DE102005013950A1

DE102005013950A1 - Anordnung zur Beleuchtung einer Bildebene

Info

Publication number: DE102005013950A1
Application number: DE102005013950A
Authority: DE
Inventors: Arne Dr. Tröllsch; Artur Dr. Degen; Eva-Maria Menzel
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 2005-03-26
Filing date: 2005-03-26
Publication date: 2006-09-28
Also published as: US20060215401A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur homogenen Beleuchtung einer Bildebene, bevorzugt zur Anwendung bei einem Head-Up-Display in einem Kraftfahrzeug, umfassend eine Beleuchtungsoptik (1), bestehend aus einem Array von Strahlern mit einer breiten Abstrahlcharakteristik, wie beispielsweise einer Anordnung von Lumineszenzdioden (LED, OLED), einem Integratorarray (2) sowie einem bildgebenden Element (5), wobei die optische Achse eines Strahlers (A1, A2, A3, A4) der mechanischen Achse eines Integrators des Integratorarrays (2) zugeordnet ist. DOLLAR A Erfindungsgemäß sind zum Zwecke der Erzielung einer Winkelhomogenität der aus dem Integratorarray (2) auf den ausgeleuchteten Bereich (7) des bildgebenden Elementes (5) austretenden Strahlen (6) am Lichtaustritt des Integratorarrays (2) mindestens zwei Mikrolinsenarrays (3, 4, 3a, 4a, 13, 14) vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur homogenen Beleuchtung einer Bildebene, bevorzugt zur Anwendung bei einem Head-Up Display (HUDs) in einem Kraftfahrzeug, umfassend eine Beleuchtungsoptik, bestehend aus einem Array von Strahlern mit einer breiten Abstrahlcharakteristik, wie beispielsweise einer Anordnung von Lumineszenzdioden (LED, OLED), einem Integratorarray sowie einem bildgebenden Element, wobei die optische Achse eines Strahlers der mechanischen Achse eines Integrators des Integratorarrays zugeordnet ist.

Bekannt sind Head-Up Displays, die im zunehmenden Maße als Zubehör bei einzelnen Fahrzeugmodellen angeboten werden. Dabei wird ein virtuelles Bild eines darzustellenden Objektes erzeugt, welches beispielsweise in die Windschutzscheibe des Fahrzeuges eingespiegelt wird. Für den Betrachter erscheint das Bild virtuell vor dem Fahrzeug auf der Fahrbahn. Bedingt durch das hierfür notwendige optische Abbildungssystem kann der Betrachter das Bild nur erkennen, wenn sich mindestens eines seiner Augen im beleuchteten Betrachtungsfeld befindet. Bei den bildgebenden Elementen werden vorwiegend sogenannte LCDs (Liquid Cristall Displays) verwendet, die eine sehr helle Lichtquelle benötigen, welche in einem Dynamikbereich von 3000:1 gedimmt werden können. Derartige Beleuchtungsquellen sind die immer mehr zum Einsatz kommenden Hochleistungs-Lumineszenzdioden (LEDs).

Um in jeder Position des Betrachtungsfeldes ein gleichmäßig ausgeleuchtetes Bild zu sehen ist, muss das Licht der LEDs so „geformt" werden, dass es sowohl die Fläche des bildgebenden Elementes als auch einen definierten Winkelbereich homogen ausleuchtet.

Bekannte Anordnungen bestehen aus einem Array von Hohlintegratoren. Diese haben jedoch den Nachteil, dass weder der Winkelbereich noch die Fläche des bildgebenden Elementes vollständig homogen ausgeleuchtet werden.

Erschwerend kommt hinzu, dass Hohlintegratoren aufgrund der inneren verspiegelten Flächen nicht besonders effizient sind. Des weiteren ist es technologisch sehr schwierig, Hohlintegratoren mit Längen über 10 mm von innen zu beschichten. Die Forderung nach einer flächen- und winkelhomogenen Beleuchtung führt aber zwangsläufig zu längeren Integratoren.

