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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine optische Linse für
Beleuchtungszwecke, insbesondere für den Einsatz in einem
Projektionsscheinwerfer für Kraftfahrzeuge, um von einer
Lichtquelle ausgesandte Lichtstrahlen zur Erzeugung einer vorgegebenen Beleuchtungsverteilung
abzubilden, wobei auf mindestens einer Oberfläche der Linse
Bereiche mit optischer Streuwirkung ausgebildet sind.
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Die
Erfindung betrifft außerdem eine Beleuchtungseinrichtung,
insbesondere einen Projektionsscheinwerfer für Kraftfahrzeuge,
umfassend mindestens eine Lichtquelle und eine optische Linse, um von
der Lichtquelle ausgesandte Lichtstrahlen zur Erzeugung einer vorgegebenen
Beleuchtungsverteilung abzubilden, wobei auf mindestens einer Oberfläche
der Linse Bereiche mit optischer Streuwirkung ausgebildet sind.
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Aus
dem Stand der Technik sind Linsen bzw. Beleuchtungseinrichtungen
der eingangs genannten Art in unterschiedlichen Ausführungsformen
bekannt. Insbesondere sind Kraftfahrzeugscheinwerfer nach dem Projektionsprinzip,
sog. Poly-Ellipsoid-System(PES)-Scheinwerfer, bekannt. Die bekannten
Beleuchtungseinrichtungen können Abblendlicht mit einer
oberen Helldunkelgrenze, Fernlicht und/oder eine beliebige andere
Leuchtfunktion mit oder ohne Helldunkelgrenze erzeugen. An die Helldunkelgrenze
der Lichtverteilung werden heute aus Sicht des Fahrers unterschiedliche
Anforderungen gestellt. Insbesondere bei PES-Systemen haben sich
inzwischen in der Praxis im Vergleich zu den ersten Generationen
der PES-Systeme definiert unscharfe Helldunkelgrenzen durchgesetzt.
Dies bedeutet, dass durch bestimmte Maßnahmen, wie z. B.
eine Aufrauung der Linsenoberfläche, eine leichte Verwischung des
Helldunkelübergangs erreicht wird. Damit gestaltet sich
der Übergang von der aktiven Ausleuchtung auf der Fahrbahn
und dem deutlich dunkleren Bereich oberhalb der Helldunkelgrenze „weicher” und für
den Fahrer subjektiv angenehmer.
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Die „Weichheit” (Grad
der Unschärfe) des Übergangs wird durch das Maximum
eines Gradienten entlang eines vertikalen Schnittes durch die Helldunkelgrenze
bei etwa –2,5° horizontal beschrieben. Dazu wird
der Logarithmus der Beleuchtungsstärke an 0,1° vertikal
voneinander entfernt liegenden Messpunkten errechnet und deren Differenz
gebildet, wodurch man die Gradientenfunktion erhält. Das
Maximum dieser Funktion wird als Gradient der Helldunkelgrenze bezeichnet.
Je größer der Gradient ist, desto schärfer
ist der Helldunkelübergang. Die vertikale Position des
Maximums dieser Funktion beschreibt auch den Ort, an dem die so
genannte Helldunkelgrenze erkannt wird, das heißt die Stelle,
die das menschliche Auge als Grenzlinie zwischen „hell” und „dunkel” wahrnimmt.
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Insgesamt
hat sich zwar gezeigt, dass durch eine stärkere Aufrauung
der Linsenoberfläche eine stärkere „Weichheit” der
Helldunkelgrenze erreicht werden kann, die der Fahrer als angenehmer
empfindet. Insbesondere im ECE-Gesetzesraum limitieren jedoch einige
gesetzliche Grenzwerte dieses Vorgehen, da die Aufrauung der Linsenoberfläche
zu einer größeren Blendung von entgegenkommenden
Verkehrsteilnehmern führen kann. Insbesondere die Messpunkte
HV, B50L und eventuell auch die Messwerte 4L/H und 8L/H würden
in diesem Fall zu stark beleuchtet. Diese Punkte sind Beispiele
für ECE Rechtsverkehr. Entsprechende an der Vertikalen
VV gespiegelte Punkte gibt es für ECE Linksverkehr, und ähnliche
Punkte gibt es auch für die USA und Japan.
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Neben
der statistischen Aufrauung der Linsenoberfläche, wie sie
bspw. in der
DE
10 2004 018 424 A1 beschrieben ist und heute auch zum praktischen
Einsatz kommt, sind geometrische Feinstrukturen auf der Linsenoberfläche
zur Aufweichung der Helldunkelgrenze bekannt. Einige Linsenhersteller sind
heute dazu übergegangen, auf die Linsenvorderfläche
eine Modulation aufzubringen, wobei insbesondere folgende Methoden
bekannt sind:
- – Überlagerung
von zwei Sinuswellen,
- – kleine Vertiefungen in Form von Kugelabschnitten,
und
- – waagrecht verlaufende Zylinderwellen.
