DE10143357A1

DE10143357A1 - Starrer Lichtleiter

Info

Publication number: DE10143357A1
Application number: DE10143357A
Authority: DE
Inventors: Marcus Zuesch; Matthias Funk
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2001-09-04
Filing date: 2001-09-04
Publication date: 2003-04-03
Anticipated expiration: 2021-09-05
Also published as: DE10143357B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen starren Lichtleiter (8) mit einer Lichteinkoppel- und Lichtauskoppelfläche, wobei innerhalb des Lichtleiters (8) eine Umlenkung eines über die Lichteinkoppelfläche (6) in den Lichtleiter (8) eingekoppelten Lichtstrahls an einer Lichtumlenkfläche durch Totalreflexion erfolgt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Lichtumlenkfläche parabelförmig gekrümmt ist oder durch mehrere ebene Reflexionsflächen (8a, 8b, 8c) an eine Parabelform angenähert ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen starren Lichtleiter mit einer Lichteinkoppel- und einer Lichtauskoppelfläche, wobei innerhalb des Lichtleiters eine Umlenkung eines über die Lichteinkoppelfläche in den Lichtleiter eingekoppelten Lichtstrahls an einer Lichtumlenkfläche durch Totalreflexion erfolgt.
Derartige Lichtleiter kommen beispielsweise in Bediengeräten von Kraftfahrzeugen zum Einsatz. Bei dieser Anwendung ist es erforderlich, auch im Nachtbetrieb die verschiedenen Bedienelemente sicher erkennen und bedienen zu können. Die Bedienelemente sind daher selbst mit einer Beleuchtung versehen oder um die Bedienelemente herum ist eine beleuchtete Fläche beispielsweise in Form eines Kreisrings vorgesehen. Als Lichtquelle kommen in der Regel Leuchtdioden zum Einsatz, die auf Platinen innerhalb des Bediengerätes angeordnet sind. Um die gewünschte Ausleuchtung in der Blende des Bediengerätes zu erzielen, werden starre Lichtleiter aus Kunststoffmaterialien eingesetzt. Eine erforderliche Lichtumlenkung innerhalb des Lichtleiters erfolgt durch Totalreflexion an einer Lichtumlenkungsfläche. Bei bekannten Lichtleitern ist hierzu eine ebene Reflexionsfläche oder eine kreisförmig gekrümmte Reflexionsfläche bekannt.
Bei Verwendung von üblichen Lichtquellen tritt das Licht aus diesen unter einem relativ großen Öffnungswinkel von beispielsweise 120° aus. Dies führt dazu, dass nur ein Teil der Lichtstrahlen auf die Reflexionsfläche unter einem Winkel auftrifft, der größer ist als der Grenzwinkel für Totalreflexion. Hierdurch treten in der Praxis merkliche Lichtverluste auf.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen starren Lichtleiter derart weiterzubilden, dass die Verluste bei der Lichtumlenkung deutlich verkleinert werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Lichtumlenkfläche parabelförmig gekrümmt ist oder durch mehrere ebene Reflexionsflächen an eine Parabelform angenähert ist.
Durch die Parabelform der Lichtumlenkfläche wird das einfallende Licht mit kontinuierlich ansteigendem Winkel in die gewünschte Richtung reflektiert. Bei Einstrahlung von Licht mit einem relativ großen Öffnungswinkel in den Lichtleiter wird für unter unterschiedlichen Winkeln in den Lichtleiter eintretende Lichtstrahlen durch die Parabelform der Reflexionsfläche für einen deutlich größeren Teil der Lichtstrahlen die Bedingung für Totalreflexion erfüllt als bei den bekannten Ausgestaltungen. Als Folge hiervon sind die Lichtverluste durch die Lichtumlenkung deutlich kleiner.
Totalreflexion entsteht an einer Grenzfläche zwischen zwei Medien unterschiedlicher Brechzahl dann, wenn der Einfallswinkel des Lichts auf die Grenzfläche im Medium mit der höheren Brechzahl größer ist als der sogenannte Grenzwinkel. Der Grenzwinkel ist gegeben als der Sinus des Verhältnisses der Brechzahlen der beiden Medien.
In der Praxis hat sich gezeigt, daß sehr geringe Lichtverluste auch dann erreicht werden können, wenn die Lichtumlenkfläche durch mehrere ebene Reflexionsflächen an eine Parabelform angenähert ist. Bereits eine Annäherung an die Parabelform durch vier ebene Flächen, wovon zwei der Flächen als Lichtumlenkflächen mit Totalreflexion dienen, kann eine deutliche Verringerung der Lichtverluste erreicht werden. Eine Approximation der Parabelform durch ebene Flächen hat den Vorteil, dass die Flächen zur Optimierung des Lichtleiters leicht veränderbar sind.
In einer besonderen Ausführungsform erfolgt die Lichtumlenkung an der Lichtumlenkfläche um einen Winkel von 90° und die Lichtumlenkfläche wird aus mindestens zwei ebenen Teilflächen gebildet. Ein solcher Lichtleiter mit nur zwei ebenen Teilflächen für die Lichtumlenkung ist einfach realisierbar, weist jedoch bereits die verringerten Verluste ber der Lichtumlenkung auf.