Eine derartige Beleuchtungsanordnung zur Bildprojektion, bestehend aus einem Beleuchtungsquellenarray sowie einem Array aus trichterförmigen Hohlintegratoren wird beispielsweise in US 6318863 beschrieben. Die Trichterform der Hohlintegratoren hat dabei den Vorteil, dass die von der Beleuchtungsquelle ausgehende Lichtstrahlung homogenisiert auf eine größere Fläche bei Verkleinerung der numerischen Apertur verteilt wird.

Dies ist gerade bei der Verwendung von Lichtquellen mit relativ großen Abstrahlungswinkeln von Bedeutung um aufwendige und sperrige Sammeloptiken zu vermeiden.

Bei Systemen, bei denen die Lichtaustrittswinkel in x- und y-Richtung unterschiedlich sind und von denen eine hohe Effizienz verlangt wird, ist es sehr kompliziert, eine homogene und scharf abgegrenzte Winkelverteilung zu erreichen.

Die Anwendung sogenannter Integratorarrays hat den Nachteil, dass das Erzielen einer hohen Positioniergenauigkeit der einzelnen Integratoren einen hohen fertigungstechnischen Aufwand erfordert, so dass derartige Bauelemente sehr kostenintensiv sind.

Ausgehend von den beschriebenen Nachteilen des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur homogenen Beleuchtung einer Bildebene dahingehend weiterzubilden, dass durch Reduzierung des anordnungstechnischen Aufwandes in Verbindung mit einer Kostensenkung der gesamten Beleuchtungseinheit eine Verbesserung der Abgrenzung der Winkelverteilung am Lichtaustritt sowie eine Verbesserung der homogenen Ausleuchtung der Bildebene möglich wird.

Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zum Zwecke der Erzielung einer Winkelhomogenität der aus dem Integratorarray auf den ausgeleuchteten Bereich des bildgebenden Elementes austretenden Strahlen am Lichtaustritt des Integratorarrays mindestens zwei Mikrolinsenarrays vorgesehen sind, wobei die aus dem Integratorarray austretenden Strahlen auf die Mikrolinsen des ersten Mikrolinsenarrays treffen.

Das von der Beleuchtungsoptik, das heißt von den LED-Lichtquellen, ausgehende Licht wird zunächst von den zugeordneten Integratoren des Integratorarrays eingesammelt. Bedingt durch die Vielfachreflexionen in den Integratoren werden die Lichtanteile beim Durchgang durch die Integratoren homogenisiert, wobei nur die Lichtaustrittsflächen homogen ausgeleuchtet sind. Durch die nachfolgende Anordnung der Mikrolinsenarrays werden die Bereiche der Abstrahlwinkel so homogenisiert, dass das Licht auf dem bildgebenden Element einen scharf abgegrenzten Bereich gleichmäßig ausleuchtet, das heißt, dass die Winkelverteilung des Lichtes nach dem Mikrolinsenarray in der Apertur der Mikrolinsen homogen ist.

Dabei ist es von Vorteil, wenn zwei hintereinander angeordnete Mikrolinsenarrays durch gleichartig gestaltete, parallel sowie spiegelverkehrt zueinander liegende regelmäßige Anordnungen von Mikrolinsen charakterisiert sind, wobei die Mikrolinsen, deren optische Achsen parallel zur optischen Achse der Beleuchtungsoptik liegen, erhabene Funktionsflächen aufweisen.

Eine weitere denkbare Ausgestaltungsvariante der Mikrolinsenarrays besteht darin, wenn diese aus zwei gleichartig gestalteten, hintereinander angeordneten Anordnungen von Mikrolinsen bestehen und die Mikrolinsen, deren optische Achsen parallel zur optischen Achse der Beleuchtungsoptik liegen, erhabene Funktionsflächen aufweisen, die in die gleiche Richtung orientiert sind.

