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DE102021112717A1 - Beleuchtungsvorrichtung für Fahrzeuge - Google Patents

Beleuchtungsvorrichtung für Fahrzeuge Download PDF

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DE102021112717A1
DE102021112717A1 DE102021112717.3A DE102021112717A DE102021112717A1 DE 102021112717 A1 DE102021112717 A1 DE 102021112717A1 DE 102021112717 A DE102021112717 A DE 102021112717A DE 102021112717 A1 DE102021112717 A1 DE 102021112717A1
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Lukas Hiller
Daniela Karthaus
Marc Kaup
Martin Mügge
Mathias Niedling
Benjamin WILLEKE
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Hella GmbH and Co KGaA
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung für Fahrzeuge mit einer Lichtquelle (14, 21, 21', 21") zur Abstrahlung von Licht (17) und mit einer Optikeinheit (15, 22, 22', 22") enthaltend eine Matrix mit einer Mehrzahl von Optikelementen (16), wobei die Matrix als eine nanostrukturierte Fläche ausgebildet ist mit einer Mehrzahl von Nanooptikelementen (16), deren Dimension kleiner ist als eine Wellenlänge des Lichtes.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung für Fahrzeuge mit einer Lichtquelle zur Abstrahlung von Licht und mit einer Optikeinheit enthaltend eine Matrix mit einer Mehrzahl von Optikelementen.
  • Aus der WO 2020/233873 A1 ist eine Beleuchtungsvorrichtung für ein Head-up-Display bekannt, das eine Lichtquelle sowie eine Linsenanordnung als Optikeinheit aufweist. Die Lichtquelle besteht aus einer Mehrzahl von matrixartig angeordneten LEDs, die auf einem Kugelsegment angeordnet sind. Jeder LED ist ein Kollimationsoptikelement der Optikeinheit zugeordnet, die das von den jeweiligen LEDs emittierte Licht parallelisiert und in ein virtuelles Zwischenbild abbildet. Mittels weiterer Projektionsoptiken wird das Zwischenbild auf einen Bildschirm gelenkt, der von dem Betrachter wahrgenommen werden kann. Als Kollimationsoptikelemente können auch Metalinsen gesetzt werden.
  • Metalinsen sind beispielsweise aus der WO 2019/046827 A1 bekannt. Dort wird die Herstellung der Metalinsen beschrieben. Die hergestellten Metalinsen sind dafür vorgesehen, unpolarisiert emittiertes Licht einer Lichtquelle in zwei Polarisationsrichtungen aufzuspalten.
  • Aus der WO 2016/140720 A2 sind Metaoberflächen bekannt, die als eine nanostrukturierte Oberfläche mit einer Mehrzahl von Nanoelementen ausgebildet ist, wobei die Dimension der Nanoelemente kleiner ist als die Wellenlänge des Lichtes. Die dort offenbarten Metaoberflächen können als Metalinsen in Digitalkameras eingesetzt werden, in denen ein Rot-Grün-Blau-Filter eingesetzt wird zur Erzeugung eines Farbbildes. Alternativ kann die Mikrolinse auch zur Kollimation von einer Hinterleuchtung für einen Flachbildschirm eingesetzt werden. Eine Integration von Metalinsen in Beleuchtungsvorrichtungen für Fahrzeuge ist nicht vorgesehen.
  • Aus der DE 10 2015 107 644 A1 ist eine Beleuchtungsvorrichtung für Fahrzeuge bekannt, die eine Lichtquelle und eine Optikeinheit enthaltend eine Matrix mit einer Mehrzahl von Optikelementen aufweist. Diese Optikelemente sind als Mikrolinsen im nm-Bereich oder Mikrometerbereich (µm-Bereich) ausgebildet, so dass eine fest umrissene Ausleuchtfläche an oder neben dem Fahrzeug als Rangier- oder Orientierungsfunktion für den Fahrer bereitgestellt werden kann. Wünschenswert ist es, diese Ausleuchtfläche zur Signalisierung von Warnhinweisen oder Logos auszugestalten, um gegebenenfalls anderen Verkehrsteilnehmern Informationen zur Verfügung zu stellen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Beleuchtungsvorrichtung für Fahrzeuge derart weiterzubilden, dass platzsparend eine fest umrissene Ausleuchtfläche mit einem Informationsgehalt (Symbole, Warnhinweise, Logos) geschaffen wird.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix als eine nanostrukturierte Fläche ausgebildet ist mit einer Mehrzahl von Nanooptikelementen, deren Dimension kleiner ist als eine Wellenlänge des Lichtes.
