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Die Erfindung betrifft einen Scheinwerfer für Kraftfahrzeuge nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus der
DE 103 02 969 A1 ist ein Scheinwerfer für Kraftfahrzeuge bekannt, der eine Lichtquelle und ein der Lichtquelle zugeordnetes Optikelement umfasst. Das Optikelement ist einstückig ausgebildet und weist auf einer der Lichtquelle zugewandten Seite eine Lichteinkoppelfläche und auf einer der Lichtquelle abgewandten Seite eine Lichtauskoppelfläche auf. Zwischen der Lichteinkoppelfläche und der Lichtauskoppelfläche erstreckt sich eine Mantelfläche, die in einem in Lichtabstrahlrichtung vorderen Bereich einen linearen ansteigende Querschnitt und in einem in Lichtabstrahlrichtung hinteren Bereich eine bauchige, ellipsoidförmige Kontur aufweist, so dass der Querschnitt des Optikelementes in Lichtabstrahlrichtung zuerst ansteigt, dann abfällt und dann linear ansteigt. Der ellipsoidförmige hintere Bereich der Mantelfläche bewirkt, dass Lichtstrahlen mit großen Einfallswinkeln durch Totalreflexion an diesem Bereich der Mantelfläche in einem Brennpunkt gesammelt werden, der innerhalb des Optikelementes liegt. Durch diese Fokussierung wird eine relativ scharfe Hell-Dunkel-Grenze der Lichtverteilung erzeugt, so dass eine Abblendlichtfunktion generiert werden kann. Nachteilig an dem bekannten Scheinwerfer ist, dass durch die fokussierende Wirkung des Optikelementes ein Anteil des eingekoppelten Lichtes aufgrund interner Totalreflexionen – wenn überhaupt – nur mit relativ großen Verlusten das Optikelement verlässt. Hierdurch wird der Wirkungsgrad des Optikelementes eingeschränkt.
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Aus der
DE 696 36 270 T2 ist ein Scheinwerfer mit einer aus zwei Linsen bestehenden Linsenanordnung bekannt, denen unterschiedliche Lichtfunktionen zukommen. Als erste Linse ist eine untere Hochintensitätszonenausbildungslinse
10 und als zweite Linse eine obere Breitstrahlzonenausbildungslinse
20 vorgesehen.
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Aus der
WO 2007/062277 A1 ist ein Scheinwerfer für Kraftfahrzeuge mit einer Lichtquelle sowie einem Optikelement bekannt, wobei das Optikelement aus vier gleichen D-förmigen Abschnitten besteht, die sich in Lichtabstrahlrichtung kreuzförmig erstrecken. Die D-förmigen Abschnitte weisen von einer Lichteinkoppelfläche her einen sich in Lichtabstrahlrichtung vergrößernden Querschnitt und einen sich anschließend verringernden Querschnitt auf, wobei sie zu einer kreuzförmigen Lichtauskoppelfläche zusammenlaufen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Scheinwerfer für Kraftfahrzeuge derart weiterzubilden, dass die Lichtstromeffizienz auf einfache Weise verbessert wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe weist die Erfindung die Merkmale des Patentanspruchs 1 auf.
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Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sich durch das erfindungsgemäße Vorsehen eines Optikelementes mit einem Basisabschnitt, der über aufrechte Seitenflächen, und einem sich oberhalb des Basisabschnitts anschließenden Kanalabschnitt verfügt, der sich quasi als Aufsatz mit einem verringerten Querschnitt auf dem Basisabschnitt erstreckt, eine gesteigerte Lichtstromeffizienz des Scheinwerfer erzielen lässt. Erfindungsgemäß kann ein Wirkungsgrad von mehr als 70% erreicht werden. Das erfindungsgemäße Optikelement weist eine solche Oberseite auf, dass gezielt auf einen Anteil des eingekoppelten Lichtes eingegriffen werden kann, der ansonsten auf einen Brennpunkt bzw. eine Brennfläche innerhalb des Optikelementes gerichtet sein würde. Der Verlauf dieser Lichtstrahlen, der zu unerwünschten lokalen Lichtkonzentrationen führen würde, wird insbesondere durch die lichtleiterartige Erweiterung an der Oberseite des Optikelementes in Form des Kanalabschnitts gezielt auf das Vorfeld gelenkt. Die Lichtausbeute bzw. -effizienz des Scheinwerfers kann somit zur Generierung einer Abblendlichtfunktion oder beispielsweise einer Autobahnlichtfunktion gesteigert werden. Das Optikelement weist eine relativ hohe Robustheit auf, wobei eine Kompensation des unerwünschten „Wanderns” der Lage der Hell-Dunkel-Grenze als Funktion des Temperaturganges kompensiert wird.
