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Die
Erfindung betrifft eine Leuchteinheit mit mindestens einer Leuchtdiode,
die mindestens einen lichtemittierenden Chip als Lichtquelle umfasst,
mit mindestens einem der Leuchtdiode optisch nachgeschalteten, sich
in der Lichtausbreitungsrichtung aufweitenden Lichtleitkörper und
mit einer dem Lichtleitkörper
optisch nachgeschalteten Sekundärlinse,
wobei zwei entgegengesetzt zueinander angeordnete, den Lichtleitkörper begrenzende
Flächen,
die in einem diese Flächen
schneidenden Längsschnitt
eine Bodenfläche
und eine Deckfläche
bilden, an die Lichteintrittsfläche
des Lichtleitkörpers
angrenzende gegensinnig gekrümmte
Kurvenabschnitte aufweisen, wobei die Bodenfläche einen in Bezug auf die Lichtausbreitungsrichtung
positiv gekrümmten
Kurvenabschnitt und die Deckfläche
einen in Bezug auf die Lichtausbreitungsrichtung negativ gekrümmten Kurvenabschnitt
umfasst sowie einen derartigen Lichtleitkörper.
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Aus
der
DE 10 2005
017 528 A1 ist eine derartige Leuchteinheit bekannt. Diese
Leuchteinheit erfordert eine große Sekundärlinse, um das aus dem Lichtleitkörper stark
divergent austretende Licht aufzufangen. Die Leuchteinheit erfordert
somit einen großen
Bauraum.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Problemstellung zugrunde,
eine Leuchteinheit mit einer hohen Lichtleistung zu entwickeln,
die einen geringen Bauraum beansprucht.
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Diese
Problemstellung wird mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. In dem
genannten Längsschnitt
weist mindestens eine der den Lichtleitkörper begrenzenden Kurven einen
Wendepunkt auf.
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung schematisch dargestellter Ausführungsformen.
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1:
Dimetrische Ansicht einer Leuchteinheit;
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2:
Ansicht von unten auf 1;
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3:
Anordnung der Lichtquellen;
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4:
Ansicht des Lichtleitkörpers
von der Lichteintrittsseite;
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5:
Dimetrische Ansicht des Lichtleitkörpers;
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6:
Dimetrische Ansicht des Lichtleitkörpers von unten;
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7:
Lichtaustrittsfläche;
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8:
Längsschnitt
einer Leuchteinheit;
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9:
Ansicht eines Lichtleitkörpers
schräg von
oben;
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10:
Strahlengang der Leuchteinheit;
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11:
Strahlengang im Lichtleitkörper;
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12:
Lichtverteilungsdiagramm;
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13:
Lichtaustrittsfläche
mit versetztem Übergangsbereich;
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14:
Lichtaustrittsfläche
mit gekrümmten Unterkanten;
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15:
Lichtverteilkörper
mit gewölbten Übergangsbereich
von unten.
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Die 1 und 2 zeigen
eine Leuchteinheit (10), z.B. ein Lichtmodul (10)
eines Kraftfahrzeugscheinwerfers, in einer dimetrischen Ansicht und
in einer Ansicht von unten. Das Lichtmodul (10) umfasst
z.B. eine Lumineszenzdiode (20), eine Primäroptik (30)
und eine Sekundäroptik
(90). Die Lichtausbreitungsrichtung (15) ist von
der Lumineszenzdiode (20) in Richtung der Sekundäroptik (90) orientiert.
Die optische Achse (11) des Lichtmoduls (10) schneidet
hier die geometrische Mitte der Lumineszenzdiode (20) und
durchdringt die Primär-
(30) und die Sekundäroptik
(90).
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Die
Lumineszenzdiode (20), z.B. eine Leuchtdiode (20),
sitzt beispielsweise in einem Sockel (26) und umfasst in
diesem Ausführungsbeispiel eine
Gruppe (21) von vier lichtemittierende Chips (22–25),
die in einem Quadrat angeordnet sind, vgl. 3. Jede
der Lichtquellen (22–25)
hat somit zwei unmittelbar benachbarte lichtemittierende Chips (23, 24; 22, 25; 22, 25; 23, 24).
Die lichtemittierenden Chips (22–25) der Gruppe (21)
können
auch im Rechteck, im Dreieck, im Sechseck, in einem Kreis mit oder
ohne mittige Lichtquelle, etc. angeordnet sein. Der einzelne lichtemittierende
Chip (22–25)
ist in diesem Ausführungsbeispiel
quadratisch und hat z.B. eine Kantenlänge von einem Millimeter. Der
Abstand der lichtemittierenden Chips (22–25)
zueinander beträgt
beispielsweise ein Zehntel Millimeter. Auch eine Ausführung mit
einem einzelnen lichtemittierenden Chip (22; 23; 24; 25)
ist denkbar. Die Leuchtdiode (20) hat hier einen transparenten
Körper,
der in der Lichtausbreitungsrichtung (15) vom Sockel (26)
aus eine Länge
von z.B. 1,6 Millimetern hat.