  • Die Erfindung ermöglicht durch eine Mehrzahl von klein dimensionierten Nanooptikelementen, deren Dimension kleiner ist als die Wellenlänge des Lichtes, vorteilhaft die Abbildung von Informationen auf einer Fläche, beispielsweise in einem Umfeld eines Fahrzeugs, wobei die Informationen Symbole, Beschriftungen, Logos und/oder Warnhinweise darstellen können. Vorteilhaft können auch alphanummerische Zeichen in hohem Kontrast dargestellt werden. Vorteilhaft kann der gesamte auf die Matrix (Nanooptikstrukturfläche) auftreffende Lichtstrom genutzt werden zur Abbildung der Information auf der Ausleuchtfläche. Die Beleuchtungsstärken sind so groß, dass beispielsweise Symbole auf der Fahrbahn bei Tageslicht gut erkennbar abgebildet werden können. Da die nanostrukturierte Oberfläche relativ dünn ausgebildet ist, weist die Optikeinheit zum einen ein geringes Gewicht auf und erfordert nur einen kleinen Bauraum.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung werden die Nanooptikelemente mittels eines Lithographie-Verfahrens, insbesondere eines Elektronenstrahllithographie-Verfahrens, hergestellt, wobei die Nanooptikelemente als optische Antennen ausgebildet sind mit einer Verteilung von unterschiedlichen Antennenlängen. Durch die unterschiedliche Antennenlänge werden die auf die Matrix der Nanooptikelemente treffenden Lichtwellen in ihrer Phase verändert, so dass durch Interferenz in einem vorgegebenen Abstand, nämlich auf der Ausleuchtfläche, unterschiedliche Beleuchtungsintensitäten entstehen, die sich zu der vorgegebenen Information (Symbol, alphanummerische Zeichen) zusammensetzen. Die Nanooptikelemente dienen quasi als Dipolantenne, von denen Lichtquellen unterschiedlicher Phase abgestrahlt werden, um auf der Ausleuchtfläche die vorgegebenen Informationen zur Signalisierung bereitzustellen. Es erfolgt keine optische Beugung an den Nanooptikelementen, wie es bei den diffraktiven Optikelementen der Fall ist.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Nanooptikelemente auf einem Substrat in einem regelmäßigen Abstand zueinander angeordnet. Vorteilhaft wird hierdurch die industrielle Herstellung vereinfacht. Durch aufeinander abgestimmte Ausgestaltung der Nanooptikelemente unterschiedlicher Länge kann das vorgegebene Informationszeichen abgebildet werden.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Matrix von Nanooptikelementen und/oder das Substrat, auf dem sich die Nanooptikelemente befinden, im Bereich einer Fahrzeugaußenhaut, insbesondere bündig zu der Fahrzeugaußenhaut, angeordnet. Beispielsweise kann die so gebildete Optikeinheit in einem unteren Bereich der Fahrzeugaußenhaut, beispielsweise Schürze/Stoßstange oder Schweller oder in einem Scheinwerfer oder Heckleuchte, integriert angeordnet sein. Vorteilhaft kann die Beleuchtungsvorrichtung platzsparend in der Karosserie des Fahrzeugs integriert werden.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Lichtquelle als eine Laserdiode oder LED-Lichtquelle ausgebildet, deren abgestrahltes Licht direkt auf die mit Nanooptikelementen versehene Optikeinheit trifft. Da die Laserdiode eine relativ enge elliptische Lichtverteilung aufweist, kann die Lichtquelle relativ nah zu der nanostrukturierten Fläche angeordnet sein, ohne dass zusätzliche Optikelemente zur Lichtführung erforderlich sind.
