-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen einer Ausgangslichtemission. Die Erfindung betrifft ferner einen Scheinwerfer.
-
Die Verwendung von Flüssigkristallanzeigen (liquid crystal display, LCD) und verwandten Technologien ist weit verbreitet und ermöglicht eine flexible und einfache Erzeugung und Anpassung von Lichtverteilungen für unterschiedlichste Anwendungsbereiche. Es gibt daher Bestrebungen, ihren Anwendungsbereich auch auf Scheinwerfer, insbesondere von Fahrzeugen, zu erweitern. Dafür wurden verschiedene Systeme vorgeschlagen:
- Bei dem in der DE 10 2012 112 127 A1 vorgeschlagenen Lichtmodul ist eine LCD-Blende vorgesehen, die im stromlosen Zustand wenigstens in einem Abschnitt gegen Lichtdurchlass sperrt.
-
Ferner ist bei der in der
DE 10 2013 020 549 A1 beschriebenen Vorrichtung zum Erzeugen von Lichtverteilungen eine variable Blendenvorrichtung vorgesehen, bei der zwischen zwei Polarisationsfiltern ein Flüssigkristall-Element angeordnet ist. Durch eine Ansteuerung des Flüssigkristall-Elements kann der Lichtdurchlass gesteuert werden.
-
Die in der
DE 10 2014 105 963 A1 beschriebene Scheinwerferanordnung umfasst eine Flüssigkristallschicht, bei der die Lichtdurchlässigkeit der Flüssigkristalle einstellbar ist, um die Leuchtweite zu regulieren.
-
Die
DE 10 2014 110 599 A1 schließlich sieht vor, dass zur Erzeugung eines Entblendungsbereichs in einer Fernlichtverteilung einzelne Pixel eines Flüssigkristall-Panels ansteuerbar sind.
-
Die
DE 689 11 816 T2 beschreibt eine Bildprojektionsvorrichtung mit einer Strahlungsquelle und einem Bildwiedergabesystem. Die Polarisationsrichtung des von der Quelle stammenden Strahlenbündels der Bildinformation wird moduliert und mit einem Projektionslinsensystem wird das von dem Bildwiedergabesystem erzeugte Bild auf einen Projektionsschirm projiziert.
-
In der
US 2016 / 0 169 469 A1 wird eine Fahrzeugscheinwerfereinheit beschrieben, bei der ein polarisierender Strahlteiler das von einem optischen System emittierte Licht in zwei polarisierte Strahlen mit zueinander orthogonalen Polarisationsrichtungen aufteilt. Ein Flüssigkristallelement kann zwischen einem ersten Zustand, in dem das von einer ersten Oberfläche des polarisierenden Strahlteilers emittierte Licht ohne Drehung der Polarisationsrichtung reflektiert wird, und einem zweiten Zustand, in dem das Licht mit Drehung der Polarisationsrichtung reflektiert wird, umschalten. Ein optisches Projektionssystem projiziert das Licht, das von dem Flüssigkristallelement reflektiert und erneut durch den polarisierenden Strahlteiler geleitet wird, vor das Fahrzeug.
-
Die
US 5 833 338 A beschreibt einen Projektor mit einer nicht polarisierten Lichtquelle, einem polarisierenden Strahlteiler, der Licht von der nicht polarisierten Lichtquelle empfängt, und einem Polarisationsdrehlichtventil, auf das Licht, das in einer Richtung von dem polarisierenden Strahlteiler polarisiert ist, aus einer ersten Richtung auftrifft, und auf das Licht, das in einer entgegengesetzten Richtung von dem polarisierenden Strahlteiler polarisiert ist, aus einer zweiten Richtung auftrifft.
-
In der
US 5 428 469 A wird ein Flüssigkristallanzeige-Projektionssystem zur Verbesserung der Helligkeit beschrieben. Ein Lichtstrahl wird durch einen polarisierenden Strahlteiler in zwei polarisierte Strahlen mit orthogonalen Polarisationen geteilt. Die Strahlen werden von einem Paar von Spiegeln zu einer gegenüberliegenden Seite einer Flüssigkristallanzeige reflektiert, so dass sie die Anzeige in entgegengesetzten Richtungen durchlaufen. Die beiden Strahlen werden dann von einem anderen Spiegelpaar zu einem weiteren polarisierenden Strahlteiler reflektiert, wo die Strahlen für die Projektion auf einen Bildschirm rekombiniert werden.
-
Bei der Anwendung der üblichen Flüssigkristall-Panels mit hohen Lichtströmen, wie bei Scheinwerfern üblich, wird es jedoch als nachteilig empfunden, dass linear polarisiertes Licht verwendet wird und eine geringe Transmission von typischerweise weniger als 50% erreicht wird. Bekannte Lösungen, bei denen Licht einer für die Scheinwerferfunktion nicht verwendeten Polarisation wiedergewonnen wird, führen typischerweise zu einer Vergrößerung der Etendue, das heißt zu einer größeren Ausdehnung des abgestrahlten Lichts. Ferner wurde der Einsatz zusätzlicher optischer Elemente vorgeschlagen, welche die Komplexität der Konstruktion jedoch vergrößern und eine Kostensteigerung bedeuten würden.