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Die
Primäroptik
(30) umfasst in dem in den 1 und 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel einen
Lichtleitkörper
(31) und eine dem Lichtleitkörper (31) in der Lichtausbreitungsrichtung
(15) nachgeschaltete optische Linse (81). Der
Abstand des Lichtleitkörpers
(31) zur Leuchtdiode (20) beträgt beispielsweise einige Zehntel
Millimeter, z.B. zwischen 0,2 Millimeter und 0,5 Millimeter. Der
Zwischenraum (16) zwischen dem Lichtleitkörper (31)
und der Leuchtdiode (20) kann z.B. mit einem silikonartigen, transparenten
Werkstoff gefüllt
sein.
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Der
Lichtleitkörper
(31) ist ein Kunststoffkörper aus einem hochtransparenten,
thermoplastischen Werkstoff, z.B. Polymethacrylsäuremethylester (PMMA) oder
Polycarbonat (PC). Dieser Werkstoff des beispielsweise als Vollkörper ausgebildeten Lichtleitkörpers (31)
hat z.B. eine Brechzahl von 1,49. Die Länge des Lichtleitkörpers (31)
beträgt
in diesem Ausführungsbeispiel
13,5 Millimeter. Der Lichtleitkörper
(31) der hier beschriebenen Leuchteinheit (10) kann
z.B. auch eine Länge
zwischen 15 und 16 Millimetern aufweisen.
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In
den 4–7 ist
der Lichtleitkörper (31)
im Detail dargestellt. Hierbei zeigt die 4 eine Ansicht
des Lichtleitkörpers
(31) von der Lichteintrittsseite (32) aus. In
den 5 und 6 sind dimetrische Ansichten
des Lichtleitkörpers
(31) dargestellt und die 7 zeigt
die Lichtaustrittsfläche
(34). Die den Lichtquellen (22–25) zugewandte Lichteintrittsfläche (32)
und die den Lichtquellen (22–25) abgewandte Lichtaustrittsfläche (34)
sind in diesem Ausführungsbeispiel
parallel zueinander und normal zur optischen Achse (11)
angeordnet. Die Lichteintrittsfläche
(32) ist hier eine trapezförmige, ebene Fläche. Die
kurze Grundlinie, sie hat z.B. eine Länge von 2,4 Millimetern, ist
unten angeordnet. Die obenliegende lange Grundlinie ist beispielsweise 3,02
Millimeter lang. Der Flächeninhalt
der Lichteintrittsfläche (32)
beträgt
in diesem Ausführungsbeispiel
5,5 Quadratmillimeter. Die Lichteintrittsfläche (32) kann auch quadratisch,
rechteckig, etc. sein.
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Die
Lichtaustrittsfläche
(34) hat beispielsweise einen Flächeninhalt von 44 Quadratmillimetern. Ihre
Höhe beträgt hier
5,8 Millimeter, ihre maximale Breite 9 Millimeter. Die Lichtaustrittsfläche (34)
hat im Ausführungsbeispiel
zumindest annähernd
die Gestalt eines Abschnitts eines Ovals. Die gedachte Mittellinie
der Lichtaustrittsfläche
(34) ist beispielsweise um 7% der Höhe der Lichtaustrittsfläche (34)
in bezug auf die optische Achse (11) nach unten versetzt. Die
Unterkante (35) der Lichtaustrittsfläche (34) hat zwei
in der Höhe
zueinander versetzte Abschnitte (36, 37), die
mittels eines Verbindungsabschnitts (38) miteinander verbunden
sind.
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Die
Seitenflächen
(41, 43) des Lichtleitkörpers (31) sind spiegelbildlich
zueinander angeordnet. Sie umfassen jeweils einen ebenen Flächenabschnitt (42, 44).
Diese Flächenabschnitte
(42, 44) liegen in Ebenen, die z.B. miteinander
einen in Richtung des Lichtleitkörpers
(31) orientierten Winkel von 13 Grad einschließen. Die
gedachte Schnittlinie der Ebenen liegt unterhalb des Lichtleitkörpers (31).
Die hier als ebene Flächenabschnitte
(42, 44) bezeichneten Flächenabschnitte (42, 44)
können
auch z.B. in Längsrichtung
tordiert sein.
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Die
in den 4 und 5 obenliegende Deckfläche (51)
des Lichtleitkörpers
(31) umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen zylindrisch
aufgezogenen Parabelflächenabschnitt
(52), einen einachsig gebogenen Flächenabschnitt (53)
und einen ebenen Flächenabschnitt
(54). Diese Flächenabschnitte (52–54)
sind in der Lichtausbreitungsrichtung (15) hintereinander
angeordnet, wobei der Parabelflächenabschnitt
(52) an die Licht eintrittsfläche (32) angrenzt
und der ebene Flächenabschnitt
(54) an die Lichtaustrittsfläche (34) angrenzt.
Die gedachten Krümmungsachsen
der Flächenabschnitte
(52, 53) liegen beispielsweise parallel zur Oberkante
(33) der Lichteintrittsfläche (32).
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Die
Länge des
Parabelflächenabschnitts (52)
beträgt
z.B. 30% der Länge
der Deckfläche
(51). Die Brennlinie (55) der zugehörigen Parabelfläche liegt
in diesem Ausführungsbeispiel
z.B. mittig in der Lichteintrittsfläche (32). Sie ist
beispielsweise parallel zur oberen Kante (33) der Lichteintrittsfläche (32)
orientiert und schneidet z.B. die optische Achse (11). Der
Parabelflächenabschnitt
(52) ist somit in Bezug auf die Lichtausbreitungsrichtung
(15) mathematisch negativ, d.h. im Uhrzeigersinn, gekrümmt.