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 eine perspektivische Darstellung eines Fahrzeugs mit einer Mehrzahl von an der Karosserie befestigten erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung,
    • 2 eine schematische Seitenansicht einer Beleuchtungsvorrichtung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
    • 3 eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Matrix von Nanooptikelementen,
    • 4 eine schematische Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung mit einer LED als Lichtquelle und
    • 5 eine schematische Seitenansicht einer alternativen Beleuchtungsvorrichtung mit zwei Beleuchtungsvorrichtungen zur Erzeugung eines Symbols auf der Fahrbahn.
  • Eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung 1 kann an unterschiedlichen Stellen einer Fahrzeugaußenhaut 2 eines Fahrzeugs 3 befestigt sein. Beispielsweise kann eine Beleuchtungsvorrichtung 1' an einer vorderen Stoßstange 4 des Fahrzeugs 3 angeordnet sein. Beispielsweise kann eine Beleuchtungsvorrichtung 1" in einem Scheinwerfer 5 des Fahrzeugs 3 integriert sein. Beispielsweise kann eine Beleuchtungsvorrichtung 1''' an einem Türschweller 6 des Fahrzeugs 3 angeordnet sein. Beispielsweise kann eine Beleuchtungsvorrichtung 1IV an einer Unterseite eines Seitenspiegels 7 angeordnet sein. Beispielsweise kann eine Beleuchtungseinrichtung 1V an einer Heckschürze 8 angeordnet sein. Beispielsweise kann eine Beleuchtungsvorrichtung 1VI in einer Heckleuchte 9 des Fahrzeugs 3 angeordnet sein. Die Beleuchtungsvorrichtungen, 1, 1', 1'', 1''', 1IV, 1V, 1VI strahlen jeweils Licht 10 in einen fahrzeugnahen Bereich eines Fahrzeugumfeldes 11 ab, so dass eine fest umrissene Ausleuchtfläche auf einer Fahrbahn erzeugt wird, die eine Information, wie beispielsweise ein in den 2 und 4 dargestelltes Logo 12 oder ein in 5 dargestelltes Warnsymbol 13 enthält. Alternativ könne auch alphanummerische Zeichen auf die Fahrbahn bzw. das Fahrzeugumfeld 11 abgebildet werden, damit beispielsweise andere Verkehrsteilnehmer über den Fahrzustand des Fahrzeugs 3 informiert sind.
  • Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung gemäß 2 besteht die vorgenannte Beleuchtungsvorrichtung 1 aus einer Lichtquelle 14 und einer derselben zugeordneten Optikeinheit 15 enthaltend eine Matrix mit einer Mehrzahl von Optikelementen. Wie ein Ausschnitt in 3 zeigt, sind die Optikelemente als Nanooptikelemente 16 ausgebildet, die beispielsweise jeweils stäbchenförmig angeordnet sind und deren Dimension kleiner ist als die Wellenlänge des Lichtes. Insbesondere ist die Dimension der Nanooptikelemente 16, also eine Länge I1, I2 kleiner als 300 nm, insbesondere kleiner als 100 nm. Alternativ kann die Dimension der Nanooptikelemente 16 im Mikrometerbereich (µm-Bereich) liegen.
  • Die Matrix der Nanooptikelemente 16 werden mittels eines Lithographie-Verfahrens, insbesondere eines Elektronstrahllithographie-Verfahrens, hergestellt, wobei die Nanooptikelemente 16 als optische Antennen ausgebildet werden mit einer unterschiedlichen Antennenlänge I1, I2, In. Durch die Ausbildung als optische Antennen wird das auf die Nanooptikelemente 16 auftreffende und von der Lichtquelle 14 emittierte Licht 17 in seiner Phase verändert. Die Nanooptikelemente 16 unterschiedlicher Länge I1, I2, In erzeugen somit Lichtwellen unterschiedlicher Phasenlage, so dass durch Überlagerung der von den Nanooptikelementen 16 abgestrahlten Lichtwellen 10 an einer Ausleuchtfläche 18 auf der Fahrbahn beispielsweise das vorgegebene Logo 12 entsprechend 2 konturenscharf abgebildet wird. Die Nanooptikelemente 16 dienen jeweils als Dipolantenne, die jeweils Lichtwellen bestimmter Phase abstrahlen. Es erfolgt keine optische Beugung an den Nanooptikelementen 16. Durch Wahl der Dimension bzw. Längen I1, I2, In der unterschiedlichen Nanooptikelemente 16 kann durch Überlagerung an bestimmten Bereichen der Ausleuchtfläche 18 helle Lichtflecken 19 und dunkle Lichtflecken 20 erzeugt werden, die zusammen das Logo 12 bilden.