-
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen einer Ausgangslichtemission bereitzustellen, bei denen eine möglichst hohe Lichtausbeute erreicht wird.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einen Scheinwerfer mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung der eingangs genannten Art umfasst eine Lichtquelle zum Emittieren von Licht sowie zumindest ein polarisierendes Strahlteilerelement, auf welches zumindest ein Teil des emittierten Lichts auftrifft. Dabei sind ein erstes reflektiertes Lichtbündel eines ersten Polarisationszustands und ein zweites transmittiertes Lichtbündel eines zweiten Polarisationszustands erzeugbar. Die Vorrichtung umfasst ferner ein Flüssigkristallelement, welches zumindest zwei Zustände aufweist, die mittels eines Steuerelements in Abhängigkeit von einer an das Flüssigkristallelement angelegten elektrischen Spannung ansteuerbar sind. Das erste und das zweite Lichtbündel treten zumindest zum Teil durch das Flüssigkristallelement hindurch. Dabei sind die Polarisationszustände des ersten und zweiten Lichtbündels in Abhängigkeit von dem Zustand des Flüssigkristallelements veränderbar. Das erste und zweite Lichtbündel treffen zumindest teilweise so auf das zumindest eine Strahlteilerelement oder auf ein weiteres Strahlteilerelement, dass sie vereinigt werden.
-
Dadurch wird vorteilhafterweise das von der Lichtquelle emittierte Licht zunächst in zwei linear polarisierte Komponenten aufgespalten, ohne dabei das Licht einer bestimmten Polarisation zu absorbieren. Dadurch wird vorteilhafterweise eine hohe Effizienz des Systems erreicht. Die verwendeten polarisierenden Strahlteilerelemente können auf an sich bekannte Weise gebildet sein, insbesondere mittels Folien oder optischer Strukturen, die eine Reflexion und Transmission von Licht in Abhängigkeit von seiner linearen Polarisation erlauben.
-
Die beiden aufgespaltenen Komponenten werden jeweils auf einen eigenen Lichtpfad umgelenkt und ihre Polarisation kann beim Durchtreten durch das Flüssigkristallelement gedreht werden. Durch anschließendes Vereinigen der Komponenten mittels eines Strahlteilerelements werden die verschiedenen Polarisationen wieder überlagert und eine Ausgangslichtemission kann so ausgekoppelt werden, deren Intensität mittels der Zustands des Flüssigkristallelements und der damit verbundenen Rotation der Polarisation gesteuert werden kann. In diesem Fall wird das Strahlteilerelement somit umgekehrt, das heißt zum Vereinigen zweier Strahlen, verwendet.
-
Das von der Lichtquelle emittierte Licht ist dabei hinsichtlich seiner Polarisation nicht eingeschränkt, es ist aber insbesondere zirkular polarisiert. Eine solche Polarisierung wird bei typischen Glühlampen und Leuchtdioden (light emitting diode, LED) erhalten sowie bei gebräuchlichen Laserbeleuchtungen, deren Licht zunächst auf ein phosphoreszierendes Plättchen gelenkt wird, um eine polychromatische Lichtemission zu erzeugen. Die Vorrichtung kann ferner mit einer linear polarisierten Lichtquelle betrieben werden. Das von einer Lichtquelle emittierte Licht kann dabei auch von mehreren erfindungsgemäßen Vorrichtungen verwendet werden, beispielsweise um anhand des von einer Lichtquelle emittierten Lichts mittels mehrerer erfindungsgemäßer Vorrichtungen eine bestimmte Lichtverteilung zu erzeugen.
-
Die Veränderung der Polarisationszustände durch das Flüssigkristallelement ist an sich bekannt. Dabei wird insbesondere eine Rotation der Polarisation des durchtretenden Lichts erreicht. Ferner ist es an sich bekannt, durch Anlegen einer Spannung einen Zustand des Flüssigkristallelements so zu verändern, dass eine bestimmte Veränderung des Polarisationszustands des durchtretenden Lichts erreicht wird.
-
Bei der Vereinigung der Lichtbündel im Sinne der Erfindung wird eine Überlagerung des Lichts vorgenommen, sodass keine räumliche Trennung zwischen den Lichtbündeln mehr besteht. Das Licht der Ausgangslichtemission tritt also nicht entsprechend den verschiedenen Lichtbündeln räumlich getrennt aus, sondern es kann ein Lichtbündel mit einer Überlagerung von Licht der beiden am ersten Strahlteilerelement getrennten Lichtbündel ausgekoppelt werden. Durch die Vereinigung der Lichtbündel kann erreicht werden, dass die Etendue der erzeugten Ausgangslichtemission nicht unnötig vergrößert wird.
-
Bei einer Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Ausgangslichtemission eine erste und eine zweite Emissionsrichtung auf, wobei die Intensitäten der Ausgangslichtemission in der ersten und der zweiten Emissionsrichtung anhand des Zustands des Flüssigkristallelements steuerbar sind. Dadurch kann vorteilhafterweise durch die an das Flüssigkristallelement angelegte Spannung gesteuert werden, wie viel Licht in die eine oder andere Emissionsrichtung der Ausgangslichtemission gelenkt wird.
-
Insbesondere können die beiden Emissionsrichtungen der Ausgangslichtverteilung zur Auskoppelung von Licht für verschiedene Lichtfunktionen verwendet werden. Beispielsweise kann die Vorrichtung verwendet werden, um das Licht eines Scheinwerfers in einem bestimmten Bereich abzublenden und das Licht in dem abgeblendeten Bereich stattdessen für eine weitere Lichtfunktion zu verwenden oder es kann wieder in die Ausgangslichtemission einfließen, etwa durch eine Einkoppelung in die Lichtemission der Lichtquelle. Auf diese Weise wird eine besonders effiziente Nutzung des zur Verfügung stehenden Lichts erreicht.