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Nach der Erfindung weist der Kanalabschnitt des Optikelementes eine geringere horizontale und vertikale Breite auf als ein Basisabschnitt des Optikelementes. Der Kanalabschnitt bildet eine kanalartige Lichtleitstruktur, wobei ein Anteil des eingekoppelten Lichtes über Mehrfachreflexion in Richtung der Lichtauskoppelfläche geleitet wird. Der Kanalabschnitt ermöglicht eine Homogenisierung des Lichtes bei gleichzeitiger Erhaltung der Winkelverteilung derselben, wobei lediglich das Vorzeichen der Winkel umgekehrt wird.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung laufen aufrechte Seitenflächen des Basisabschnitts in Lichtabstrahlrichtung unter einem horizontalen Öffnungswinkel auseinander, so dass ein relativ großer Anteil des eingekoppelten Lichtes auf die Lichtauskoppelfläche treffen kann. Der horizontale Öffnungswinkel bzw. Anstellwinkel ist abhängig von der horizontalen Breite der Lichtquelle, der Brennweite der Lichtauskoppelfläche und der gewünschten horizontalen Streubreite.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist als Lichtquelle eine Anzahl von LED-Chips vorgesehen, die vorzugsweise parallel zu der Lichteinkoppelfläche des Optikelementes orientiert angeordnet sind.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist an einer Unterseite des Basisabschnitts ein Sockel angeordnet, der eine solche quaderförmige Formgebung aufweist, dass eine Fertigung des Optikelementes unter Zuhilfenahme von CNC-Maschinen ermöglicht bzw. erleichtert wird. Vorteilhaft kann das zu einem Optikelement zu bearbeitende Werkstück unter Einfassung des Sockels leichter eingebracht und vibrationsarm gehaltert werden.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Seitenansicht eines Scheinwerfers mit einem Optikelement nach einer ersten Ausführungsform,
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2 eine perspektivische Darstellung des Optikelementes nach der ersten Ausführungsform,
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3 eine Seitenansicht des Optikelementes gemäß 2 mit einem eingezeichneten Lichtstrahl,
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4 eine Draufsicht auf das Optikelement gemäß 2,
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5 eine Vorderansicht des Optikelementes gemäß 2,
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6a eine Lichtverteilung des Scheinwerfers mit einem Optikelement ohne einen obenseitigen Kanalabschnitt,
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6b eine Lichtverteilung des Scheinwerfers mit einem Optikelement einschließlich des obenseitig abragenden Kanalabschnitts,
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7 eine perspektivische Darstellung eines Optikelementes nach einer zweiten Ausführungsform,
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8 eine Vorderansicht des Optikelementes nach 7,
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9 eine Draufsicht auf das Optikelement gemäß 7 und
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10 eine perspektivische Darstellung eines Optikelementes nach einer dritten Ausführungsform, welche nicht von der Erfindung umfasst wird.
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Ein Scheinwerfer für Kraftfahrzeuge besteht im Wesentlichen aus einer Lichtquelle 1, einem in Lichtabstrahlrichtung 2 vor der Lichtquelle 1 angeordneten Optikelement 3 und einer in einem Abstand zu dem Optikelement 3 angeordneten Abschlussscheibe 4. Die Abschlussscheibe 4 deckt eine vordere Öffnung eines nicht dargestellten und die Lichtquelle 1 und das Optikelement 3 tragenden Gehäuses ab. Der in 1 dargestellte Scheinwerfer kann zur Erzeugung einer Abblendlicht- oder Autobahnlichtverteilung eingesetzt werden.
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Die Lichtquelle 1 ist gebildet durch eine Mehrzahl von LED-Chips, die auf einer gemeinsamen Trägerplatte 5 matrixartig angeordnet sind. Die Trägerplatte 5 ist mit einem Kühlkörper 6 verbunden, zur Kühlung der auf dem Träger 5 der Lichtquelle 1 angeordneten Leistungshalbleiter. Alternativ kann die Lichtquelle 1 auch lediglich ein einziges LED-Leuchtelement bzw. LED-Chip aufweisen.
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Das Optikelement 3 besteht im Wesentlichen aus einem Basisabschnitt 7 und einem sich an einer Oberseite 9 des Basisabschnitts 7 anschließenden Kanalabschnitt 8. Vorzugsweise schließt sich an einer Unterseite 10 des Basisabschnitts 7 ein quaderförmiger Sockel 11 an, der bei der Formgebung des Basisabschnitts 7 und des Kanalabschnitts 8 im Rahmen der Herstellung des Optikelementes 3 in einem Werkzeug (CNC-Maschine) eingespannt ist und ermöglicht, dass ein freier Zugang zu allen Außenflächen des Basisabschnitts 7 bzw. des Kanalabschnitts 8 gegeben ist. Der Sockel 11 hat keine optische Wirkung. Er kann zur Vereinfachung der Montage des Optikelementes 3 in dem Gehäuse des Scheinwerfers genutzt werden.