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In
den 8 und 11 ist die Deckfläche (51)
im Längsschnitt
als Kurve (61) und der Parabelflächenabschnitt (52)
als Parabelabschnitt (62) dargestellt. Der Parabelabschnitt
(62) ist Teil einer Kurve z.B. zweiter Ordnung. Er ist
beispielsweise um 118 Grad im Uhrzeigersinn gegenüber einer
Parabel gedreht, die symmetrisch zur nach oben orientierten Ordinate
eines in der Zeichnungsebene liegenden kartesischen Koordinatensystems
liegt. Der gedachte Drehpunkt der Parabel – und des auf die Parabel bezogene
Koordinatensystems – ist
der Brennpunkt (65) als Punkt der Brennlinie (55).
Die Abszisse des parabelbezogenen Koordinatensystems ist die Leitlinie
der Parabel, die Ordinate schneidet die Brennlinie (55).
Der Abstand des Brennpunktes vom Ursprung des parabelbezogenen Koordinatensystems
beträgt in
diesem Ausführungsbeispiel
1,49 Millimeter. Mit y als Ordinatenwert und x als Abszissenwert
des parabelbezogenen Koordinatensystems hat die hier dargestellte
Parabel zumindest annähernd
die Gleichung: y = 0,15·x2 + x
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Die
Länge des
gebogenen Flächenabschnitts
(53) beträgt
beispielsweise 45% der Länge des
Lichtleitkörpers
(31). Der Biegeradius entspricht z.B. der zweieinhalbfachen
Länge des
Lichtleitkörpers
(31). Die Biegelinie liegt außerhalb des Lichtleitkörpers (31)
auf der Seite der Deckfläche
(51). Der Flächenabschnitt
(53) ist somit mathematisch positiv, entgegen des Uhrzeigersinns,
gekrümmt.
Der Übergang
zwischen dem Parabelflächenabschnitt
(52) und dem gebogenen Flächenabschnitt (53)
ist tangential. Die Deckfläche
(51) hat in diesem Übergang eine
Wendelinie (56). Im Längsschnitt,
vgl. die 8 und 11, hat
die Kurve (61) einen Wendepunkt (66).
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Der
gebogene Flächenabschnitt
(53) geht in den ebenen Flächenabschnitt (54) über. Letzterer schließt beispielsweise
mit einer Ebene normal zur Lichteintrittsfläche (32), in der die
obere Kante (33) liegt, einen Winkel von 12 Grad ein. Im
Längsschnitt hat
die Kurve (61) hier einen geraden Abschnitt (64).
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Die
oberen Längskanten
des in den 4 und 5 dargestellten
Lichtleitkörpers
(31) sind abgerundet. Der Rundungsradius steigt in der
Lichtausbreitungsrichtung (15) z.B. linear von Null Millimeter auf
vier Millimeter an. Die Abrundungen (57) können auch
bereichsweise stetig ausgebildet sein. Sie gehen tangential in die
angrenzenden Flächen
(41, 51; 43, 51) über. In
den 5 und 6 sind diese Übergänge zur
Verdeutlichung als Volllinien dargestellt. Auch eine Ausführung ohne
Abrundungen (57) ist denkbar.
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Die
Bodenfläche
(71) des Lichtleitkörpers (31)
umfasst in diesem Ausführungsbeispiel
zwei zueinander versetzte Parabelflächenabschnitte (72, 73),
die zylindrisch aufgezogen sind. Die beiden Parabelflächenabschnitte
(72, 73) sind z.B. um eine ge meinsame Achse, beispielsweise
die obere Kante (33) der Lichteintrittsfläche (32),
gegeneinander verdreht. Der Verdrehungswinkel beträgt in diesem
Ausführungsbeispiel
2 Grad, wobei beispielsweise der in der Lichtausbreitungsrichtung
(15) links gelegene Parabelflächenabschnitt (73)
weiter aus dem Lichtleitkörper
(31) herausragt als der rechts gelegene Parabelflächenabschnitt
(72). Die beiden Parabelflächenabschnitte (72, 73)
haben z.B. eine gemeinsame Brennlinie (74), die beispielsweise
mit der oberen Kante (33) der Lichteintrittsfläche (32)
zusammenfällt.
Der Auslauf beider Parabelflächenabschnitte (72, 73)
an der Lichtaustrittsfläche
(34) liegt parallel zur optischen Achse (11).
Hierbei stößt der Parabelflächenabschnitt
(72) an den Unterkantenabschnitt (36) und der
Parabelflächenabschnitt
(73) an den Unterkantenabschnitt (37).
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In
dem in den 8 und 11 dargestellten
Längsschnitt
ist z.B. der Parabelflächenabschnitt (72)
ein Parabelabschnitt (76). Die zugehörige Parabel ist beispielsweise
um 71,5 Grad im Uhrzeigersinn gegenüber einer Parabel gedreht,
die symmetrisch zur nach oben orientierten Ordinate eines in der Zeichnungsebene
liegenden kartesischen Koordinatensystems liegt. Der gedachte Drehpunkt
der Parabel – und
des auf die Parabel bezogene Koordinatensystems – ist der Brennpunkt (78)
als Punkt der Brennlinie (74). Die Abszisse des parabelbezogenen Koordinatensystems
ist die Leitlinie der Parabel, die Ordinate schneidet den Brennpunkt
(78). Der Abstand des Brennpunktes (78) vom Ursprung
des parabelbezogenen Koordinatensystems beträgt in diesem Ausführungsbeispiel
2,59 Millimeter. Mit y als Ordinatenwert und x als Abszissenwert
des parabelbezogenen Koordinatensystems hat die hier dargestellte
Parabel zumindest annähernd
die Gleichung: y = 0,17·x2 + 0,15·x + 1,05.