-
Es kann dabei vorgesehen sein, dass das Licht der Ausgangslichtemission bei einem bestimmten Zustand des Flüssigkristallelements vollständig in eine der Emissionsrichtungen emittiert wird. Insbesondere können zwei Zustände für zwei Emissionsrichtungen vorgesehen sein, etwa um zwischen den beiden Emissionsrichtungen hin und her schalten zu können. Ferner können Zwischenzustände vorgesehene sein, bei denen Licht in beide Emissionsrichtungen der Ausganslichtemission emittiert wird, sodass das Verhältnis der emittierten Intensitäten zueinander gesteuert werden kann.
-
Bei einer weiteren Ausbildung ist die Summe der Lichtintensitäten der ersten und zweiten Emissionsrichtung im Wesentlichen konstant. Insbesondere hängt diese Summe der Intensitäten von der Intensität des von der Lichtquelle emittierten Lichts ab. Dadurch wird vorteilhafterweise erreicht, dass das zur Verfügung stehende Licht optimal genutzt wird und unabhängig von dem Zustand des Flüssigkristallelements eine konstante Ausgangslichtemission erzeugt wird, wobei sich das Verhältnis der Emissionsrichtungen zueinander ändern kann.
-
Bei einer Weiterbildung ist das von der Lichtquelle emittierte Licht sowie die Ausgangslichtemission in der ersten und der zweiten Emissionsrichtung zirkular polarisiert. Die Ausgangslichtemission kann ferner elliptisch polarisiert sein. Dies wird durch eine Überlagerung von Licht verschiedener Polarisationsrichtungen erreicht. Dadurch werden vorteilhafterweise Probleme bei der Anwendung von linear polarisiertem Licht vermieden. Beispielsweise kann linear polarisiertes Licht durch eine polarisierende Brille ganz oder teilweise absorbiert werden, was zu einer eingeschränkten Sichtbarkeit führt, die möglicherweise unerwünscht ist.
-
Bei einer Ausgestaltung umfasst die Lichtquelle eine Leuchtdiode oder eine Glühlampe. Die Vorrichtung kann dadurch vorteilhafterweise mit bereits bestehenden Techniken zur Erzeugung einer Lichtemission verwendet werden. Ferner kann zudem eine Leuchtstoffröhre oder eine Laserlichtquelle verwendet werden.
-
Das von Leuchtdioden und Glühlampen emittierte, zirkular polarisierte Licht wird in verbreiteten Scheinwerfern und Beleuchtungseinrichtungen verwendet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann nun dazu verwendet werden, anhand des von einer solchen Lichtquelle emittierten Lichts eine Ausgangsemission zu steuern und dynamisch zu gestalten, wobei die verschiedenen, anhand der angelegten Spannung ansteuerbaren Zustände des Flüssigkristallelements genutzt werden.
-
Erfindungsgemäß umfasst das Flüssigkristallelement mehrere Segmente, wobei mittels des Steuerelements eine an den einzelnen Segmenten des Flüssigkristallelements anliegende elektrische Spannung steuerbar ist. Dadurch kann das Flüssigkristallelement vorteilhafterweise so gebildet sein, dass der Polarisationszustand von Licht, das in verschiedenen räumlichen Bereichen durch das Flüssigkristallelement hindurchtritt, in verschiedener Weise verändert wird.
-
Beispielsweise kann das Flüssigkristallelement Segmente aufweisen, die insbesondere in einer Matrix nach Art von Bildelementen (picture elements, Pixel) angeordnet sein können. Solche Segmente können als einzelne Flüssigkristallelemente betrachtet werden. Insbesondere kann an die einzelnen Segmente jeweils eine Spannung angelegt werden, sodass die Veränderung des Polarisationszustands durchtretender Lichtbündel separat für die einzelnen Segmente gesteuert werden kann.
-
Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung für jedes der Segmente jeweils eine erste und eine zweite Emissionsrichtungen auf, sodass die Richtung der Ausgangslichtemission anhand der Segmente steuerbar ist. Das von der Lichtquelle emittierte Licht kann beispielsweise mehrere ursprüngliche Lichtbündel umfassen, die unter verschiedenen Winkeln emittiert werden. Durch das Strahlteilerelement werden diese ursprünglichen Lichtbündel jeweils in erste und zweite Lichtbündel verschiedener Polarisation geteilt. Das zu den ursprünglichen Lichtbündeln gehörige Licht tritt in jeweils verschiedenen Bereichen, insbesondere bei verschiedenen Segmenten, durch das Flüssigkristallelement hindurch. Durch die bei den Segmenten anliegende Spannung werden die Polarisationszustände des durchgetretenen Lichts und damit die gesamte Ausgangslichtemission gesteuert. Insbesondere kann so die Ausgangslichtemission anhand der Verteilung der an die Segmente des Flüssigkristallelements angelegten Spannung gesteuert werden.
-
Beispielsweise kann auf diese Weise eine Projektion erfolgen, wobei die Verteilung der Ausgangslichtemission mittels der Verteilung der an den Segmenten des Flüssigkristallelements anliegenden Spannung gesteuert werden kann. Beispielsweise kann so die Ausgangslichtemission in einem bestimmten Bereich abgedunkelt oder abgeblendet werden. Ferner kann ein Symbol projiziert werden.
-
Bei einer weiteren Ausgestaltung treten das erste und das zweite Lichtbündel durch dasselbe Flüssigkristallelement hindurch. Dies erlaubt vorteilhafterweise eine besonders einfach und kostengünstige Konstruktion. Ferner werden die Polarisationszustände des ersten zweiten Lichtbündels so in der gleichen Weise verändert, beispielsweise wird eine bestimmte Rotation der Polarisation um den gleichen Winkel erreicht.