Zum Zwecke einer effizienten Feldhomogenisierung des aus den Integratoren austretenden Lichtes sollte der Abstand zwischen den hintereinander angeordneten Mikrolindenarrays sinnvollerweise nur ≤ 10 mm betragen.

Die paraxiale Brennweite des ersten Mikrolinsenarrays sollte dabei in der Nähe der Ausgangsfläche des zweiten Mikrolinsenarrays liegen. Da diese Brennweite selten größer als 10 mm ist sollte der Abstand zwischen den hintereinander angeordneten Mikrolindenarrays sinnvollerweise nur ≤ 10 mm betragen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Anordnung besteht darin, beide Mikrolinsenarrays aus einem Bauelement (doppeltes Mikrolinsenarray) zu fertigen. Dadurch wird die Anzahl der Einzelelemente und somit auch der Montageaufwand reduziert.

Zum Erreichen einer hohen Effizienz bezüglich der homogenen Ausleuchtung des bildgebenden Elementes ist es sinnvoll, wenn die Krümmungsradien der Mikrolinsen nur ≤ 20 voneinander abweichen.

Eine weitere Gestaltungsform besteht darin, die Mikrolinsen zylindrisch sowie rechteckförmig auszubilden, wobei die Mikrolinsen des ersten Arrays zu den Mikrolinsen des zweiten Arrays um 90 Grad versetzt zueinander (gekreuzt) orientiert angeordnet sind. Dadurch kommt es zur Homogenisierung des Lichtes in x- und y-Richtung. Der wesentliche Vorteil dieser Variante besteht darin, dass der fertigungstechnische Aufwand, bedingt durch nicht so enge Toleranzen in der Justierung beziehungsweise in der Zentrierung der Mikrolinsenarrays zueinander, geringer ist.

Darüber hinaus kann es zweckmäßig sein, die Arrays so zu gestalten, dass die Mikrolinsen benachbarter Mikrolinsenreihen um die Hälfte ihrer Länge verschoben angeordnet sind. Dadurch kommt es, insbesondere bei relativ großen Linsen, zu verbesserten Feldhomogenitäten.

Das Integratorarray besteht aus gleichartig gestalteten Voll- oder Hohlintegratoren, die unmittelbar nebeneinander angeordnet sind und aus Kunststoff oder Glas hergestellt wurden, wobei die Verwendung von Vollintegratoren günstiger ist, da sich diese einfacher herstellen lassen. Nachteilig ist, dass die Baulängen von Vollintegratoren etwa 1,5 mal größer sein müssen, als die Baulängen von Hohlintegratoren.

Vorteilhafterweise sind die Integratoren trichterförmig ausgebildet, wobei jede Lichteintrittsfläche kleiner als die Lichtaustrittsfläche ist. Dabei besteht zweckmäßigerweise jeder trichterförmig ausgebildete Integrator aus mindestens zwei Stufensegmenten, wobei die Lichtaustrittsfläche eines ersten Stufensegmentes an die Lichteintrittsfläche eines zweiten Stufensegmentes angepasst ist und die Winkel zwischen den reflektierenden Strahlführungsflächen und den Zentrierachsen der Integratoren benachbarter Stufensegmente ungleich sind.

Die mehrstufige Gestaltung der Integratoren führt dazu, dass nahezu das gesamte, von der Beleuchtungsoptik ausgehende, Licht bei Veränderung der Strahlwinkel zu den Lichtaustrittsflächen transportiert wird. Durch die Dimensionierung der Segmente, die von der Lichteintrittsfläche zur Lichtaustrittsfläche hin immer kleiner werden kann man die jeweiligen Lichteintritts- und Lichtaustrittswinkel so anpassen, dass am Ende eines mehrstufigen Integrators ein den Anforderungen gerechtes homogenes Strahlenbündel, sowohl bezüglich des Strahlenfeldes als auch bezüglich der Abstrahlwinkel, entsteht.

