Diffraktive Optiken zur chromatischen und thermischen Linsenkorrektur sowie zur Lichtformung = Diffractive optics in headlamp systems - Lens correction and generation of light distributions

Einführung
Diffraktive Optiken nutzen die Welleneigenschaften von Strahlung und ermöglichen daher
eine Vielzahl an Funktionalitäten, die mittels refraktiver Optiken kaum bis gar nicht realisierbar
sind. In diesem Zusammenhang werden im Folgenden die Möglichkeiten zur
chromatischen und thermischen Korrektur bestehender refraktiver Systeme sowie die
Möglichkeiten zur Erzeugung von Lichtverteilungen ohne Blenden untersucht. Dabei verbessern
die Korrekturen bestehende optische Systemlösungen, während die Formung von
Lichtverteilungen die Substitution von Blenden und Reflektoren sowie Effizienzen >90%
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ermöglicht.
Herausforderungen
Die Herausforderungen liegen dabei insbesondere im Design der optischen Elemente und
unterscheiden sich für die Betrachtungen der Korrektur und der Lichtformung.
Der primäre auslegungstechnische Aspekt bei der Formung von Lichtverteilungen mittels
diffraktiver Elemente bedeutet, für polychromatische Weißlichtquellen eine farbsaumfreie
Hell-Dunkel-Grenze zu erzeugen. Durch die starke chromatische Abhängigkeit und die
Ablenkung in unterschiedliche Beugungsordnungen erfordert dies eine innovative Auslegung
der Elemente. Zudem muss die Gesamteffizienz über der aktueller Systeme liegen
Dem gegenüber muss zur chromatischen und thermischen Linsenkorrektur ein neuer Designansatz
entwickelt werden, da beide Korrekturen für sich den jeweils anderen Effekt
verstärken.
Untersuchungen zu Linsenkorrektur und Lichtformung
In diesem Rahmen wurden neuartige und innovative Designansätze entwickelt, die die
genannten Funktionen erzielen.
Zur Lichtformung werden Gitterzellenarrays untersucht, die nach einem sequentiellen Verfahren
ausgelegt wurden und eine Scheinwerferverteilung erzeugen. Die Untersuchungen
richten sich daran, eine chromatisch korrigierte Hell-Dunkel-Grenze zu erzeugen sowie
eine homogene, scheinwerferähnliche Ausleuchtung hoher Effizienz zu generieren.
Parallel dazu werden Untersuchungen zur chromatischen und thermischen Linsenkorrektur
vorgestellt. Dabei wird untersucht, inwieweit eine chromatische und thermische Korrektur
von refraktiven Linsen möglich ist. Hierzu werden zunächst Ergebnisse einer chromatischen
Korrektur vorgestellt, die die Grundlage der Untersuchungen bilden. Darauf aufbauend
werden erwartete Einflüsse des Herstellungsprozesses untersucht und bewertet. Abschließend
werden daraus Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeiten definiert.

Introduction
Diffractive Optics are using the waves characteristics of light and allow a lot of possibilities
that cannot be realized by using refractive optics solely. In case of headlamps, these are
the chromatic and thermal correction of refractive lenses and the generation of light distributions.
This leads to the enhancement of the appearance of the light distribution and to a
higher efficiency of the system. The substitution of reflectors and apertures allows efficiencies
of the light generating surface > 90%.
Challenges
The challenges are the Design of the elements that has to consider the function of the
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structures and the manufacturing precision.
The diffraction effects allow the correction of refractive lenses or the generation of light
distributions but are also generating stray light because of the diffraction orders. The design
order is the first diffraction order, therefore all the others are stray light and has to be
reduced.
Because of the broadband light sources, the main target of diffractive structures is the
generation of light distributions without any colour fringes at the cut-off line. Additionally,
the thermal behaviour of a hybrid lens needs to be corrected to minimize the influence of
the thermal behaviour to the light distribution.
Studies to the Correction of Lenses and the Generation of Light Distributions
In this context, innovative design concepts have been developed to realize the chromatic
and thermal lens correction and the generation of high efficient light distributions.
The generation of light distributions is realized by using grating cell arrays. The cells are
assigned to the cells of the light distribution sequentially. Studies have to examine the
quality of the resulted distributions. In this context, cut-off lines without colour fringes as
well as the efficiency of the element are considered.
Furthermore the correction of chromatic and thermal behaviour of refraktive lenses is presented.
First of all, the correction for ideal optical elements is calculated and represents
the upper bound of the correction level. In a second step the influence of typical fabrication
based errors of the height profile of diffractive lenses to the light distribution is shown by
results of the optical simulation.