Ein spezielles Anwendungsgebiet der Erfindung sind Lichtleiter, die als Kreissegment mit einem senkrecht zum Kreissegment angeordneten Lichteinlaßstutzen ausgebildet sind. Solche Lichtleiter werden insbesondere als Ringbeleuchtung um ein Kraftfahrzeugbedienelement angeordnet. Dieser erfindungsgemäße Lichtleiter erfüllt die Anforderungen für die Anwendung im Kraftfahrzeug, da er einerseits geringe Lichtverluste bei der Verwendung von Leuchtdioden mit großen Öffnungswinkeln aufweist und andererseits einfach und kostengünstig herstellbar ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Lichtleiter,
Fig. 2 einen Lichtleiter nach dem Stand der Technik.
Fig. 3 einen Ausschnitt der Frontblende eines Klimabediengeräts
Fig. 4 zwei Ansichten eines kreissegmentförmigen Lichtleiters
Fig. 2 zeigt einen Lichtleiter 1 nach dem Stand der Technik. In dem Lichtleiter 1 findet eine Lichtumleitung um 90° statt. Der Lichtleiter weist hierzu eine Lichtumlenkfläche 2 auf, die unter einem Winkel von 45° zu einer Lichteinkoppelfläche 6 angeordnet ist. Eine Lichtquelle 5 dient zur Beleuchtung.
Das von der Lichtquelle 5 ausgesandte Licht wird über die Lichteinkoppelfläche 6 in den Lichtleiter 1 eingekoppelt. Im Idealfall tritt das Licht unter einem Winkel von 90° zur Lichteinkoppelfläche 6 in den Lichtleiter 1 ein.
Aufgrund des gegebenen Öffnungswinkels der Lichtquelle 5 treten in der Praxis Lichtstrahlen jedoch unter unterschiedlichen Winkeln in den Lichtleiter 1 ein. Die abweichend vom Idealfall in den Lichtleiter eingekoppelten Lichtstrahlen werden durch eine oder mehrere Totalreflexionen zur Lichtumlenkfläche 2 geleitet. Auch auf die Lichtumlenkfläche 2 treffen die Lichtstrahlen somit unter unterschiedlichen Einfallswinkeln auf. Da eine Totalreflexion aber nur dann erfolgt, wenn der Einfallswinkel größer ist als der Winkel für Totalreflexion, tritt ein nicht zu vernachlässigender Teil des eingekoppelten Lichts an der Reflexionsfläche 2 aus dem Lichtleiter 1 aus.
Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Lichtleiter 7, bei dem ebenfalls eine Lichtumlenkung um 90° erfolgt. Der Lichtleiter 7 weist hierzu mehrere ebene, die Lichtumlenkfläche bildende Reflexionsflächen 8a, 8b, 8c auf, die zusammen mit den Begrenzungsflächen 9a, 9b des Lichtleiters 7 eine Approximation einer Parabelform darstellen. Die den Reflexionsflächen 8 gegenüberliegende Begrenzungsfläche 4 ist im Ausführungsbeispiel ebenfalls parabelförmig ausgebildet, jedoch sind auch andere Ausgestaltungen möglich.
Das von der Lichtquelle 5 ausgehende Licht wird über die Lichteinkoppelfläche 6 in den Lichtleiter 7 eingekoppelt, wobei aufgrund des Öffnungswinkels der Lichtquelle 5 wie bei Fig. 1 Lichtstrahlen unter unterschiedlichen Winkeln in den Lichtleiter 7 eingekoppelt werden. Durch das Vorhandensein mehrerer Reflexionsflächen 8 kann die Strahlumlenkung um einen Gesamtwinkel von 90° nunmehr in mehreren Einzelschritten, das heißt in mehreren Einzelreflexionen, erfolgen. In Strahlrichtung steigt der Winkel der Reflexionsflächen 8 zur Einstrahlachse 10 an. Dies heißt beispielsweise, daß die Reflexionsfläche 8b einen größeren Winkel zur Einstrahlachse 10 als die Reflexionsfläche 8a aufweist. Durch diese Ausgestaltung der Lichtumlenkfläche wird die Bedingung für Totalreflexion auch für solche Lichtstrahlen erfüllt, die unter größerer Abweichung zur Einstrahlachse 10 in den Lichtleiter 7 eintreten als bei der bekannten Ausführungsform. Die Folge hiervon sind verringerte Verluste innerhalb des Lichtleiters 7, da an den Reflexionsflächen 8 weniger Lichtstrahlen aus dem Lichtleiter 7 austreten als dies an der Reflexionsfläche 2 bei dem bekannten Lichtleiter 1 der Fall ist.
Als Material für den Lichtleiter werden insbesondere PMMA mit einer Brechungszahl von n = 1,49 und einem Grenzwinkel von 42,15° und PC mit einer Brechungszahl von n = 1,584 und einem Grenzwinkel von 42,94° bevorzugt.
Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt aus der Frontblende 11 eines Klimabediengeräts eines Kraftfahrzeugs. In der Frontblende 11 ist ein Drehknopf 12 zur Temperatureinstellung angeordnet. Um den Drehknopf 12 sind zwei verschiedenfarbige Leuchtmarkierungen 13, 14 angeordnet, die als kreissegmentförmige Lichtleiter ausgebildet sind.
In Fig. 4 sind zwei Ansichten des kreissegmentförmigen Lichtleiters 13 dargestellt. Fig. 4a entspricht der Ansicht gemäß Fig. 3, während Fig. 4b eine um 90° gedrehte Ansicht darstellt. Der Lichtleiter 13 weist einen Lichteinlaßstutzen 15 auf, der mit dem kreissegmentförmigen Teil des Lichtleiters über die parabelförmige Lichtumlenkfläche 8 verbunden ist, an der eine Lichtumlenkung um 90° erfolgt. Der kreissegmentförmige Teil des Lichtleiters weist Aktivierungen auf, die in bekannter Weise den gewünschten Lichtaustritt aus dem Lichtleiter bewirken.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Lichtleiter auch längs zu einem Bedienelement angeordnet und beispielsweise geradlinig ausgebildet sein. Weiterhin kann der Lichteinlaßstutzen auch unter anderen Winkeln als 90° angeordnet sein und die Lichtumlenkung um andere Winkel als um 90° erfolgen.