Vorteilhafterweise sind die Querschnittsflächen der einzelnen Segmente der Integratoren rechteckförmig, da diese Formen bewirken, dass ein exakt homogen ausgebildetes Feld sowie eine scharf abgegrenzte elliptische Winkelverteilung entsteht. Dabei gelangt bis zu 80 Prozent des in einen Integrator einfallenden Lichtes in den erforderlichen Winkelbereich (Akzeptanzwinkel), so dass außerhalb dieses Akzeptanzwinkels ein sehr starker Lichtabfall vorhanden ist.

Denkbar ist auch, dass man durch verschiedenartige Querschnittsformen zwischen den Lichteintritts- und den Lichtaustrittsflächen der Segmente der Integratoren unterschiedliche Effizienzen der Lichtübertragung erhält, um damit die Intensitätsverteilung im Feld und im Abstrahlwinkelbereich entsprechend den Anforderungen an die Beleuchtungsanordnung anzupassen.

Ferner sind auch solche Arrays denkbar, bei denen die inneren Segmente eines Integrators unterschiedliche Lichteintritts- und Lichtaustrittsflächen (Querschnitt) aufweisen, so dass die Seitenflächen eines Integrators unregelmäßig ausgebildet sind.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Beleuchtungsoptik in einem Array, einem nachfolgendem Integratorarray und den mindestens aus zwei Arrays bestehenden Linsenanordnungen werden Sammeloptiken zur Homogenisierung und Intensitätsprofilierung nicht benötigt, so dass die Anordnung gegenüber den Lösungen des Standes der Technik preiswerter und auch kompakter ist. Die Anpassung der Beleuchtungswinkel an die Akzeptanzwinkel des nachfolgenden Systems führt darüber hinaus zur Steigerung der Effizienz des Systems und durch Reduzierung der Falschlichtanteile zur Erhöhung des Kontrastes.

Eine vorteilhafte Ausgestaltungsvariante der Anordnung unter Verwendung von Vollintegratoren aus Kunststoff besteht darin, dass das Integratorarray aus mindestens zwei im Spritzgussverfahren gefertigten Arrayabschnitten besteht, wobei jeder Arrayabschnitt eine Grundplatte aufweist, auf welcher die Integratoren mehrreihig derart angeformt sind, dass diese über ihre Lichtaustrittsflächenecken miteinander in Verbindung stehen, während zwischen den Integratoren eines Arrayabschnittes Öffnungen zur Aufnahme der Integratoren des zweiten Arrayabschnittes vorgesehen sind.

Beide Arrayabschnitte werden in einem Spritzgussverfahren hergestellt. Anschließend entsteht durch Einfügen des einen Arrayabschnitts in den anderen Arrayabschnitt ein geschlossenes Integratorarray, bei welchem die einzelnen Integratoren mit ihrer Wandung unmittelbar aneinander liegen.

Die zweiteilige Gestaltung des aus Vollintegratoren bestehenden Arrays ist eine sehr kostengünstige Variante, zumal ein monolithischer Aufbau eines Arrays, bei dem die Integratoren unmittelbar aneinander liegen, fertigungstechnisch nur sehr aufwendig herstellbar wäre. Im Spritzgussverfahren ließe sich dies nicht realisieren, da ein Spritzgusswerkzeug eine minimale Wandstärke (Abstand zwischen den zu formenden Integratoren) haben muss, die bei etwa 0,8 mm liegt.

Die erfindungsgemäße Anordnung wird nachfolgend beispielhaft anhand der Figuren noch näher erläutert. Von den Figuren zeigen:

1: die schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung mit zwei Mikrolinsenarrays;
2: die schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung mit einem doppelten Mikrolinsenarray;
3: die Darstellung des Abstrahlungswinkels an der Lichtaustrittsfläche aus einem Integrator;
4: die Darstellung des Akzeptanzwinkels am Lichtaustritt aus dem Mikrolinsenarray;
5: eine Ausführungsform eines Mikrolinsenarrays mit gleichmäßig angeordneten Linsen;
6: eine Ausführungsform eines Mikrolinsenarrays mit versetzt angeordneten Linsen;
7: eine Ausführungsform mit zwei gekreuzten Mikrolinsenarrays;
8: eine Ausführungsform eines einzelnen Integrators;
9: die schematische Darstellung eines ersten Arrayabschnittes aus Vollintegratoren;
10: die schematische Darstellung eines zweiten Arrayabschnittes aus Vollintegratoren;
11: die Positionierung der Arrayabschnitte nach den 7 und 8 vor dessen Montage und
12: eine Montageposition des zweiteiligen Vollintegratorarrays.
1 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Anordnung mit einer aus einem LED-Array bestehenden Beleuchtungsoptik 1, einem Integratorarray 2, zwei Mikrolinsenarrays 3 und 4 sowie einem bildgebenden Element 5.
Das von den einzelnen LEDs der Beleuchtungsoptik 1 ausgehende Licht gelangt zunächst zu den zugeordneten Integratoren des Integratorarrays 2. Durch die Vielfachreflexionen in den Integratoren werden die Lichtanteile beim Durchgang durch das Integratorarray 2 homogenisiert, wobei die Lichtaustrittsflächen homogen ausgeleuchtet sind. Bedingt durch die nachfolgende Anordnung der Mikrolinsenarrays 3 und 4, die aus zwei gleichartig gestalteten, parallel sowie spiegelverkehrt zueinander liegenden regelmäßigen Anordnungen gleichartiger Linsen mit erhabenen Flächen bestehen, deren optische Achsen A1, A2, A3 und A4 parallel zur optischen Achse AB der Beleuchtungsoptik 1 liegen, werden die Bereiche der Abstrahlwinkel α1 so homogenisiert, dass das Licht 6 auf dem bildgebenden Element 5 einen scharf abgegrenzten Bereich 7 gleichmäßig ausleuchtet.
In Abänderung zu 1 wird in 2 eine Beleuchtungsanordnung dargestellt, bei der an Stelle von den zwei hintereinander angeordneten Mikrolinsenarrays 3 und 4 nur ein Bauelement 8 mit einem doppelten Mikrolinsenarray 3a und 4a vorgesehen ist. Die Anordnung der Mikrolinsen zueinander wurde in Analogie zu der in 1 dargestellten Variante vorgenommen. Der Vorteil dieser Variante besteht darin, dass gegenüber der Variante nach 1 die Anzahl der Einzelelemente und somit auch der Montageaufwand reduziert wird.
Die 3 und 4 zeigen den Abstrahlungswinkel α1 zwischen den Lichtstrom 6 an der Lichtaustrittsfläche eines Integrators und der optischen Achse A1 des Integrators (3) und den Akzeptanzwinkel α2 (4) am Lichtaustritt aus dem Mikrolinsenarray 4 zwischen dem Lichtstrom 6 und der optischen Achse A1 einer Linse des Mikrolinsenarrays, wobei α1 = α2ist.
5 zeigt die detaillierte Ausführungsform eines doppelten Mikrolinsenarrays 3a und 4a nach 2. Dieses besteht aus zwei gleichartig gestalteten, parallel sowie spiegelverkehrt zueinander liegenden regelmäßigen Anordnungen gleichartiger Linsen 9 und 10 mit erhabenen Flächen 11 und 12, deren Radien sich nicht mehr als 20% voneinander unterscheiden. Dabei liegen die Brennpunkte f11 der erhabenen Flächen 11 nahezu auf der gegenüberliegenden Oberfläche 12.
Durch die Gestaltung der Flächen 11 und 12, das heißt durch die Abstände d zwischen diesen Flächen 11 und 12 kann man auf zwei, zur Homogenisierung erforderliche, hintereinander im Abstand der Brennpunkte f angeordnete Mikrolinsenarrays verzichten. Es ist nur ein Bauelement 8 mit dem doppelten Mikrolinsenarray 3a und 4a erforderlich. Die absolute Größe des Abstandes d zwischen den Flächen 10 und 11 der Mikrolinsen 9 und 10 wird dabei durch die Beziehung d = n·fdefiniert, wobei f die Brennweite der Mikrolinse in der Luft und n die Brechzahl des Mediums, aus dem die Mikrolinse hergestellt wurde, ist.
Die Länge L einer Mikrolinse 9 oder 10 wird durch den geforderten maximalen Winkel α des Lichtaustritts aus dem Mikrolinsenarray 3a oder 4a (Akzeptanzwinkel) und der Brennweite f nach folgender Beziehung gegeben: L = 2·f·tan α
Bei Verwendung eines derartigen Mikrolinsenarrays 3a und 4a gelangt das homogene Lichtfeld, welches aus dem dem bildgebenden Element 5 zugewandtem Mikrolinsenarray 4a austritt, unter der definierten Winkelverteilung auf das bildgebende Element 5 (siehe 1), wobei jeder Linse des Mikrolinsenarrays 3a und 4a ein Feldpunkt zugeordnet ist. Sind die Mikrolinsen 9 und 10 sehr klein kann man diese Feldpunkte nicht mehr auflösen, so dass das die ausgeleuchtete Fläche 7 auf dem bilderzeugenden Element 5 beziehungsweise das Betrachtungsfeld homogen ausgeleuchtet wird.
Verwendet man beispielsweise zylinderförmige, rechteckige Linsen sind die Bereiche in x- und y-Richtung der homogenen Ausleuchtung unterschiedlich, wodurch in einer Koordinatenrichtung Streifen entstehen können.
Um diesen Effekt zu vermeiden werden die aneinanderliegenden Mikrolinsenreihen auf den Mikrolinsenarrays um die Hälfte einer Mikrolinse 9, beziehungsweise 10 zueinander versetzt angeordnet. Eine derartige Anordnung mit einem Versatz V wird in 6 dargestellt. Bei rechteckigen Mikrolinsen aus beispielweise BK7 mit den Maßen:

Länge L = 420 μm,

Breite B = 320 μm,

Krümmungsradius R = 0,98 mm

wird bei einer Versetzung V der Linsen nebeneinander angeordneter Reihen von 210 μm eine optimale steifenfreie Ausleuchtung des bildgebenden Elementes 5 erzeugt.
7 zeigt eine Anordnung mit zwei gekreuzten Mikrolinsenarrays 13 und 14, die dann Anwendung finden kann, wenn man ein rechteckiges Betrachtungsfeld (EyeBox) benötigt. Dabei übernimmt jedes der Mikrolinsenarrays 13 und 14 die Winkelhomogenisierung in x- und y-Richtung. Um eine gute Feldhomogenisierung zu erhalten, sollte der Abstand 1 zwischen den Mikrolinsenarrays 13 und 14 ≤ 10 mm sein.
In 8 ist ein einzelner Integrator 15 eines Integratorarrays 2 nach den 1 und 2 dargestellt, welcher aus sechs verschiedenen, zusammengesetzten Segmenten S1, S2, S3, S4, S5 und S6 die rechteckförmige Querschnitte aufweisen, besteht. Die Segmente S1, S2, S3, S4, S5 und S6 sind dabei so geformt, dass die Seitenflächen als ebene Flächen ausgebildet und die Lichteintrittsflächen kleiner als die Lichtaustrittsflächen sind. Jedes Segment S1, S2, S3, S4, S5 und S6 wird durch die Längen H0 (Lichteintritt),H1, H2, H3, H4, H5 und H4, sowie die Halbachsen in x-Richtung ry0, rx1, rx2, rx3, rx4, rx5 und rx6 und die Halbachsen in y-Richtung ry0, ry1, ry2, ry3, ry4, ry5 und ry4 definiert.
Unter den Parametern