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Zwischen
den beiden Parabelflächenabschnitten
(72, 73) liegt in diesem Ausführungsbeispiel ein Übergangsbereich
(75). Dieser ist zumindest annähernd mittig entlang der Bodenfläche (71) angeordnet.
Er schließt
mit den angrenzenden Parabelabschnittsflächen (72, 73)
z.B. einen Winkel von 135 Grad ein. Die Höhe des Übergangsbereichs (75) nimmt
damit in der Lichtausbreitungsrichtung (15) zu. In diesem
Ausführungsbeispiel
beträgt
die Höhe
des Übergangsbereichs
(75) am Übergangsbereich
(38) der Lichtaustrittsfläche (34) 0,5 Millimeter.
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Die
optische Linse (81) der Primäroptik (30) ist z.B.
eine plankonvexe asphärische
Sammellinse (81), beispielsweise eine Kondensorlinse. Die
Planseite (82) der Linse (81) liegt in der Darstellung
der 1 und 2 an der Lichtaustrittsfläche (34)
des Lichtleitkörpers
(31) an. Die optische Linse (81) kann auch in
den Lichtleitkörper
(31) integriert sein. Der maximale Durchmesser der optischen
Linse (81) ist beispielsweise 30% größer als die Länge des
Lichtleitkörpers
(31). Der Längsschnitt
der optischen Linse (81) ist z.B. ein Segment einer Ellipse,
deren große
Achse das Zweieinhalbfache und deren kleine Achse 160% der Länge des
Lichtleitkörpers
(31) beträgt.
Die Dicke der optischen Linse (81) beträgt hier 50% der Länge des
Lichtleitkörpers
(31). Gegebenenfalls kann das Lichtmodul (10)
ohne die optische Linse (81) ausgeführt sein, vgl. die 8 und 10.
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Die
Sekundäroptik
(90) umfasst in diesem Ausführungsbeispiel eine Sekundärlinse (91).
Diese ist beispielsweise eine asphärische plankonvexe Linse. Die
Hüllgestalt
dieser Linse ist z.B. ein Kugelabschnitt. Das Zentrum (95)
der Sekundärlinse
(91) und die Unterkante (35) der Lichtaustrittsfläche (34)
des Lichtleitkörpers
(31) haben beispielsweise zumindest annähernd den gleichen Abstand
zur optischen Achse (11) des Lichtmoduls (10).
Der Radius des Kugelabschnitts beträgt in der Darstellung der 1 und 2 240%
und die Höhe
110% der Länge
des Lichtleitkörpers
(31). Der maximale Abstand der Planfläche (92) von der Lichtaustrittsfläche (93),
die Dicke der Sekundärlinse
(91) entspricht z.B. der Länge des Lichtleitkörpers (31).
Der Abstand der Sekundärlinse (91)
von der Lichtaustrittsfläche
(34) beträgt
z.B. 260% der Länge
des Lichtleitkörpers
(31).
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Beim
Betrieb des Lichtmoduls (10) wird Licht (100)
z.B. von allen Lichtquellen (22–25) emittiert und tritt
durch die Lichteintrittsfläche
(32) hindurch in den Lichtleitkörper (31). Jeder lichtemittierende
Chip (22–25)
wirkt als Lambert'scher
Strahler, der Licht (100) im Halbraum emittiert.
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In
der 10 ist exemplarisch ein Strahlengang eines Lichtmoduls
(10) in einem Längsschnitt des
Lichtmoduls (10) dargestellt. Das hier gezeigte Lichtmodul
(10) entspricht dem in der 8 dargestellten
Lichtmodul (10). Den Strahlengang innerhalb des Lichtleitkörpers (31)
zeigt vergrößert die 11.
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In
den 10 und 11 sind
exemplarisch Lichtstrahlen (101–109) dargestellt,
die von zwei übereinander
angeordneten lichtemittierenden Chips (23, 25)
emittiert werden. Die lichtemittierenden Chips (23, 25)
sind hier als punktförmige
Lichtquellen dargestellt. Vom oberen lichtemittierenden Chip (23) sind
beispielsweise die Lichtstrahlen (101–105) gezeigt, die
um 15 Grad versetzt zueinander emittiert werden. Hierbei wird beispielsweise
der Lichtstrahl (101) um 45 Grad nach oben emittiert, während der Lichtstrahl
(105) um 45 Grad nach unten in bezug auf die optische Achse
(11) emittiert wird. Die entsprechenden Lichtstrahlen des
unteren lichtemittierenden Chips (25) sind die Lichtstrahlen
(106–109).
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Licht
(103), das vom oberen lichtemittierenden Chip (23)
parallel zur optischen Achse (11) emittiert wird, durchdringt
die Lichtaustrittsfläche
(34) des Lichtleitkörpers
(31) in normaler Richtung. Es trifft auf die Planfläche (92)
der Sekundärlinse
(91) ebenfalls in normaler Richtung auf, durchdringt die
Sekundärlinse
(91) und wird beim Austritt aus der Sekundärlinse (91)
beispielsweise vom Lot im Durchtrittspunkt weg gebrochen.