Claims

1. Starrer Lichtleiter mit einer Lichteinkoppel- und einer Lichtauskoppelfläche, wobei innerhalb des Lichtleiters eine Umlenkung eines über die Lichteinkoppelfläche in den Lichtleiter eingekoppelten Lichtstrahls an einer Lichtumlenkfläche durch Totalreflexion erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtumlenkfläche (8) parabelförmig gekrümmt ist oder durch mehrere ebene Reflexionsflächen (8a, 8b, 8c) an eine Parabelform angenähert ist.

2. Lichtleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (8; 13) zur Lichtführung eines divergent auf die Lichteinkoppelfläche (6) auftreffenden Strahlenbündels vorgesehen ist.

3. Lichtleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (13) als Kreissegment mit einem senkrecht zum Kreissegment angeordneten Lichteinlaßstutzen (15) ausgebildet ist.

4. Lichtleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtumlenkung an der Lichtumlenkfläche (8) um einen Winkel von 90° erfolgt und die Lichtumlenkfläche aus mindestens zwei ebenen Teilflächen (8a, 8b) gebildet wird.

5. Lichtleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er als Ringbeleuchtung (Leuchtmarkierungen 13, 14) um ein Kraftfahrzeugbedienelement (Drehknopf 12) angeordnet ist.

6. Lichtleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die der Lichtumlenkfläche (8) gegenüberliegende Begrenzungsfläche (4) ebenfalls parabelförmig ausgebildet ist.