wird eine Effizienz der Homogenisierung von ca. 70,5 erreicht.
Die 9, 10, 11 und 12 zeigen die Ausführungsform einer aus zwei Arrayabschnitten 16 und 17 versehenen Anordnung von Vollintegratoren 18 und 19, wobei in 9 der Arrayabschnitt 16 und in 10 der Arrayabschnitt 17 dargestellt ist. Beide im Spritzgussverfahren aus Kunststoff hergestellten Arrayabschnitte 16 und 17 besitzen 9 Vollintegratoren 18 und 19, die auf den Grundplatten 20 und 21 angeformt sind. Die Grundplatte 21 des Arrayabschnittes 16 ist dabei so gestaltet, dass zwischen den Vollintegratoren 18 Öffnungen 22 vorhanden sind. Die Öffnungen 22 dienen zur Aufnahme der Vollintegratoren 19 und sind so geformt und dimensioniert, dass im montierten Zustand der Arrayabschnitte 16 und 17 die Vollintegratoren 19 des Arrayabschnittes 17 die Öffnungen 22 des Arrayabschnittes 16 vollständig ausfüllen.
11 zeigt die Positionierung der Arrayabschnitte 16 und 17 vor deren Montage nach 12 zum vollständigen Integratorarray.
Nach dem vollständigen Einführen der Vollintegratoren 19 in die Öffnungen 22, das heißt, wenn die Grundplatte 20 des Arrayabschnittes 17 an der Grundplatte 21 des Arrayabschnittes 16 anliegt, entsteht auf relativ einfache Art und Weise das Integratorarray, bei dem benachbarte Vollintegratoren 18 und 19 unmittelbar aneinander anliegen.

1: Beleuchtungsoptik (LED)
2: Integratorarray
3,3a,4,4a,13,14: Mikrolinsenarray
5: bildgebendes Element
6: Lichtstrom
7: Bildgeberbereich
8: optisches Element
9,10: Mikrolinse
11,12: Fläche erhaben
15: Integrator
16,17: Einzelelement
18,19: Vollintegrator
20,21: Grundplatte
22: Öffnung
D,l: Abstand
f: Brennpunkt
α: Akzeptanzwinkel
A1–A4,AB: optische Achse
L: Länge Linse
B: Breite Linse
R: Krümmungsradius
V: Versatz
S1–S6: Segment Integrator
H0: Lichteintritt
H1–H6: Länge Integratorsegment
X,Y: Koordinatenrichtung
rx0–rx6: Halbachse x-Richtung
ry0–ry6: Halbachse y-Richtung
α1: Abstrahlungswinkel
α2: Akzeptanzwinkel

