, for example, 40 mm ⁇ 20 mm.
  • the base plate 2 is inclined at an angle ⁇ of 22.5 ° to the optical axis A (ie, the direction of incidence).
  • the geometric plate plane main extension direction of the reflection structure 3 defined by the base plate 2 and the optical axis subtend an acute angle of 22.5 ° therebetween.
  • an expansion flank 41 is arranged, the design and arrangement of which permits an inclination of the base plate 2 below the respectively desired angle of attack against the optical axis A.
  • the widths of the stretching flanks 41 can be dimensioned to be different in order to realize different angles of attack. As can be seen from FIG.
  • each beam of the in particular collimated first beam B1 undergoes a deflection with a deflection angle ⁇ due to the reflection at one of the useful flanks 40 example shown is 90 °, but may also vary therefrom, for example, may be smaller or larger.
  • FIG. 2 shows a partial illustration of the enlarged detail D of FIG. 1.
  • a step 4 has a useful flank 40 and an expanding flank 41.
  • the useful flank 40 assumes an inclination angle of 45 ° with respect to the horizontal plane perpendicular to the plane of the drawing in the example shown, while the expander flank 41 assumes an inclination angle of 0 ° with respect to the horizontal plane.
  • the distance of the light / dark stripes detectable by a detection system for example a human eye or a technical sensor
  • a detection system for example a human eye or a technical sensor
  • the integral between the light stripes and the dark stripes is not "recognizable” because of the limited resolving power of the detection system and due to the periodic structure of the stripe pattern " sees "the detection system a homogeneous illumination.
  • the staircase is designed in the manner of a microstructure (with a step width which is between 10 ⁇ m and 100 ⁇ m).
  • lenses can be used, with the help of the light / dark structure can be influenced in the desired manner.
  • the steps may alternatively or cumulatively have a different form or structure than described above.
  • the corner regions, in which an expanding flank and a useful flank of a step meet can be rounded off.
  • the reflection structure 3 can also be designed in the sense of a prism (for example as a block, light-guide solid material), the rear side of which has a structuring corresponding to the useful flanks and the expansion flanks and whose light exit surface preferably has a diffuser element.
  • the invention has, among other things, the following advantages. There is virtually no loss of intensity in the beam forming, in particular because essentially only a reflection takes place.
  • the value of the deflection angle can be arbitrarily varied between 0 ° and 180 ° in accordance with the angle of attack which can be varied as desired between 0 and 90 ° (below which the base plate (or the main extension direction of the reflection structure 3) is inclined relative to the optical axis A.
  • a optical axis (of the first beam) / direction of incidence a deflection angle ß angle of attack

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Abstract

Es wird eine optische Anordnung, insbesondere zur Verwendung in einem Anzeigeinstrument eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen, wobei die optische Anordnung eine Reflexionsstruktur aufweist, um eine Einfallsrichtung eines ersten einstrahlenden Strahlenbündels um einen Reflexionswinkel in eine Reflexionsrichtung eines zweiten Strahlenbündels umzulenken, wobei die Reflexionsstruktur mit einer Mehrzahl von Nutzflanken und Dehnflanken derart vorgesehen ist, dass die Nutzflanken senkrecht zur Winkelhalbierenden von Einfallsrichtung und Reflexionsrichtung angeordnet sind und dass die Dehnflanken im Wesentlichen parallel zur Einfallsrichtung angeordnet sind.