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Die
vom oberen lichtemittierenden Chip (23) emittierten Lichtstrahlen
(102), die mit der optischen Achse (11) einen
nach oben gerichteten Winkel von 15 Grad und von 30 Grad einschließen, treffen
auf eine obere Grenzfläche
(151) des Lichtleitkörpers (31).
Diese obere Grenzfläche
(151) wird durch die Deckfläche (51) gebildet
und hat maximal deren Größe. Der
jeweilige Auftreffpunkt liegt hier im Bereich der Parabelfläche (52).
Die auftreffenden Lichtstrahlen (102) schließen mit
der Normalen im Auftreffpunkt einen Winkel ein, der größer ist
als der Grenzwinkel der Totalreflexion für den Übergang des Werkstoffs des
Lichtleitkörpers
(31) mit Luft. Die obere Grenzfläche (151) bildet somit
eine Totalreflexionsfläche (151)
für das
auftreffende Licht (102). Die reflektierten Lichtstrahlen
(102) durchtreten die Lichtaustrittsfläche (34), wobei sie
vom Lot im Durchtrittspunkt weg gebrochen werden. Beim Eintritt
in die Sekundärlinse
(91) werden die hier annähernd parallel liegenden Lichtstrahlen
(102) in Richtung des Lots im jeweiligen Durchtrittpunkt
gebrochen und beim Austritt in die Umgebung (1) vom Lot
weg gebrochen. Die dargestellten Lichtstrahlen (102) treten
hier im unteren Segment der Sekundärlinse (91) in die
Umgebung (1).
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Das
Licht (101), das unter einem nach oben gerichteten Winkel
von 45 Grad vom oberen lichtemittierenden Chip (23) emittiert
wird, wird zunächst an
der oberen Totalreflexionsfläche
(151) reflektiert. Das reflektierte Licht (101)
trifft auf die untere Grenzfläche
(161). Der Auftreffwinkel des Lichts (101) und die
Normale im Auftreffpunkt schließen
einen Winkel ein, der größer ist
als der Grenzwinkel der Totalreflexion. Die untere Begrenzungsfläche (161)
wirkt damit für
das auftreffende Licht (101) als untere Totalreflexionsfläche (161).
Das an dieser Totalreflexionsfläche
(161) reflektierte Licht (101) durchdringt die Lichtaustrittsfläche (34)
und die Sekundärlinse
(91), wobei es beim Durchtritt durch die jeweiligen Körpergrenzflächen (34, 92, 93)
gebrochen wird. Dieses Licht (101) tritt im oberen Segment
der Sekundärlinse (91)
in die Umgebung (1).
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Der
in den 10 und 11 gezeigte Lichtstrahl
(104) des oberen lichtemittierenden Chips (23),
der mit der optischen Achse (11) einen nach unten gerichteten
Winkel von 15 Grad einschließt,
wird im Lichtleitkörper
(31) nicht reflektiert. Er wird beim Durchtritt durch die
Lichtaustrittsfläche
(34) und durch die Sekundärlinse (91) gebrochen.
Dieser Lichtstrahl (104) liegt im unteren Segment der Sekundärlinse (91).
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Das
in den genannten 10 und 11 unter
einem nach unten gerichteten Winkel von 30 Grad und von 45 Grad
zur optischen Achse (11) emittierte Licht (105)
wird an der unteren Grenzfläche (161)
totalreflektiert und tritt unter Brechung durch die Lichtaustrittsfläche (34)
und die Sekundärlinse
(91) hindurch in die Umgebung (1). Dieses Licht
(105) liegt im oberen Segment der Sekundärlinse (91).
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Das
vom unteren lichtemittierenden Chip (25) parallel zur optischen
Achse (11) emittierte Licht (108) ist zumindest
annähernd
parallel zum Licht (103) des oberen lichtemittierenden
Chips (23).
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Licht
(107), das unter einem nach oben gerichteten Winkel von
15 Grad emittiert wird, trifft im Bereich der Wendelinie (56)
auf die obere Grenzfläche
(151). Hier wird es vollständig reflektiert und tritt unter
Brechung durch die Lichtaustrittsfläche (34) und das untere
Segment der Sekundärlinse
(91) hindurch in die Umgebung (1).
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Die
in den 10 und 11 unter
30 Grad und unter 45 Grad zur optischen Achse (11) nach oben
dargestellten, vom unteren lichtemittierenden Chip (25)
emittierten Lichtstrahlen (106) werden an der oberen (151)
und an der unteren Grenzfläche (161)
reflektiert.
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Die
Lichtstrahlen (109) des unteren lichtemittierenden Chips
(25), die mit der optischen Achse (11) einen nach
unten gerichteten Winkel von 15, 30 und 45 Grad einschließen, werden
an der unteren Grenzfläche
(161) reflektiert. Unter Brechung durchdringen sie die
Lichtaustrittsfläche
(34) und die Sekundärlinse
(91). Beispielsweise liegen die in die Umgebung (1)
austretenden Lichtstrahlen (109) annähernd symmetrisch zur optischen
Achse (11).