  • Nach einer ersten Variante können die Nanooptikelemente 16 in einem Substrat eingebracht werden. Alternativ kann die Matrix von Nanooptikelementen 16 mit einem zusätzlichen lichtdurchlässigen Film versehen werden, der als Substrat dient. In beiden Varianten bildet die Optikeinheit eine Nanooptikstrukturfläche 22, die vorzugsweise starr ausgebildet sein kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Nanooptikstrukturfläche 22 eben und starr ausgebildet. Nach einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform kann die Nanooptikstrukturfläche 22 auch bogenförmig ausgebildet sein, damit eine Bündigkeit zu der Fahrzeugaußenhaut 2 gegeben ist. In diesem Fall sind die Nanooptikelemente 16 unterschiedlich zu der ebenen Ausgestaltung Nanooptikstrukturfläche 22 ausgelegt. In beiden Varianten ist die Dicke der Matrixfläche bzw. der Optikeinheit relativ klein, und zwar im Millimeterbereich, beispielsweise im Bereich von 1 mm bis 50 mm. Die Nanooptikelemente 16 sind vorzugsweise in einem regelmäßigen Abstand zueinander angeordnet, wobei benachbarte Nanooptikelemente 16 einen gleichen Querabstand zueinander haben. Sie können sich lediglich durch die Länge I1, I2, In derselben unterscheiden. Die Anzahl der unterschiedlichen Längen I1, I2, In der Nanooptikelemente 16 ist kleiner als 100.
  • Wenn die Lichtquelle 14, wie in 2 dargestellt, als eine Laserdiode ausgebildet ist, kann die Beleuchtungsvorrichtung 1 eine geringe Bautiefe aufweisen.
  • Ist eine Lichtquelle 21 als LED-Lichtquelle ausgebildet, befindet sich zwischen der Lichtquelle 21 und der Nanooptikstrukturfläche 22 vorzugsweise ein Kollimationsoptikelement 23 zur Parallelisierung des von der Lichtquelle 21 abgestrahlten Lichtes. Das Kollimationsoptikelement 23 kann beispielsweise als eine Linse oder eine TIR-Optik ausgebildet sein.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gemäß 5 können auch zwei Beleuchtungsvorrichtungen 1 übereinander angeordnet sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind zwei in 4 dargestellte Beleuchtungsvorrichtungen 1 übereinander angeordnet, wobei die beiden Beleuchtungsvorrichtungen 1 durch einen Blendrahmen 24 optisch voneinander getrennt angeordnet sind. Eine Wechselwirkung zwischen den beiden Beleuchtungsvorrichtungen 1 kann somit nicht eintreten. Die obere Beleuchtungsvorrichtung 1 enthält eine Lichtquelle 21', die gelbes Licht abstrahlt. Die untere Beleuchtungsvorrichtung 1 enthält eine Lichtquelle 21", die rotes Licht abstrahlt. Die Nanooptikstrukturfläche 22' der oberen Beleuchtungsvorrichtung ist derart ausgebildet, dass durch dieselben abgestrahltes Licht 10' eine gelbe Ausleuchtfläche 25 des Warnsymbols 13 erzeugt. Die Nanooptikstrukturfläche 22" der unteren Beleuchtungsvorrichtung 1 ist derart ausgebildet, dass von denselben abgestrahltes Licht 10" eine rote Ausleuchtfläche 26 des Warnsymbols 13 enthaltend ein Dreieck und ein Ausrufungszeichen erzeugt.