Description

Optische Anordnung
Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung, insbesondere zur Verwendung als Strahlumformer.
Solche optischen Anordnungen sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Europäischen Patentschrift EP 1 147 437 B1 eine stufenförmige Streuplatte bekannt, bei der ein Element aus lichtdurchlässigem Material eine Oberfläche aufweist, die derart konfiguriert ist, dass sie ein stufenförmiges oder geripptes lichtbrechendes und/oder lichtreflektierendes Element bildet, wobei die stufenförmige oder gerippte Oberfläche mit einem zweiten Material mit einem Brechungsindex bedeckt ist, der sich von demjenigen des erstgenannten lichtdurchlässigen Materials wesentlich unterscheidet, wobei das zweite Material eine glatte, allgemein ebene Oberfläche der resultierenden Vorrichtung liefert.
Zur Verwendung von optischen Anordnungen in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Anzeigeinstrumenten von Kraftfahrzeugen, ist es erforderlich, dass diese eine Vielzahl von teils sich widersprechenden Anforderungen erfüllen müssen. Beispielsweise ist es erforderlich, dass solche optischen Anordnungen der großen mechanischen und/oder chemischen Belastungen beim Betrieb eines Kraftfahrzeugs über die Lebensdauer des Fahrzeugs von typischerweise mindestens zehn Jahren standhalten. Ferner ist es jedoch zunehmend auch erforderlich, dass Anzeigeinstrumente in Kraftfahrzeugen - trotz eines erhöhten Funktionsumfangs - besonders bauraumkompakt ausgestaltet sind. Dieser Anforderung steht der typischerweise vergleichsweise große Bauraumbedarf entgegen, der bei der Verwendung von bestimmten Optiken mit reflektierenden Oberflächen im Strahlengang solcher Anzeigeinstrumente vorliegt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Anordnung vorzuschlagen, die eine besonders bauraumkompakte und flexible Anordnung verschiedener optischer Komponenten ermöglicht und dennoch eine sehr hohe optische Güte aufweist. Die Aufgabe wird mit einer optischen Anordnung, insbesondere zur Verwendung in einem Anzeigeinstrument eines Kraftfahrzeugs (beispielsweise zur Realisierung einer möglichst homogenen Be- oder Hinterleuchtung, beispielsweise eines transmissiven oder reflektiven Displays, wie beispielsweise ein LCD- oder LCOS-Display), gelöst, wobei die optische Anordnung eine Reflexionsstruktur aufweist, um eine Einfallsrichtung eines ersten einstrahlenden Strahlenbündels um einen Reflexionswinkel in eine Reflexionsrichtung eines zweiten Strahlenbündels umzulenken, wobei die Reflexionsstruktur mit einer Mehrzahl von Nutzflanken und Dehnflanken derart vorgesehen ist, dass die Nutzflanken senkrecht zur Winkelhalbierenden von Einfallsrichtung und Reflexionsrichtung angeordnet sind und dass die Dehnflanken im Wesentlichen parallel zur Einfallsrichtung angeordnet sind. Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass die Haupterstreckungsebene der Reflexionsstruktur im wesentlichen unabhängig von der Einfallsrichtung sowie der Reflexionsrichtung bzw. unabhängig von der Einfallsrichtung sowie vom Reflexionswinkel gewählt werden kann. Beispielsweise ist es erfindungsgemäß möglich, dass bei einem Reflexionswinkel von 90° die Haupterstreckungsebene der Reflexionsstruktur nicht in einem Winkel von 45° sowohl zur Einfallsrichtung als auch zur Reflexionsrichtung ausgerichtet sein muss (wie dies bei einer planen Reflexionsstruktur der Fall wäre), sondern dass die Haupterstreckungsebene der Reflexionsstruktur beispielsweise in einem Winkel von 22,5° zur Einfallsrichtung bzw. zur Reflexionsrichtung (und entsprechend in einem Winkel von 67,5° zur Reflexionsrichtung bzw. Einfallsrichtung) vorgesehen sein kann. Hierdurch ergeben sich in vorteilhafter Weise eine wesentlich erhöhte Variabilität bei der Gestaltung des Strahlengangs der optischen Anordnung.
Erfindungsgemäß ist es besonders bevorzugt, dass die Nutzflanken und die Dehnflanken als Mikrostrukturen ausgebildet sind, insbesondere mit einer Erstreckung in der durch die Einfallsrichtung und die Reflexionsrichtung aufgespannten Ebene von 1 Mikrometer bis 1000 Mikrometer, bevorzugt von 10 Mikrometer bis 100 Mikrometer. Hierdurch kann eine besonders gute Homogenität der Intensitätsverteilung des zweiten (abgestrahlten) Strahlenbündels bzw. Lichtbündels erzielt werden. Ferner ist es erfindungsgemäß besonders bevorzugt, dass die Oberfläche der Reflexionsstruktur zumindest im Bereich der Nutzflanken einen Reflexionskoeffizienten aufweist, der entlang der Erstreckung der optischen Anordnung in der durch die Einfallsrichtung und die Reflexionsrichtung aufgespannten Ebene variiert. Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass hinsichtlich einer möglichst homogenen Intensität des zweiten Strahlenbündels der längere optische Strahlengang für Licht, welches am entfernten Endes der Reflexionsstruktur reflektiert wird, dadurch auszugleichen, dass der Reflexionskoeffizient im Bereich der Nutzflanken in diesem (entfernten) Bereich der Reflexionsstruktur höher ausgebildet wird als in einem nähergelegenen Bereich der Reflexionsstruktur.
Ferner ist es erfindungsgemäß auch bevorzugt, dass die optische Anordnung am Übergang zwischen den Nutzflanken den Dehnflanken abgerundet ausgebildet ist. Hierdurch kann ebenfalls eine homogenere Verteilung der Intensität des zweiten Strahlenbündels gewährleistet werden.
Erfindungsgemäß ist es weiterhin bevorzugt, dass ein Zusammenwirken der optischen Anordnung mit einer Streuscheibe vorgesehen ist, wobei die Streuscheibe zur Streuung des zweiten Strahlenbündels vorgesehen ist. Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass keinerlei optische Beeinträchtigung durch die Strukturierung der Oberfläche der Reflexionsstruktur im zweiten Lichtbündel bzw. Strahlenbündel auftritt.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betritt ein Anzeigeinstrument für ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung. Der Aufbau eines solchen Anzeigeinstruments kann damit besonders bauraumkompakt, gewichtsoptimiert und kostengünstig erfolgen.