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Von
dem gesamten von den Lichtquellen (22–25) emittierten Licht
(100) wird in diesem Ausführungsbeispiel 48% an der unteren
Grenzfläche
(161) reflektiert und 26% des Lichts an der oberen Grenzfläche (151)
reflektiert.
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In
der Ansicht von unten, vgl. 2, wird
das Lichtbündel
(100) beispielsweise auf einen Winkel von 17 Grad aufgeweitet.
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Die
vom Lichtmodul (10) erzeugte Beleuchtungsstärkeverteilung
(170), beispielsweise auf einer 25 Meter entfernten Wand,
ist in der 12 dargestellt. Die Mittellinie
(95) der Se kundärlinse
(91) durchdringt die Messwand z.B. im Schnittpunkt (171) zweier
Bezugsgitternetzlinien (172, 173). In dieser Darstellung
haben auf der Messwand die horizontalen Gitternetzlinien (172)
zueinander einen Abstand von zwei Metern. Die Abstände der
vertikalen Gitternetzlinien (173) zueinander beträgt hier
z.B. fünf
Meter. Die einzelnen Isolinien (174) sind Linien gleicher Beleuchtungsstärke. Die
Beleuchtungsstärke,
gemessen in Lux oder in Lumen pro Quadratmeter, steigt in diesem
Diagramm von außen
nach innen an. Eine innenliegende Isolinie (174) hat z.B.
die 1,8-fache Beleuchtungsstärke
einer weiter außen
gelegenen Isolinie.
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Auf
der Messwand bildet die Sekundärlinse (91)
die Lichtaustrittsfläche
(34) oder (83) der Primäroptik (30) ab. Diese
Lichtaustrittsfläche
(34, 83) kann die Lichtaustrittsfläche (34)
des Lichtleitkörpers
(31) oder die konvexe Fläche (83) der Kondensorlinse (81)
sein. Der Bereich (175) der höchsten Beleuchtungsstärke, der
sogenannte Hot Spot (175), liegt hier rechts unterhalb
des Schnittpunkts (171). Nach oben hin fällt die
Beleuchtungsstärke
an der Hell-Dunkel-Grenze
(176) rapide ab. Die Hell-Dunkel-Grenze (176)
ist hier z-förmig
ausgebildet. Sie hat in dieser Darstellung rechts einen höherliegenden Abschnitt
(177) und links einen tieferliegenden Abschnitt (178).
Beide Abschnitte (177, 178) sind mittels eines
Verbindungsabschnittes (179) miteinander verbunden, der
mit den beiden anderen Abschnitten (177, 178)
jeweils einen Winkel von z.B. 135 Grad einschließt. In dieser Hell-Dunkel-Grenze
(176) wird die Unterkante (35) der Lichtaustrittsfläche (34)
der Primäroptik
(30) abgebildet.
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Die
in der 12 dargestellte Beleuchtungsstärkeverteilung
zeigt einen breiten ausgeleuchteten Bereich (181), dessen
Beleuchtungsstärke
in der Breite mit der Entfernung vom Schnitt- Punkt (171) abnimmt. Nach unten
hin hat der ausgeleuchtete Bereich (181) eine Höhe von z.B.
vier bis sechs Metern.
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Beim
Betrieb z.B. mehrerer Lichtmodule (10) ergibt sich so ein
unscharf begrenzter, streifen- und fleckenfrei ausgeleuchteter Bereich
(181) mit einer scharfen, z-förmigen Hell-Dunkel-Grenze (176).
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Das
in den Ausführungsbeispielen
dargestellte Lichtmodul (10) hat aufgrund seiner geometrischen
Gestaltung eine hohe Lichtleistung und erfordert nur einen geringen
Bauraum. Die mit einem derartigen Lichtmodul (10) ohne
zusätzliche
Entspiegelungen erreichbare relative Auskoppeleffizienz liegt bei
97% der maximal möglichen
Auskoppeleffizienz. Dies entspricht einem Absolutwert von 80% bis
82%.
-
Um
die Höhenlage
der Lichtverteilung zu ändern,
können
die unteren Parabelflächenabschnitte (72, 73)
um die Brennlinie (74) gedreht werden. So bewirkt in der
Ansicht nach 8 eine Verdrehung der Parabelflächen (72, 73)
im Uhrzeigersinn eine Erhöhung
der Lichtverteilung. Gleichzeitig kann – wenn die optische Achse (11)
nicht verstellt wird – die Hell-Dunkel-Grenze (176)
nach oben verlagert werden. Die Intensität des Hot-Spots (175)
bleibt hierbei erhalten.
-
Die
Lichtverteilung an der Messwand ergibt sich durch Überlagerung
verschiedener Lichtanteile, vgl. 10. Beispielsweise
wird der Hot-Spot (175) durch Überlagerung von Lichtanteilen
erzeugt, die vom oberen lichtemittierenden Chip (23) in
einem Segment zwischen z.B. 0 Grad und z.B. 15 Grad nach unten und
nach oben begrenzt wird mit Lichtanteilen, die vom unteren lichtemittierenden
Chip (25) zwischen beispielsweise 0 Grad und z.B. 15 Grad nach
oben sowie zwischen z.B. 30 Grad und z.B. 45 nach unten begrenzt
wird.