-
Ferner kann vorgesehen sein, dass nur eines der Lichtbündel durch das Flüssigkristallelement tritt, sodass lediglich die Polarisation eines der Lichtbündel verändert werden kann. Ferner können zwei Flüssigkristallelemente so vorgesehen sein, dass die beiden Lichtbündel jeweils durch eines davon durchtreten. Dies ermöglicht eine separate Veränderung der Polarisationen in unterschiedlichem Maße.
-
Bei einer Ausbildung umfasst die Vorrichtung ferner zumindest ein Reflexionselement, das zur Reflexion von Licht geeignet ist. Die von dem Licht im Bereich der Vorrichtung beschriebenen Pfade können so vorteilhafterweise einfach geführt werden.
-
Insbesondere werden Spiegel verwendet, die flach sind oder eine gebogene Oberfläche aufweisen. Insbesondere wirkt sich die Reflexion an einem Spiegel nicht auf die Polarisation des reflektierten Lichts aus. Ferner kann ein Lichtleiter verwendet werden, wobei insbesondere totale Reflexion an einer Grenzfläche zweier optischer Medien zur Lichtführung und -leitung ausgenutzt wird. In diesem Fall können verschiedene Reflexionseigenschaften in Abhängigkeit von dem Polarisationszustand des reflektierten Lichts zu berücksichtigen sein.
-
Bei einer weiteren Ausbildung umfasst die Vorrichtung ein erstes und ein zweites polarisierendes Strahlteilerelement, wobei das erste und das zweite Lichtbündel vor dem Durchtreten durch das Flüssigkristallelement auf das erste polarisierende Strahlteilerelement treffen und nach dem Durchtreten durch das Flüssigkristallelement auf das zweite polarisierende Strahlteilerelement treffen. Dadurch kann vorteilhafterweise durch eine geeignete Auswahl und Anordnung des ersten und des zweiten polarisierenden Strahlteilerelements eine bestimmte Ausgangslichtemission erzeugt werden.
-
Bei einer Weiterbildung treten das erste und das zweite Lichtbündel genau einmal durch das Flüssigkristallelement. Dadurch kann vorteilhafterweise eine besonders einfacher Aufbau der Vorrichtung realisieret werden.
-
Beispielsweise kann das Flüssigkristallelement so gebildet sein, dass in einem ersten Zustand keine Drehung der Polarisation des durchtretenden Lichts bewirkt wird und in einem zweiten Zustand eine Drehung der Polarisation um 90° bewirkt wird. Beispielsweise kann der erste Zustand ohne Anlegen einer Spannung und der zweite Zustand bei Anlegen einer bestimmten Spannung an das Flüssigkristallelement angesteuert werden. Wenn die beiden Lichtbündel jeweils genau einmal durch das Flüssigkristallelement treten, kann ihre Polarisation je nach dessen Zustand beibehalten oder verändert werden. Durch eine geeignete Ansteuerung der an das Flüssigkristallelement angelegten Spannung können Zwischenzustände zur Erzeugung weiterer Polarisationszustände erreicht werden.
-
Bei einer Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung genau ein polarisierendes Strahlteilerelement. Die Vorrichtung kann dadurch besonders kostengünstig hergestellt werden und der Aufbau kann wegen der reduzierten Zahl der Bauteile besonders einfach erfolgen.
-
Bei einer weiteren Ausgestaltung treten das erste und das zweite Lichtbündel genau zweimal durch das Flüssigkristallelement hindurch. Die Vorrichtung kann so vorteilhafterweise besonders kompakt ausgebildet sein.
-
Beispielsweise kann das Flüssigkristallelement so gebildet sein, dass in einem ersten Zustand keine Drehung der Polarisation des durchtretenden Lichts bewirkt wird und in einem zweiten Zustand eine Drehung der Polarisation um 45° bewirkt wird. Beispielsweise kann der erste Zustand ohne Anlegen einer Spannung und der zweite Zustand bei Anlegen einer bestimmten Spannung an das Flüssigkristallelement angesteuert werden. Wenn die beiden Lichtbündel jeweils genau zweimal durch das Flüssigkristallelement treten, kann ihre Polarisation je nach dessen Zustand beibehalten oder bei den Durchtritten jeweils verändert werden. Insbesondere kann bei einer zweimaligen Rotation der Polarisationsrichtung um 45° eine Gesamtrotation um 90° erreicht werden. Die Rotation der Polarisation beim einmaligen Durchtritt durch das Flüssigkristallelement wird dabei zweimal angewandt und kann insbesondere mittels einer geringeren angelegten Spannung erreicht werden. Durch eine geeignete Ansteuerung der an das Flüssigkristallelement angelegten Spannung können Zwischenzustände zur Erzeugung weiterer Polarisationszustände erreicht werden.
-
Bei einer Weiterbildung umfasst die Vorrichtung ferner ein Auskopplungselement und die Ausgangslichtemission wird in zumindest der ersten oder der zweiten Emissionsrichtung ausgekoppelt. Die Intensität des in eine Emissionsrichtung ausgekoppelten Lichts kann durch die Steuerung des Zustands des Flüssigkristallelements gesteuert werden.