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen rein beispielhaft aufzufassende Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
Es zeigen: Figur 1 eine erfindungsgemäße optische Anordnung, in schematischer Darstellung, in einem Schnitt in einer senkrechten Ebene; und
Figur 2 das vergrößertes Detail D der Anordnung von Figur 1 , in teilweiser Darstellung.
Die in Figur 1 in schematischer Darstellung gezeigte, erfindungsgemäße optische Anordnung 1 umfasst eine Basisplatte 2 und eine, insbesondere in Form einer Treppe vorgesehene Reflexionsstruktur 3 mit mehreren Stufen 4.
Die einzelnen Strahlen eines in Richtung einer optischen Achse A ausgerichteten, (parallel zu einer Einfallsrichtung A) kollimierten ersten Strahlenbündels B1 von beispielsweise quadratischem, erstem Querschnitt werden an Nutzflanken 40 der Stufen 4 reflektiert und so das erste Strahlenbündel B1 auf ein zweites Strahlenbündel B2 von beispielsweise rechteckigem, zweitem Querschnitt konvertiert. Das zweite Strahlenbündel B2 ist im wesentlichen parallel zu einer Reflexionsrichtung ausgerichtet. Zwischen der Reflexionsrichtung und der Einfallsrichtung ist der Reflexionswinkel α vorgesehen. Die Abmessungen des ersten Querschnitts betragen beispielsweise 20 mm x 20 mm (Länge x Breite), während die Abmessungen des zweiten Querschnitts beispielsweise 40 mm x 20 mm betragen. Die Basisplatte 2 ist unter einem Anstellwinkel ß von 22,5° Grad gegen die optische Achse A (d.h. der Einfallsrichtung) geneigt. Oder anders ausgedrückt, die durch Basisplatte 2 definierte geometrische Plattenebene (Haupterstreckungsrichtung der Reflexionsstruktur 3) und die optische Achse schließen zwischen sich einen spitzen Winkel von 22,5° ein. Zwischen je zwei Nutzflanken 40 ist eine Dehnflanke 41 angeordnet, deren Ausführung und Anordnung eine Neigung der Basisplatte 2 unter dem jeweils gewünschten Anstellwinkel gegen die optische Achse A erlaubt. Dabei können die Breiten der Dehnflanken 41 unterschiedlich groß bemessen werden, um unterschiedliche Anstellwinkel zu realisieren. Wie aus Fig. 1 ersichtlich erfährt jeder Strahl des insbesondere kollimierten ersten Strahlenbündels B1 durch die Reflexion an einer der Nutzflanken 40 eine Umlenkung mit einem Umlenkwinkel α, der im dargestellten Beispiel 90° beträgt, jedoch auch davon abweichen kann, beispielsweise kleiner oder auch größer sein kann.
Fig. 2 zeigt in teilweiser Darstellung das vergrößerte Detail D von Fig. 1. Eine Stufe 4 weist eine Nutzflanke 40 und eine Dehnflanke 41 auf. Die Nutzflanke 40 nimmt gegenüber der senkrecht auf die Zeichenebene stehenden horizontalen Ebene im dargestellten Beispiel einen Neigungswinkel von 45° ein, während die Dehnflanke 41 gegenüber der horizontalen Ebene einen Neigungswinkel von 0° einnimmt.
Mit Verringerung der Stufenbreite lässt sich der Abstand der von einem Detektionssystem (etwa ein menschliches Auge oder ein technischer Sensor) erfassbaren (durch die Strukturierung der Reflexionsstruktur 3 hervorgerufenen) Hell/Dunkel-Streifen verringern. Wenn der Abstand der Hell/Dunkel-Streifen einen gewissen, vom jeweiligen Detektionssystem abhängigen Schwellwert unterschreitet, ist das Integral zwischen den hellen Streifen und den dunklen Streifen wegen des begrenzten Auflösungsvermögen des Detektionssystems von letzterem nicht „erkennbar" und aufgrund der periodischen Struktur des Streifenmusters „sieht" das Detektionssystem eine homogene Ausleuchtung. Es ist somit vorteilhaft, wenn die Treppe in der Art einer Mikrostruktur (mit einer Stufenbreite, die zwischen 10μm und 100 μm beträgt) ausgelegt wird. Ferner können Streuscheiben verwendet werden, mit deren Hilfe die Hell/Dunkel-Struktur in gewünschter Weise beeinflusst werden kann.
Zur Kompensation unterschiedlicher Intensitätsverluste infolge unterschiedlicher durchlaufener Strecken (es gilt bekanntlich das physikalische Gesetz der reziprok quadratischen Abnahme der Intensität mit der durchlaufenen Strecke) sind bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung reflektierende Flächen mit einer Beschichtung von variierendem Reflexionsgrad versehen (Homogenitätsverbesserung). Die Stufen können alternativ oder kumulativ eine andere als die oben beschriebene Form oder Struktur aufweisen. Beispielsweise können die Eckbereiche, in denen eine Dehnflanke und eine Nutzflanke einer Stufe aufeinander treffen, abgerundet sein. Erfindungsgemäß kann die Reflexionsstruktur 3 auch im Sinne eines Prismas (nicht dargestellt), beispielsweise als Block, ausgestaltet (light-Guide-Vollmaterial) sein, dessen Rückseite eine Strukturierung entsprechend der Nutzflanken und Dehnflanken aufweist und dessen Lichtaustrittfläche bevorzugt ein Diffusorelement aufweist.
Die Erfindung weist unter anderem die folgenden Vorteile auf. Es tritt so gut wie kein Intensitätsverlust bei der Strahlumformung auf, insbesondere weil im Wesentlichen lediglich eine Reflexion stattfindet. Der Wert des Umlenkwinkels lässt sich entsprechend dem zwischen 0 und 90° beliebig variierbaren Anstellwinkel (unter dem die Basisplatte (bzw. die Haupterstreckungsrichtung der Reflexionsstruktur 3) gegen die optische Achse A geneigt ist) zwischen 0° und 180° beliebig variieren.
Bezugszeichenliste
1 optische Anordnung
2 Basisplatte
3 Treppe / Reflexionsstruktur
4 Stufe
40 Nutzflanke
41 Dehnflanke
A optische Achse (des ersten Strahlenbündels) / Einfallsrichtung a Umlenkwinkel ß Anstellwinkel
B1 erstes Strahlenbϋndel
B2 zweites Strahlenbündel