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Um
die Intensität
des Hot-Spots (175) zu verändern, kann z.B. der obenliegende
Parabelflächenabschnitt
(52) verändert
werden. So kann beispielsweise – im
Längsschnitt
des Lichtleitkörpers
(31) betrachtet – eine
Verdrehung des Parabelflächenabschnitts
(52) im Uhrzeigersinn eine Schwächung der Intensität bedeuten.
Eine Veränderung
des Auslaufs (54) der Deckfläche (51) verändert den
Gradienten der Lichtstarkenverteilung.
-
Außerdem kann
durch Versetzen des Anfangs des Verbindungsbereiches die Höhe der Beleuchtungsstärke im Hot
Spot (175) und um den Hot Spot (175) gezielt kontrolliert
werden. Eine ungünstige
Wahl kann eine Abschwächung
des Hot Spots (175) bewirken.
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Mittels
der Kondensorlinse (81) kann das aus der Lichtaustrittsfläche (34)
austretende Licht (100) zusätzlich gebündelt werden. Somit kann eine
Sekundärlinse
(91) geringen Durchmessers eingesetzt werden. Die konvexe
Flache (83) der Kondensorlinse (81) ist beispielsweise
eine asphärische
Fläche.
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Auch
der Abstand der Sekundär-
(90) von der Primäroptik
(30) beeinflusst die Beleuchtungsstärkeverteilung. Um das bei einem
großen
Abstand das aus der Primäroptik
(30) divergent austretende Licht (100) zu bündeln, ist
eine größere Sekundärlinse (91)
erforderlich als bei einem kleinen Abstand. Die größere Sekundärlinse (91)
erlaubt – bei
identischem Lichtleitkörper
(31) – die
Ausbildung des Hot Spots (175), während zur Ausbildung einer
Grundlichtverteilung ein kleiner Abstand zwischen Primär- (30)
und Sekundäroptik
(90) und eine kleiner Sekundärlinse (91) erforderlich
ist.
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Mittels
der seitlichen Flächen
(41, 43) und der Abrundungen (57) kann
die Lichtverteilung an den Seiten des ausgeleuchteten Bereichs (181)
beeinflusst werden. Eine Verdrehung der Seitenflächen (41, 43) – bei festliegender
Unterkante (35) – zueinander
verringert die Breite des Lichtverteilungsdiagramms (171),
vgl. 12. Eine Verringerung der Radien der Abrundungen
(57) bewirkt einen schärferen Übergang
vom ausgeleuchteten zum nicht ausgeleuchteten Bereich in den Ecken.
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In
der 13 ist eine Lichtaustrittsfläche (34) eines Lichtleitkörpers (31)
dargestellt. Die Hauptabmessungen dieser Lichtaustrittsfläche (34)
entsprechen den Hauptabmessungen der in der 7 dargestellten
Lichtaustrittsfläche
(34). Der Übergangsbereich
(75) zwischen den Parabelflächen (72, 73)
ist im Vergleich zur 7 nach links verschoben. Bei der
Montage mehrerer Lichtmodule (10) werden diese so angeordnet,
dass beim Betrieb die Verbindungsabschnitte (179) zusammenfallen.
Somit überlappen
sich zwei asymmetrisch aufgeteilte Beleuchtungsprofile nur teilweise.
In der Mitte, im Bereich des gewünschten
Hot-Spots (175) und an der z-förmigen Hell-Dunkel-Grenze (176),
wird so ein Bereich hoher Beleuchtungsstärke im Vergleich zu den seitlichen Bereichen
erreicht.
-
Die
beiden Parabelflächen
(72, 73) können, wie
in der 14 gezeigt, zueinander geneigt
sein. Hiermit können
beispielsweise verzerrte Abbildungen in der Zielebene kompensiert
werden. Die Parabelflächen
(72, 73) können
auch in Querrichtung gewölbt sein.
Gegebenenfalls können
sie z.B. in dem an die Lichtaustrittsfläche (34) angrenzenden
Drittel des Lichtleitkörpers
(31) zusätzlich
modifiziert sein.
-
Der
Verbindungsabschnitt (75) kann entlang des Lichtverteilkörpers (31)
gewölbt
sein, vgl. 15. Die Schärfe der Hell-Dunkel-Grenze
(176) wird hiermit nicht beeinflusst. Al lerdings kann hiermit die
Lichtkonzentration in der Nähe
des Hot-Spots (175) beeinflusst werden. Eine z.B. seitlich
verkippte Anordnung des Lichtleitkörpers (31) bewirkt
eine Verschiebung des Schwerpunkts der Beleuchtungsstärkeverteilung
(181) an der Wand. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Lichteintritts-
(32) und die Lichtaustrittsfläche (34) nicht parallel
zueinander.
-
Der
Verbindungsabschnitt (75) kann im Übergang zu den Parabelflächen (72, 73) Übergangsradien
(77) aufweisen, vgl. 6.
-
Der
Lichtleitkörper
(31) kann auch zwei untenliegende Parabelflächen (72, 73)
umfassen, die unmittelbar einander angrenzen und z.B. um 15 Grad zueinander
geneigt sind. Hiermit kann beispielsweise eine Ausleuchtung mit
einem 15 Grad-Anstieg erzeugt werden.