-
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass Licht der beiden Emissionsrichtungen ausgekoppelt wird, sodass ein möglichst effiziente Nutzung ermöglicht wird. Beispielsweise können verschiedene Lichtfunktionen mittels der beiden Emissionsrichtungen realisiert werden. Insbesondere kann die Auskopplung mittels eines Lichtleiters oder einer funktionell vergleichbaren Einrichtung vorgenommen werden. Ferner kann zumindest Licht einer Emissionsrichtung der Ausgangslichtemission direkt aus der Vorrichtung austreten und beispielsweise im Sinne eines Scheinwerferlichts verwendet werden.
-
Der erfindungsgemäße Scheinwerfer umfasst zumindest eine Vorrichtung der oben beschriebenen Art. Insbesondere kann der Scheinwerfer eine Vielzahl von Vorrichtungen der oben beschriebenen Art umfassen. Auf diese Weise kann insbesondere eine Matrix unabhängig voneinander steuerbarer Vorrichtungen gebildet werden, wobei mittels einer räumlichen Verteilung der einzelnen Ausgangslichtemissionen eine Lichtverteilung gebildet wird. Dadurch kann vorteilhafterweise eine besonders einfach und flexibel steuerbare Lichtverteilung erzeugt werden.
-
Der Scheinwerfer kann auch eine einzelne Vorrichtung der beschriebenen Art umfassen, wobei das Flüssigkristallelement Segmente umfasst, welche insbesondere als Matrix angeordnet sind. Auch kann die räumliche Verteilung der Ausgangslichtemission gesteuert werden, etwa um Blendungen anderer Verkehrsteilnehmer zu vermeiden, um bestimmte Bereiche besonders gut auszuleuchten oder um eine Darstellung, etwa einen Schriftzug, zu projizieren.
-
Bei einer Ausgestaltung des Scheinwerfers sind durch die Vorrichtungen jeweils Ausgangslichtemissionen mit zumindest zwei Emissionsrichtungen erzeugbar und der Scheinwerfer umfasst ferner eine Auskopplungseinrichtung, durch welche Licht einer der Emissionsrichtungen auskoppelbar ist. Dadurch kann vorteilhafterweise das in eine Emissionsrichtung emittierte Licht für eine separate Lichtfunktion genutzt werden.
-
Insbesondere kann Licht der beiden Emissionsrichtungen separat ausgekoppelt und für verschiedene Lichtfunktionen genutzt werden. Beispielsweise kann das Licht einer Emissionsrichtung für eine Fernlicht- und/oder Abblendlichtverteilung genutzt werden, während das Licht der weiteren Emissionsrichtung für eine Nahfeldbeleuchtung genutzt wird.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Erzeugen einer Ausgangslichtemission wird durch eine Lichtquelle Licht emittiert. Zumindest ein Teil des emittierten Lichts trifft auf zumindest ein polarisierendes Strahlteilerelement, wobei ein erstes reflektiertes Lichtbündel eines ersten Polarisationszustands und ein zweites transmittiertes Lichtbündel eines zweiten Polarisationszustands erzeugt werden. Ferner treten das erste und das zweite Lichtbündel zumindest zum Teil durch ein Flüssigkristallelement. Dabei weist das Flüssigkristallelement zumindest zwei Zustände auf, wobei die Polarisationszustände des ersten und zweiten Lichtbündels in Abhängigkeit von dem Zustand des Flüssigkristallelements veränderbar sind. Dabei wird mittels eines Steuerelements eine an das Flüssigkristallelement angelegte elektrische Spannung so gesteuert, dass ein bestimmter Zustand des Flüssigkristallelements erzeugt wird. Das erste und zweite Lichtbündel treffen dabei zumindest teilweise so auf das zumindest eine Strahlteilerelement oder auf ein weiteres Strahlteilerelement, dass sie vereinigt werden. Das Flüssigkristallelement umfasst mehrere Segmente, wobei mittels des Steuerelements eine an den einzelnen Segmenten des Flüssigkristallelements anliegende elektrische Spannung gesteuert wird und jedes der Segmente jeweils eine erste und eine zweite Emissionsrichtung aufweist, sodass die Richtung der Ausgangslichtemission anhand der Segmente gesteuert wird.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere ausgebildet, das erfindungsgemäße Verfahren zu implementieren. Das Verfahren weist somit dieselben Vorteile auf wie die erfindungsgemäße Vorrichtung.
-
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug zu den Zeichnungen erläutert.
- 1A und 1B zeigen den Aufbau und die Funktionsweise einer LCD-Einheit,
- 2A und 2B zeigen den Aufbau und die Funktionsweise eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- 3A bis 3D zeigen den Aufbau und die Funktionsweise eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
- 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Scheinwerfers.
-
Bei den Erläuterungen wird von idealen optischen Elementen ausgegangen, das heißt, es werden insbesondere unerwünschte Absorptionen, Transmissionen und Reflexionen, insbesondere an Grenzflächen und Strukturen des Vorrichtungsaufbaus, als vernachlässigbar angesehen. Bei einer tatsächlichen Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind derartige Effekte jedoch zu beachten, wie es dem Fachmann ohne weiteres klar ist.
-
Mit Bezug zu den 1A und 1B wird zunächst der prinzipielle Aufbau und die Funktionsweise einer LCD-Einheit erläutert.
-
Die schematisch dargestellte LCD-Einheit umfasst eine Lichtquelle 1, die Licht mit einer zirkularen (SP-)Polarisation emittiert. In dem Beispiel ist dies eine Leuchtdiode, es kann jedoch prinzipiell jede andere Lichtquelle verwendet werden, insbesondere auch eine Glühlampe. Die Lichtquelle 1 kann ferner Licht für mehrere LCD-Einheiten erzeugen, die 1A und 1B zeigen jedoch der Einfachheit halber lediglich eine davon.