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Eine vordere Seite des Basisabschnitt 7 und des Kanalabschnitts 8 gehen stetig ineinander über und bilden zusammen eine Lichtauskoppelfläche 12 des Optikelementes 3. Eine hintere Seite des Basisabschnitts 7 und des Kanalabschnitts 8 gehen stetig ineinander über und bilden eine Lichteinkoppelfläche 13 des Optikelementes 3. Wie aus 1 ersichtlich ist, ist die Lichteinkoppelfläche 13 eben ausgebildet, wobei die Lichtquelle 1 in einem oberen Bereich in unmittelbarer Nähe der Lichteinkoppelfläche 13 angeordnet ist. Vorzugsweise erstreckt sich die Trägerplatte 5 parallel zu der Lichteinkoppelfläche 13, wobei die Hauptlichtabstrahlrichtung 2 der Lichtquelle 1 senkrecht zu der Lichteinkoppelfläche 13 verläuft.
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Die Lichtauskoppelfläche 12 und die Lichteinkoppelfläche 13 sind durch eine solche Mantelfläche 14 verbunden, dass der Querschnitt des Optikelementes 3 in Lichtabstrahlrichtung 2 zumindest bereichsweise zunimmt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel nimmt der Querschnitt lediglich des Basisabschnittes 7 zu, während der Querschnitt des Kanalabschnittes 8 konstant bleibt. Der Kanalabschnitt 8 ist im Querschnitt rechteckförmig ausgebildet und weist eine geringere vertikale Breite BV und geringere horizontale Breite BH auf als der Basisabschnitt 7. Die Oberseite 9 des Basisabschnittes 7 verläuft in Lichtabstrahlrichtung 2 schräg nach oben, so dass die Längsachse des Kanalabschnitts 8 einen Winkel zu der optischen Achse bzw. Lichtabstrahlrichtung 2 aufweist.
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Der Kanalabschnitt 8 bildet einen kammartigen Aufsatz, der einstückig mit dem Basisabschnitt 7 verbunden ist. Der Kanalabschnitt 8 erstreckt sich in einem mittleren Bereich der Oberseite 9 des Basisabschnitts 7 und ist symmetrisch zu einer vertikalen Mittelebene V des Basisabschnitts 7. Wie durch einen exemplarisch in 4 dargestellten Lichtstrahl 15 deutlich wird, erfolgt in dem Kanalabschnitt 8 eine mehrfache Totalreflexion an den Randseiten 16 des Kanalabschnitts 8. Der Kanalabschnitt 8 bildet einen Lichtleitstab, der die Weiterleitung eines solchen Anteils des eingekoppelten Lichtes ermöglicht, der ansonsten aufgrund unerwünschter lokaler Lichtkonzentrationen ungenutzt bliebe. Durch die mittlere Anordnung des Kanalabschnitts 8 zusammen mit der geneigten Anordnung der Oberseite 9 des Basisabschnitts 7 wird ein Oberseitenprofil des Optikelementes 3 geschaffen, das eine Wirkungsgraderhöhung auf mehr als 70% ermöglicht.
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Wie aus 2 ersichtlich ist, weist der Kanalabschnitt 8 einen konstanten Querschnitt auf, wobei eine obere Randseite 16' parallel zu der Oberseite 9 des Basisabschnitts 7 verläuft. Die hintere Stirnseite des Kanalabschnitts 8 bildet die Lichteinkoppelfläche 133, der die Lichtquelle 1 zugeordnet ist. Der Kanalabschnitt 8 verläuft durchgehend von der Lichteinkoppelseite zu der Lichtauskoppelseite.
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Der Basisabschnitt 7 weist zwei gegenüberliegende aufrechte und in einem horizontalen Öffnungswinkel α in Lichtabstrahlrichtung 2 auseinander laufende Seitenflächen 17 auf, die sich jeweils unmittelbar an die Oberseite 9 sowie die Unterseite 10 des Basisabschnitts 7 anschließen. Die Seitenflächen 17 sind symmetrisch zu der vertikalen Mittelebene V angeordnet. Der Öffnungswinkel bzw. Anstellwinkel α ist abhängig von der horizontalen Breite der Lichtquelle 1 und der Brennweite der Lichtauskoppelfläche 12 und der vorgegebenen horizontalen Streubreite. Der horizontale Öffnungswinkel α kann in einem Bereich zwischen 35° und 40° liegen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel liegt der horizontale Öffnungswinkel α bei 38°. Eine vordere Randkante 19 der Seitenflächen 17 erstreckt sich in einem Bereich einer vertikalen Quermittelebene Q des Optikelementes 3. Von den gegenüberliegenden Randkanten 19 erstreckt sich die linsenförmige Lichtauskoppelfläche 12 bauchig, wobei bei Projektion derselben auf die Quermittelebene Q eine näherungsweise kreisförmige Kontur gebildet wird, siehe 5.