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Es
ist auch denkbar, die Bodenfläche
(71) mit nur einer durchgehenden Parabelfläche (72; 73)
auszuführen,
vgl. 9. Mit einem derartigen Lichtmodul (10)
wird beispielsweise eine waagerechte Hell-Dunkel-Grenze (176)
erzeugt. Das entsprechende Lichtmodul (10) kann hierbei
so ausgeführt
sein, dass ein Hot-Spot
(175) erzeugt wird. Auch in diesem Ausführungsbeispiel hat die Deckfläche (51)
einen Parabelflächenabschnitt
(52), einen gebogenen Flächenabschnitt (53)
und einen ebenen Flächenabschnitt
(54). Zwischen dem Parabelflächenabschnitt (52)
und dem gebogenen Flächenabschnitt
(54) liegt eine Wendelinie (56).
-
Die
Bodenfläche
(71) kann zumindest bereichsweise durch eine Schar nebeneinander
liegender, in der Lichtausbreitungsrichtung (15) orientierter Parabeln
beschrieben werden. Diese Parabeln können unterschiedliche Parameter
aufweisen.
-
Die
Bodenfläche
(71) und die Deckfläche (51)
des Lichtleitkörpers
(31) können
auch vertauscht sein, so dass die hier als Bodenfläche (71)
bezeichnete Fläche
oben liegt. Die Beleuchtungsstärkeverteilung
ist dann so ausgebildet, dass die Hell-Dunkel-Grenze (176) unten liegt.
-
Die
hier beschriebenen Flächen
können Hüllflächen sein.
So können
die einzelnen Flächenabschnitte
z.B. Freiformflächen
sein, deren Hüllfläche z.B.
Parabelfläche
sind. Die Brennlinien (55, 74) können z.B.
in der Lichtausbreitungsrichtung (15) verschoben sein.
-
Auch
ist es denkbar, beispielsweise den Parabelflächenabschnitt (52)
der Deckfläche
(51) mit einzelnen Stufen auszuführen. Von jeweils zwei einander
angrenzenden Grenzflächenabschnitten
des Lichtleitkörpers
(31) umfasst dann ein Begrenzungsflächenabschnitt eine z.B. parabelflächenartige
Totalreflexionsfläche
(151) für
das vom oberen lichtemittierenden Chip (23) emittierte
Licht (101–105),
während
der andere Grenzflächenabschnitt
eine Totalreflexionsfläche
für das
vom unteren lichtemittierenden Chip (25) emittierte Licht
(106–109)
umfasst. Gegebenenfalls kann auch die Bodenfläche (71) gestuft ausgeführt sein.
-
- 1
- Umgebung
- 10
- Leuchteinheit,
Lichtmodul
- 11
- optische
Achse
- 15
- Lichtausbreitungsrichtung
- 16
- Zwischenraum
- 20
- Leuchtdiode,
Lumineszenzdiode
- 21
- Gruppe
von Lichtquellen
- 22–25
- Lichtquellen,
lichtemittierende Chips
- 26
- Sockel
- 30
- Primäroptik
- 31
- Lichtleitkörper
- 32
- Lichteintrittsfläche
- 33
- obere
Kante von (32)
- 34
- Lichtaustrittsfläche
- 35
- Unterkante
von (34)
- 36,
37
- Abschnitte
von (35)
- 38
- Übergangsabschnitt
von (35)
- 41
- Seitenfläche
- 42
- ebener
Flächenabschnitt
- 43
- Seitenfläche
- 44
- ebener
Flächenabschnitt
- 51
- Deckfläche
- 52
- Parabelflächenabschnitt
- 53
- gebogener
Flächenabschnitt
- 54
- ebener
Flächenabschnitt;
Auslauf von (51)
- 55
- Brennlinie
- 56
- Wendelinie
- 57
- Abrundungen
- 61
- Kurve
- 62
- Kurvenabschnitt,
Parabelabschnitt
- 64
- gerader
Abschnitt
- 65
- Brennpunkt
von (62)
- 66
- Wendepunkt
- 71
- Bodenfläche
- 72
- Parabelflächenabschnitt
- 73
- Parabelflächenabschnitt
- 74
- Brennlinie
- 75
- Übergangsbereich
- 76
- Kurvenabschnitt,
Parabelabschnitt
- 77
- Übergangsradius
- 78
- Brennpunkt
von (76)
- 81
- optische
Linse, Sammellinse, Kondensorlinse
- 82
- Planseite
- 83
- konvexe
Fläche,
Lichtaustrittsfläche
von (81)
- 90
- Sekundäroptik
- 91
- Sekundärlinse
- 92
- Planfläche
- 93
- Lichtaustrittsfläche
- 95
- Mittellinie
von (91)
- 100
- Licht,
Lichtbündel
- 101–105
- Lichtstrahlen
von (23)
- 106–109
- Lichtstrahlen
von (25)
- 151
- obere
Grenzfläche,
Totalreflexionsfläche
- 161
- untere
Grenzfläche,
Totalreflexionsfläche
- 170
- Beleuchtungsstärkeverteilung
- 171
- Schnittpunkt
- 172
- Bezugsgitternetzlinien,
horizontal
- 173
- Bezugsgitternetzlinien,
vertikal
- 174
- Isolinien
- 175
- Bereich
höchster
Beleuchtungsstärke, Hot-spot
- 176
- Hell-Dunkel-Grenze
- 177
- Abschnitt
von (176)
- 178
- Abschnitt
von (176)
- 179
- Verbindungsabschnitt
- 181
- ausgeleuchteter
Bereich