-
Das Licht trifft auf einen ersten Polarisationsfilter 2, der eine P-polarisierte Komponente des ursprünglich zirkular SP-polarisierten Lichts absorbiert und von dem eine S-polarisierte Komponente durchgelassen wird. Nach dem Durchlaufen dieses Polarisationsfilters 2 steht also linear S-polarisiertes Licht zur Verfügung und es wurde die Hälfte des ursprünglich zirkular SP-polarisierten Lichts absorbiert.
-
Das linear S-polarisierte Licht trifft nun auf ein Flüssigkristallelement 3, an welchem in dem in 1A gezeigten Fall eine Spannung so anliegt, dass die Polarisation des durchtretenden Lichts gedreht wird. Insbesondere wird eine Rotation von 90° bewirkt, sodass das Licht nach dem Durchtritt P-polarisiert ist. Dieses P-polarisierte Licht trifft auf einen zweiten Polarisationsfilter, der eine S-polarisierte Komponente des auftreffenden Lichts absorbiert und eine P-polarisierte Komponente durchlässt. Da das auftreffende Licht in dem in 1A gezeigten Fall P-polarisiert ist, wird es vollständig durchgelassen und kann austreten oder auf an sich bekannte Weise ausgekoppelt werden.
-
Bei dem in 1B gezeigten Fall liegt an dem Flüssigkristallelement 3 keine Spannung an und die Polarisation des durchtretenden Lichts wird nicht verändert. Das Licht ist also nach dem Durchtritt weiterhin S-polarisiert. Dieses S-polarisierte Licht trifft dann auf den zweiten Polarisationsfilter, der eine S-polarisierte Komponente des auftreffenden Lichts absorbiert und eine P-polarisierte Komponente durchlässt. Da das auftreffende Licht in dem in 1A gezeigten Fall S-polarisiert ist, wird es vollständig absorbiert.
-
In weiteren Ausgestaltungen können verschiedene Konfigurationen vorgesehen sein. Beispielsweise können zwei Polarisationsfilter 2, 4 des gleichen Typs verwendet werden, sodass Licht aus der LCD-Einheit austreten kann, wenn keine Spannung am Flüssigkristallelement 3 anliegt, während es vollständig absorbiert wird, wenn eine bestimmte Spannung anliegt.
-
Ferner kann durch eine geeignete Regelung der am Flüssigkristallelement 3 anliegenden Spannung die Intensität des aus der LCD-Einheit austretenden Lichts geregelt werden.
-
Mit Bezug zu den 2A und 2B wird der Aufbau und die Funktionsweise eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie das erfindungsgemäße Verfahren erläutert.
-
In dem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 10 wird - wie bereits mit Bezug zu den 1A und 1b für ein LCD-Element erläutert - durch die Lichtquelle 1 zirkular (SP-)polarisiertes Licht emittiert. Dieses trifft auf ein erstes polarisierendes Strahlteilerelement 12, das eine P-polarisierte Komponente des auftreffenden Lichts reflektiert und eine S-polarisierte Komponente durchlässt. Das heißt, im Gegensatz zu den in den 1A und 1B gezeigten Polarisationsfiltern wird hier im Wesentlichen kein Licht absorbiert, sondern das zirkular SP-polarisierte Licht wird geteilt und es werden zwei Lichtbündel erzeugt, die S- beziehungsweise P-polarisiert sind.
-
Die S- beziehungsweise P-polarisierten Lichtbündel treffen auf Spiegel 15, die in dem Ausführungsbeispiel als flache Spiegel 15 ausgeführt sind. Sie können in weiteren Ausführungsformen gebogen sein, alternativ oder zusätzlich können bei der Vorrichtung 10 auch Lichtleiter oder ähnliche Vorrichtungen zum Lenken des optischen Pfades vorgesehen sein. Die Lichtbündel werden so reflektiert, dass sie auf ein Flüssigkristallelement 13, 13' treffen. Bei der Reflexion bleibt insbesondere die Polarisation des reflektierten Lichtbündels erhalten.
-
In dem in 2A dargestellten Fall liegt an dem Flüssigkristallelement 13 eine Spannung an, die dazu geeignet ist, das Flüssigkristallelement 13 in einen Zustand zu bringen, sodass der Polarisationszustand des durchtretenden Lichts verändert wird. Konkret wird in dem dargestellten Fall eine Drehung der Polarisation um 90° bewirkt, etwa nach Art einer sogenannten λ/2-Platte. Das heißt, einfallendes S-polarisiertes Licht tritt P-polarisiert aus und einfallendes P-polarisiertes Licht tritt S-polarisiert aus. In dem dargestellten Fall werden also die Polarisationen der beiden Lichtbündel vertauscht.
-
Die beiden Lichtbündel, deren Polarisation in der beschriebenen Art geändert wurde, werden nun wiederum durch die Spiegel 15 reflektiert und treffen auf ein weiteres polarisierendes Strahlteilerelement 14, welches S-polarisiertes Licht reflektiert und P-polarisiertes Licht durchlässt. Die Lichtbündel treffen so auf dieses polarisierende Strahlteilerelement 14, dass sie vereinigt werden und als zirkular SP-polarisiertes Licht aus der Vorrichtung 10 austreten oder ausgekoppelt werden können. In dem in 2A dargestellten Fall wird sämtliches austretendes Licht, das heißt die Ausgangslichtemission, in der Emissionsrichtung R1 emittiert.