Claims

Patentansprüche
1. Optische Anordnung (1 ) , insbesondere zur Verwendung in einem Anzeigeinstrument eines Kraftfahrzeugs, wobei die optische Anordnung (1 ) eine Reflexionsstruktur (3) aufweist, um eine Einfallsrichtung eines ersten einstrahlenden Strahlenbündels (B1 ) um einen Reflexionswinkel (α) in eine Reflexionsrichtung eines zweiten Strahlenbündels (B2) umzulenken, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsstruktur (3) mit einer Mehrzahl von Nutzflanken (40) und Dehnflanken (41 ) derart vorgesehen ist, dass die Nutzflanken (40) senkrecht zur Winkelhalbierenden von Einfallsrichtung und Reflexionsrichtung angeordnet sind und dass die Dehnflanken (41 ) im Wesentlichen parallel zur Einfallsrichtung angeordnet sind.
2. Optische Anordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzflanken (40) und die Dehnflanken (41) als Mikrostrukturen ausgebildet sind, insbesondere mit einer Erstreckung in der durch die Einfallsrichtung und die Reflexionsrichtung aufgespannten Ebene von 1 Mikrometer bis 1000 Mikrometer, bevorzugt von 10 Mikrometer bis 100 Mikrometer.
3. Optische Anordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Reflexionsstruktur (3) zumindest im Bereich der Nutzflanken (40) einen Reflexionskoeffizienten aufweist, der entlang der Erstreckung der optischen Anordnung (1 ) in der durch die Einfallsrichtung und die Reflexionsrichtung aufgespannten Ebene variiert.
4. Optische Anordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (1 ) am Übergang zwischen den Nutzflanken (40) den Dehnflanken (41 ) abgerundet ausgebildet ist.
5. Optische Anordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zusammenwirken der optischen Anordnung mit einer Streuscheibe vorgesehen ist, wobei die Streuscheibe zur Streuung des zweiten Strahlenbündels (B2) vorgesehen ist.
6. Optische Anordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflexionswinkel (α) 90° beträgt.
7. Anzeigeinstrument für ein Kraftfahrzeug mit einer optischen Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
PCT/EP2008/010081 2007-11-27 2008-11-27 Optische anordnung WO2009068285A1 (de)

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