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Die Unterseite 10 des Basisabschnitts 7 kann bogenförmig verlaufen. Alternativ kann die Unterseite 10 auch als eine Freiformfläche ausgebildet sein, wenn die Lichtquelle 1 vergleichsweise näher zu der optischen Achse des Optikelementes 3 angeordnet ist.
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In 6b ist eine Lichtverteilung L des Scheinwerfers mit dem in 1 dargestellten Aufbau dargestellt. Im Vergleich zu einer in 6a dargestellten Lichtverteilung L', bei der das Optikelement 3 lediglich durch den Basisabschnitt 7 unter Weglassen des Kanalabschnitts 8 gebildet wird, kann unterhalb der Hell-Dunkel-Grenze eine Verbreiterung der Lichtverteilung erzeugt werden. Es ist ersichtlich, dass der Kanalabschnitt 8 zur Verbreiterung der Lichtverteilung und zur erhöhten Lichtausbeute dient. Darüber hinaus verhindert der aufgesetzte Kanalabschnitt 8 eine unerwünschte Überstrahlung oberhalb der horizontalen Nulllinie in einem Winkelbereich von +/–9° in horizontaler Richtung.
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Nach einer zweiten Ausführungsform eines Optikelementes 23 gemäß den 7 bis 9 ist ein Basisabschnitt 24 eiförmig ausgebildet, wobei Seitenflächen 25 des Basisabschnitts 24 bogenförmig bzw. konvexförmig verlaufen und wobei sie in Lichtabstrahlrichtung 2 einen konstanten Abstand zu einer vertikalen Mittelachse V' des Basisabschnitts 24 aufweisen. Eine Oberseite 26 des Basisabschnitts 24 verläuft im Wesentlichen horizontal bzw. parallel zu der optischen Achse des Optikelementes 23. Eine vordere Seite eines oberen Kanalabschnitts 27 ist unter einem relativ spitzen Winkel zu einer Horizontalfläche ausgebildet.
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Gleiche Bauteile bzw. Bauteilfunktionen der Ausführungsbeispiele weisen die gleichen Bezugsziffern auf.
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Nach einer weiteren Ausführungsform eines Optikelementes 33 gemäß 10 erstreckt sich eine linsenförmige Lichtauskoppelfläche 34 desselben sowohl in einem seitlichen Bereich eines Basisabschnitts 35 als auch im Bereich eines oberen Kanalabschnitts 36 stetig durchgehend bis zu einer Erstreckungsebene der Lichteinkoppelfläche 13. Unstetige Übergänge von Flächen des Optikelementes 33 beschränken sich daher im Wesentlichen auf die Ebene der Lichteinkoppelfläche 13 sowie Randseiten einer Oberseite 37 des Basisabschnitts 35.
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Die Optikelemente 3, 23, 33 können aus einem Glas- oder Kunststoffmaterial hergestellt sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lichtquelle
- 2
- Lichtabstrahlrichtung
- 3
- Optikelement
- 4
- Abschlussscheibe
- 5
- Trägerplatte
- 6
- Kühlkörper
- 7
- Basisabschnitt
- 8
- Kanalabschnitt
- 9
- Oberseite
- 10
- Unterseite
- 11
- Sockel
- 12
- Lichtauskoppelfläche
- 13
- Lichteinkoppelfläche
- 14
- Mantelfläche
- 15
- Lichtstrahl
- 16, 16'
- Randseiten d. Kanalabschn.
- 17
- Seitenflächen
- 18
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- 19
- vordere Randkante
- 20
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- 21
-
- 22
-
- 23
- Optikelement
- 24
- Basisabschnitt
- 25
- Seitenflächen
- 26
- Oberseite
- 27
- Kanalabschnitt
- 33
- Optikelement
- 34
- Lichtauskoppelfläche
- 35
- Basisabschnitt
- 36
- Kanalabschnitt
- 37
- Oberseite
- BV
- vertikale Breite
- BH
- horizontale Breite
- V
- vertikale Mittelebene
- Q
- Quermittelebene
- α
- Öffnungswinkel
- L, L'
- Lichtverteilung