-
Bei dem in 2B dargestellten Fall liegt dagegen an dem Flüssigkristallelement 13' keine Spannung an und das Flüssigkristallelement 13' ist in einem Zustand, sodass der Polarisationszustand des durchtretenden Lichts nicht verändert wird. Das heißt, die Polarisation des Lichts wird nicht gedreht und die Polarisationen der beiden Lichtbündel bleiben erhalten.
-
Die beiden Lichtbündel werden durch die Spiegel 15 reflektiert und treffen auf das weitere polarisierende Strahlteilerelement 14, das S-polarisiertes Licht reflektiert und P-polarisiertes Licht durchlässt. Die Lichtbündel treffen so auf dieses polarisierende Strahlteilerelement 14, dass sie vereinigt werden und als zirkular SP-polarisiertes Licht aus der Vorrichtung 10 austreten oder ausgekoppelt werden können. Im Unterschied zu dem in 2A dargestellten Fall wird gemäß 2B jedoch sämtliches austretendes Licht, das heißt die Ausgangslichtemission, in einer anderen Emissionsrichtung R2 emittiert.
-
Durch Anlegen einer geeigneten Spannung können Mischformen der in den 2A und 2B gezeigten Fälle erzeugt werden. In einem solchen Fall kann zirkular SP-polarisiertes Licht in beide Emissionsrichtungen R1 und R2 emittiert werden. Die in die verschiedenen Emissionsrichtungen R1, R2 emittierten Lichtintensitäten sind mittels der angelegten Spannung steuerbar. In all diesen Fällen ist jedoch die Summe der in die Emissionsrichtungen R1 und R2 emittierten Lichtintensitäten konstant.
-
Mit Bezug zu den 3A bis 3D wird der Aufbau und die Funktionsweise eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie das erfindungsgemäße Verfahren erläutert. Zur Vereinfachung der Darstellung sind die Lichtpfade eines ersten Falls in den 3A und 3B getrennt gezeigt, die Lichtpfade eines zweiten Falls in den 3C und 3D.
-
Zunächst wird 3A erläutert: Wie mit Bezug zu den 2A und 2B bereits erläutert, emittiert die Lichtquelle 1 zirkular (SP-)polarisiertes Licht. Dieses trifft auf ein polarisierendes Strahlteilerelement 12, das eine P-polarisierte Komponente des auftreffenden Lichts reflektiert und eine S-polarisierte Komponente durchlässt. Das heißt, das emittierte zirkular SP-polarisierte Licht wird geteilt und es werden zwei Lichtbündel erzeugt, die S- beziehungsweise P-polarisiert sind. Die S- beziehungsweise P-polarisierten Lichtbündel treffen auf Spiegel 15 und werden dabei so reflektiert, dass sie auf ein Flüssigkristallelement 16 treffen.
-
In dem in den 3A und 3B dargestellten Fall liegt an dem Flüssigkristallelement 16 eine Spannung an, die dazu geeignet ist, das Flüssigkristallelement 16 in einen Zustand zu bringen, sodass der Polarisationszustand des durchtretenden Lichts verändert wird. Konkret wird in dem dargestellten Fall eine Drehung der Polarisation um 45° bewirkt, etwa nach Art einer sogenannten λ/4-Platte. Diese Drehung der Polarisation ist in den 3A und 3B als „S(1/2)“ (bei einfallendem P-polarisierten Licht) beziehungsweise „P(1/2)“ (bei einfallendem S-polarisierten Licht) angedeutet.
-
3B zeigt, wie die beiden Lichtbündel, deren Polarisation in der beschriebenen Art geändert wurde, wiederum durch die Spiegel 15 zurückgeworfen werden und nochmals auf das polarisierende Strahlteilerelement 16 treffen, wobei ihr Polarisationszustand nochmals geändert wird. Dabei wird wieder eine Rotation der Polarisation um 45° bewirkt und das ursprünglich P-polarisierte Lichtbündel ist nunmehr S-polarisiert und das ursprünglich S-polarisierte Lichtbündel ist P-polarisiert. Die Lichtbündel treffen nun wiederum auf Spiegel 15 und anschließend so auf das polarisierende Strahlteilerelement 12, dass sie vereinigt werden und als zirkular SP-polarisiertes Licht aus der Vorrichtung 10 austreten oder ausgekoppelt werden können. In dem in 3B dargestellten Fall wird sämtliches austretendes Licht in der Emissionsrichtung R3 emittiert.
-
Bei dem in den 3C und 3D gezeigten Fall liegt an dem Flüssigkristallelement 16' keine Spannung an und es ist in einem Zustand, sodass der Polarisationszustand des durchtretenden Lichts nicht verändert wird. Im Unterschied zu dem mit Bezug zu den 3A und 3B erläuterten Fall behalten die durchtretenden Lichtbündel also ihre jeweilige Polarisation. Dies führt dazu, dass sie nach ihrer Vereinigung an dem polarisierenden Strahlteilerelement 12 in einer weiteren Emissionsrichtung R4 emittiert werden, wobei diese Richtung R4 gemäß 3D auf die Lichtquelle 1 zurück weist.
-
Auch hier kann die an das Flüssigkristallelement 16, 16' angelegte Spannung so gesteuert werden, dass Mischformen der in den 3A, 3B, 3C und 3D gezeigten Fälle erzeugt werden. In einem solchen Fall kann zirkular SP-polarisiertes Licht in beide Emissionsrichtungen R3 und R4 emittiert werden. Die in die verschiedenen Emissionsrichtungen R3, R4 emittierten Lichtintensitäten sind mittels der angelegten Spannung steuerbar, wobei die Summe der in die Emissionsrichtungen R3 und R4 emittierten Lichtintensitäten konstant bleibt.