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Durch
diese geometrischen Strukturierungen wird versucht, eine reproduzierbare
Einstellung der messtechnischen Schärfe der Helldunkelgrenze
zu erreichen. Ein Beispiel für Streuscheiben mit unterschiedlicher
Anordnung von streuenden geometrischen Strukturen finden sich in
der
DE 103 43 630 A1 .
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Die
Nachteile dieser bekannten Methoden sind darin zu sehen, dass eine
vorhersagbare, gezielte Einstellung der Eigenschaften der resultierenden Helldunkelgrenze
nicht möglich ist. Die subjektive „Weichheit” der
Helldunkelgrenze als eine vom Gradientenmaximum verschiedene Eigenschaft
kann durch die bekannten Strukturen auf der Linsenoberfläche
nicht gezielt gesteuert werden. Das Reichweitenvolumen (maximale
Reichweite des projizierten Lichtbündels unter Einhaltung
der gesetzlichen Forderungen) kann nicht eingestellt werden. Und
eine Vorhersage der Eigenschaften der resultierenden Helldunkelgrenze
durch Berechnung ist nicht möglich.
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Ausgehend
von dem beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung
die Aufgabe zugrunde, eine Linse dahingehend auszugestalten und
weiterzubilden, dass durch gezielte Variation der Linsenoberfläche
die Eigenschaften der Helldunkelgrenze, die über die messtechnisch
erfassbare Schärfe hinausgehen, systematisch gesteuert
werden können.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe wird ausgehend von der optischen
Linse der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass die Bereiche
der Linsenoberfläche mit optischer Streuwirkung in ein
periodisches Raster von Einzelzellen unterteilt sind, die jeweils
ein Strukturelement aufweisen, welches eine gezielte Streuung des
hindurchtretenden Lichts bewirkt.
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Erfindungsgemäß wird
also eine neuartige geometrische Strukturierung der Linsenoberfläche vorgeschlagen.
Diese Strukturierung führt eine quantitativ exakt definierte
und berechenbare Lichtumverteilung innerhalb eines kleinen Winkelbereiches
herbei und so zu gezielt einstellbaren Eigenschaften der Helldunkelgrenze.
Es wird dadurch eine noch in der Planungs- und Entwurfphase vor
der eigentlichen Herstellung der Linse quantifizierbare, subjektiv
angenehme Weichzeichnung der Helldunkelgrenze und gleichzeitig die
Maximierung des Reichweitenvolumens für den Fahrer bewirkt.
Diese Eigenschaften sind simulativ darstellbar und dimensionierbar.
Alle Eigenschaften der Helldunkelgrenze, insbesondere die über
die messtechnisch erfassbare Schärfe hinausgehenden Eigenschaften,
können also insgesamt modelliert werden. Mit den bisher
bekannten geometrischen Strukturen war dies nicht möglich.
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Die
vorgeschlagene geometrische Strukturierung der Linsenoberfläche
ermöglicht ein gezieltes Einstellen des Gradientenverlaufs
im Bereich der Helldunkelgrenze. Damit ist nicht nur die Höhe
des Maximums, sondern insbesondere auch die Form des resultierenden
Gradientenverlaufs steuerbar. Da die Form des Gradientenverlaufs
großen Einfluss auf die subjektiv empfundenen Eigenschaften
der Helldunkelgrenze hat, kann durch geeignete geometrische Strukturierung
eine subjektiv angenehme, weiche Helldunkelgrenze erreicht werden.
Dabei kann die „Weichheit” der Helldunkelgrenze
durch Variation der Anordnung, Form und Abmessungen der einzelnen
Strukturelemente gezielt eingestellt werden. Dadurch können
die abbildenden Eigenschaften von optischen Linsen für
Beleuchtungseinrichtungen gezielt an die Kundenwünsche
angepasst werden. Gleichzeitig kann innerhalb des physikalisch Möglichen
ein besonders großes Reichweitenvolumen aufgebaut werden,
um die Fahrsicherheit zu erhöhen. Schließlich
kann mit der erfindungsgemäßen Linse die Höhe des
maximalen Gradienten als messtechnisches Merkmal der Helldunkelgrenze
eingestellt werden.
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Die
Anordnung bzw. Ausrichtung der Strukturelemente an einem imaginären
Raster bewirkt, dass jede Einzelzelle relativ lange horizontale
Abschnitte aufweist, die zum Weichzeichnen der Helldunkelgrenze
besonders effektiv sind. Die horizontalen Abschnitte der Einzelzellen
der erfindungsgemäßen Linse sind deutlich größer
als bei der aus dem Stand der Technik bekannten statistischen Aufrauung
der Linsenoberfläche bzw. den anderen bekannten Maßnahmen
zum Weichzeichnen der Helldunkelgrenze. Das Raster wird entweder
parallel zu einer optischen Achse oder aber in Form einer Normalenprojektion
auf die Linsenoberfläche gelegt.