Claims

Anordnung zur homogenen Beleuchtung einer Bildebene, bevorzugt zur Anwendung bei einem Head-Up Display in einem Kraftfahrzeug, umfassend eine Beleuchtungsoptik (1), bestehend aus einem Array von Strahlern mit einer breiten Abstrahlcharakteristik, wie beispielsweise einer Anordnung von Lumineszenzdioden (LED, OLED), einem Integratorarray (2) sowie einem bildgebenden Element (5), wobei die optische Achse eines Strahlers (A1, A2, A3, A4) der mechanischen Achse eines Integrators des Integratorarrays (2) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke der Erzielung einer Winkelhomogenität der aus dem Integratorarray (2) auf den ausgeleuchteten Bereich (7) des bildgebenden Elementes (5) austretenden Strahlen (6) am Lichtaustritt des Integratorarrays (2) mindestens zwei Mikrolinsenarrays (3, 4, 3a, 4a, 13, 14) vorgesehen sind.
Anordnung zur homogenen Beleuchtung einer Bildebene nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei hintereinander angeordnete Mikrolinsenarrays (3, 4) durch gleichartig gestaltete, parallel sowie spiegelverkehrt zueinander liegende regelmäßige Anordnungen von Mikrolinsen (9, 10) charakterisiert sind und die Mikrolinsen, deren optische Achsen (A1, A2, A3, A4) parallel zur optischen Achse (AB) der Beleuchtungsoptik (1) liegen, erhabene Funktionsflächen (11, 12) aufweisen.
Anordnung zur homogenen Beleuchtung einer Bildebene nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei hintereinander angeordnete Mikrolinsenarrays durch gleichartig gestaltete, parallel sowie zueinander liegende regelmäßige Anordnungen von Mikrolinsen charakterisiert sind und die Mikrolinsen deren optische Achsen parallel zur optischen Achse (AB) der Beleuchtungsoptik (1) liegen, erhabene Funktionsflächen, die in die gleiche Richtung orientiert sind, aufweisen.
Anordnung zur homogenen Beleuchtung einer Bildebene nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (1) zwischen zwei hintereinander angeordneten Mikrolinsenarrays (3, 4, 3a, 4a) ≤ 10 mm beträgt.
Anordnung zur homogenen Beleuchtung einer Bildebene nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass beide Mikrolinsenarrays (3a, 4a) aus einem Bauelement (8) bestehen.
Anordnung zur homogenen Beleuchtung einer Bildebene nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmungsradien (R) der Mikrolinsen (9, 10) zweier hintereinander angeordneter Mikrolinsenarrays (3, 4, 3a, 4a) ≤ 20% voneinander abweichen.
Anordnung zur homogenen Beleuchtung einer Bildebene nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrolinsen (9, 10) zylinder- sowie rechteckförmig ausgebildet sind wobei die Mikrolinsen (9) des ersten Mikrolinsenarrays (13) zu den Mikrolinsen (10) des zweiten Mikrolinsenarrays (14) um 90 Grad versetzt zueinander orientiert angeordnet sind.
Anordnung zur homogenen Beleuchtung einer Bildebene nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrolinsen (9, 10) zylinder- sowie rechteckförmig ausgebildet sind, wobei benachbarte Mikrolinsenreihen um die Hälfte der Länge (L) einer Mikrolinse (9, 10) zueinander versetzt angeordnet sind.
Anordnung zur homogenen Beleuchtung einer Bildebene nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Integratorarray (2) aus gleichartig gestalteten Volloder Hohlintegratoren besteht, die unmittelbar nebeneinander angeordnet sind und aus Kunststoff oder Glas hergestellt wurden.
Anordnung zur homogenen Beleuchtung einer Bildebene nach den Ansprüchen 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Integratoren des Integratorarrays (2) trichterförmig ausgebildet sind, wobei jede Lichteintrittsfläche kleiner als die Lichtaustrittsfläche ist.
Anordnung zur homogenen Beleuchtung einer Bildebene nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass jeder trichterförmig ausgebildete Integrator (15) aus mindestens zwei Stufensegmenten (S1, S2, S3, S4, S5 S6) besteht, die Lichtaustrittsfläche eines ersten Stufensegmentes (S1) an die Lichteintrittsfläche eines zweiten Stufensegmentes (S2) angepasst ist und die Winkel zwischen den reflektierenden Strahlführungsflächen und den Zentrierachsen der Integratoren (15) benachbarter Stufensegmente (S1, S2, S3, S4, S5 S6) ungleich sind.
Anordnung zur homogenen Beleuchtung einer Bildebene nach den Ansprüchen 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsflächen der Integratoren (15) rechteckförmig ausgebildet sind.
Anordnung zur homogenen Beleuchtung einer Bildebene nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Integratorarray (2) aus mindestens zwei im Spritzgussverfahren gefertigten Arrayabschnitten (16, 17) besteht, wobei jeder Arrayabschnitt (16, 17) eine Grundplatte (20, 21) aufweist, auf welcher die Integratoren (18, 19) mehrreihig derart angeformt sind, dass diese über ihre Lichtaustrittsflächenecken miteinander in Verbindung stehen, während zwischen den Integratoren (18) eines Arrayabschnittes (16) Öffnungen (22) zur Aufnahme der Integratoren (19) des zweiten Arrayabschnittes (17) vorgesehen sind.