-
In weiteren Ausführungsbeispielen können Elemente zum Auskoppeln des Lichts vorgesehen sein, um das in eine der Emissionsrichtungen R1, R2, R3, R4 emittierte Licht auszukoppeln und insbesondere umzulenken. Dabei kann auch vermieden werden, dass eine der Emissionsrichtungen R1, R2, R3, R4 auf die Lichtquelle 1 zurück weist.
-
In weiteren Ausführungsbeispielen umfasst das Flüssigkristallelement 13, 13', 16, 16' der in den 2A, 2B, 3A, 3B, 3C, 3D dargestellten Vorrichtungen mehrere Segmente, an die mittels des Steuerelements 11a jeweils eine bestimmte elektrische Spannung angelegt werden kann. Die Lichtquelle 1 emittiert nicht nur einen Lichtstrahl in eine bestimmte Richtung, sondern eine breitere Lichtverteilung, die insbesondere eine Vielzahl von Richtungen aufweist. Daher tritt das emittierte Licht nicht nur an einer Stelle durch das Flüssigkristallelement 13, 13', 16, 16', sondern an verschiedenen Stellen, die insbesondere zu verschiedenen Segmenten gehören.
-
Insbesondere sind diese Segmente des Flüssigkristallelements 13, 13', 16, 16' in einem Raster als Pixel angeordnet und die anliegende elektrische Spannung kann einzeln gesteuert werden. Auf diese Weise kann eine bestimmte Projektion in einer der Emissionsrichtungen R1, R2, R3, R4 ausgegeben werden, während das Inverse der Projektion in der jeweils anderen Emissionsrichtung R1, R2, R3, R4 ausgegeben wird.
-
Mit Bezug zu den 4 wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Scheinwerfers erläutert.
-
Der Scheinwerfer 11, dessen Aufbau hier im Längsschnitt dargestellt ist, umfasst die Lichtquelle 1 und eine Vielzahl erfindungsgemäßer Vorrichtungen 10. Diese sind in dem Beispiel nach Art einer Matrix angeordnet, wobei durch die Vorrichtungen 10 jeweils Flächenelemente nach Art von Bildelementen (picture elements, Pixel) erzeugt werden. Die Größe der Flächenelemente kann insbesondere bei einer Pixel-Diagonale von 25 mm bis 60 mm liegen. Mit den Vorrichtungen 10 ist ferner ein Steuerelement 11a gekoppelt, durch das eine an die Flüssigkristallelemente 13, 13', 16, 16' der Vorrichtungen 10 angelegte Spannung so geregelt werden kann, dass Licht in einem bestimmten Verhältnis in die Emissionsrichtungen R1, R2, R3, R4 emittiert wird. Dabei hängt es von der Ausführungsform der Vorrichtungen 10 ab, wie die Emissionsrichtungen R1, R2, R3, R4 verlaufen.
-
In weiteren Ausführungsbeispielen ist vorgesehen, dass bei zumindest einer der Vorrichtungen 10 des Scheinwerfers 11 das Flüssigkristallelement 13, 13', 16, 16' mehrere Segmente umfasst. Wie oben beschrieben, kann in diesem Fall die Ausgangslichtemission durch eine an den Segmenten angelegte Spannung gesteuert werden, wobei für alle Segmente einer Vorrichtung 10 nur ein Satz optischer Elemente, insbesondere Lichtquelle 1, Spiegel 15 und Strahlteilerelement 12, 14, vorgesehen ist.
-
Insbesondere kann der Scheinwerfer lediglich eine einzelne solche Vorrichtung 10 mit einer Vielzahl von Segmenten des Flüssigkristallelements 13, 13', 16, 16' umfassen.
-
In weiteren Ausführungsbeispielen ist vorgesehen, dass mittels der Emissionsrichtungen R1, R2, R3, R4 der Vorrichtungen 10 verschiedene Lichtfunktionen betrieben werden. Insbesondere ist vorgesehen, dass eine Fernlichtverteilung und eine Nahfeldbeleuchtung implementiert werden, wobei jeweils das in eine der Emissionsrichtungen R1, R2, R3, R4 emittierte Licht für eine der Lichtfunktionen verwendet wird.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Lichtquelle
- 2
- Polarisationsfilter (Absorption P, Transmission S)
- 3
- Flüssigkristallelement (erster Zustand; λ/2)
- 3'
- Flüssigkristallelement (zweiter Zustand; „off“)
- 4
- Polarisationsfilter (Absorption S, Transmission P)
- 10
- Vorrichtung; LC-Elemente
- 11
- Scheinwerfer
- 11a
- Steuerelement
- 12
- Polarisierendes Strahlteilerelement (Reflexion P, Transmission S)
- 13
- Flüssigkristallelement (erster Zustand; λ/2)
- 13'
- Flüssigkristallelement (zweiter Zustand; „off“)
- 14
- Polarisierendes Strahlteilerelement (Reflexion S, Transmission P)
- 15
- Reflexionselement; Spiegel
- 16
- Flüssigkristallelement (erster Zustand; λ/4)
- 16'
- Flüssigkristallelement (zweiter Zustand; „off“)
- P
- linear P-polarisiertes Licht
- S
- linear S-polarisiertes Licht
- SP
- zirkular SP-polarisiertes Licht
- R1, R2, R3, R4
- Emissionsrichtungen