  • Die vorbenannten Beleuchtungsvorrichtungen 1 sind als ein Transmissionssystem ausgebildet, bei der die Lichtquelle 14, 21 hinter der Optikeinheit 15 bzw. Nanooptikstrukturfläche 22 angeordnet ist.
  • Nach einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform der Erfindung kann die Beleuchtungsvorrichtung auch als ein Reflexionssystem ausgebildet sein, bei dem das Licht nicht durch die Optikeinheit hindurchtritt, sondern auf die Seite der Lichtquelle zurückgeworfen wird. Diese Anordnung ist beispielsweise zur Erzeugung einer Ausleuchtfläche in einem Fahrzeuginnenraum umsetzbar.
  • Bezugszeichenliste
    • 1, 1'... 1VI
    Beleuchtungsvorrichtung
    2
    Fahrzeugaußenhaut
    3
    Fahrzeug
    4
    Stoßstange
    5
    Scheinwerfer
    6
    Türschweller
    7
    Seitenspiegel
    8
    Heckschürze
    9
    Heckleuchte
    10, 10'
    Licht
    11
    Fahrzeugumfeld
    12
    Logo
    13
    Warnsymbol
    14
    Lichtquelle
    15
    Optikeinheit
    16
    Ausleuchtfläche
    17
    Licht
    18
    Ausleuchtfläche
    19
    helle Lichtflecken
    20
    dunkle Lichtflecken
    21, 21', 21''
    Lichtquelle
    22, 22', 22''
    Nanooptikstrukturflächen
    23
    Kollimationsoptikelement
    24
    Blendrahmen
    25
    gelbe Ausleuchtfläche
    26
    rote Ausleuchtfläche
    I1, I2, In
    Antennenlänge
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2020/233873 A1 [0002]
    • WO 2019/046827 A1 [0003]
    • WO 2016/140720 A2 [0004]
    • DE 102015107644 A1 [0005]

Claims (8)

  1. Beleuchtungsvorrichtung für Fahrzeuge mit einer Lichtquelle (14, 21, 21', 21") zur Abstrahlung von Licht (17) und mit einer Optikeinheit (15, 22, 22', 22") enthaltend eine Matrix mit einer Mehrzahl von Optikelementen (16), dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix als eine nanostrukturierte Fläche ausgebildet ist mit einer Mehrzahl von Nanooptikelementen (16), deren Dimension kleiner ist als eine Wellenlänge des Lichtes.
  2. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dimension der Nanooptikelemente (16) kleiner ist als 300 nm, insbesondere kleiner als 100 nm.
  3. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix von Nanooptikelementen (16) mittels eines Lithographie-Verfahrens, insbesondere eines Elektronenstrahllithographie-Verfahrens, hergestellt ist, wobei die Nanooptikelemente (16) als optische Antennen ausgebildet sind mit einer unterschiedlichen Antennenlänge (I1, I2, In), so dass auf die optischen Antennen unterschiedlicher Antennenlänge (I1, I2, In) auftreffende Lichtwellen (17) in ihrer Phase veränderbar sind.
  4. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanooptikelemente (16) auf einem Substrat in einem regelmäßigen Abstand zueinander angeordnet sind.
  5. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix von Nanooptikelementen (16) eine ebene oder bogenförmige Nanooptikstrukturfläche (22, 22', 22'') bilden.
  6. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanooptikstrukturfläche (22, 22', 22'') starr ausgebildet ist.
  7. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanooptikstrukturfläche (22, 22', 22'') eine Austrittsfläche der Optikeinheit (15) bildet, die im Bereich einer Fahrzeugaußenhaut (2) angeordnet ist und derart ausgebildet ist, dass eine Ausleuchtfläche (18) in einem fahrzeugnahen Bereich eines Fahrzeugumfeldes (11) abgebildet wird.
  8. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (14) vorzugsweise als eine Laserlichtquelle ausgebildet ist, dessen abgestrahltes Licht (17) direkt auf die Nanooptikstrukturfläche (22, 22', 22'') trifft.
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