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Den
Unteransprüchen können vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung entnommen werden.
Insbesondere wird vorgeschlagen, dass die Form der Strukturelemente
in einer durch die optische Achse der Linse oder parallel dazu verlaufenden
ersten Ebene aus einer mathematischen Funktion gebildet ist. Diese
wiederholt sich über die gesamte Linsenoberfläche mehrmals.
Als mathematische Funktion kann jede beliebige Funktion verwendet
werden, bspw. eine Winkelfunktion, eine Polynomfunktion oder eine
Spline-Funktion. Die Linsenoberfläche im Bereich der Strukturelemente
kann auch aus verschiedenen Funktionen zusammengesetzt sein. Die
Linsenoberfläche hat vorzugsweise eine tangentiale Stetigkeit (sog.
C1-Stetigkeit), das heißt keine Knicke und keine Sprünge.
Selbstverständlich kann die Linsenoberfläche auch
krümmungsstetig (sog. C2-Stetigkeit) oder in Ausnahmefällen
sogar nur C0-stetig, das heißt ohne Sprünge aber
mit Knicken, ausgebildet sein. Es wird weiter vorgeschlagen, dass
sich die Linsenoberfläche im Bereich der Strukturelemente durch
Rotation der mathematischen Funktion um eine parallel zur optischen
Achse der Linse oder als Normale zur Linsenoberfläche verlaufende
Rotationsachse, vorzugsweise im Zentrum der Einzelzelle, oder durch
Verschieben der Funktion entlang einer Modulationsfunktion (z. B.
Gerade, Winkelfunktion, Kreis, etc.) ergibt. Mit Blick in Richtung
der optischen Achse auf die strukturierte Linsenoberfläche
betrachtet, können die Strukturelemente eine beliebige
Form aufweisen, bspw. eine runde, dreieckige, quadratische, rechteckige,
trapezförmige oder hexagonale Form.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele und weitere Eigenschaften und Vorteile
der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher
erläutert. Es zeigen:
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1a eine
erfindungsgemäße optische Linse gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform in perspektivischer Ansicht;
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1b die
erfindungsgemäße optische Linse aus 1a in
Draufsicht;
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2 eine
erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform, mit einer erfindungsgemäßen
optischen Linse;
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3 ein
Beispiel für eine mit der Beleuchtungseinrichtung aus 2 erzielbare
Lichtverteilung mit Helldunkelgrenze;
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4 einen
Beleuchtungsstärkeverlauf und eine Gradientenfunktion für
eine typische Helldunkelgrenze eines aus dem Stand der Technik bekannten Projektionsscheinwerfers;
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5 einen
Verlauf eines Strukturelements einer Linsenoberfläche einer
erfindungsgemäßen optischen Linse gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform in einer durch die optische
Achse der Linse oder parallel dazu verlaufenden Schnittebene;
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6 einen
Verlauf eines Strukturelements einer Linsenoberfläche einer
erfindungsgemäßen optischen Linse gemäß einer
zweiten bevorzugten Ausführungsform in einer perspektivischen
Ansicht;
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7 einen
Verlauf eines Strukturelements einer Linsenoberfläche einer
erfindungsgemäßen optischen Linse gemäß einer
dritten bevorzugten Ausführungsform in einer perspektivischen
Ansicht;
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8 einen
Verlauf einer Modulationsfunktion zur Modulation des Verlaufs eines
einzelnen Strukturelements oder der gesamten Linsenoberfläche
einer erfindungsgemäßen optischen Linse in einer
perspektivischen Ansicht;
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9 einen
Verlauf einer Linsenoberfläche einer erfindungsgemäßen
optischen Linse gemäß einer fünften bevorzugten
Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht;
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10 einen
Verlauf einer Linsenoberfläche einer erfindungsgemäßen
optischen Linse gemäß einer sechsten bevorzugten
Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht;
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11 einen
Verlauf einer Linsenoberfläche einer erfindungsgemäßen
optischen Linse gemäß einer siebten bevorzugten
Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht;
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12 einen
Verlauf einer Linsenoberfläche einer erfindungsgemäßen
optischen Linse gemäß einer achten bevorzugten
Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht; und
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13 eine
graphische Darstellung einer mit einem Strukturelement einer Linsenoberfläche
einer erfindungsgemäßen optischen Linse gemäß einer weiteren
bevorzugten Ausführungsform erzielbaren Streucharakteristik,
wobei die Helligkeit den Anteil des gestreuten Lichts und der Abstand
vom Koordinatenursprung den zugehörigen Streuwinkel repräsentiert.
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In 1a ist
eine erfindungsgemäße optische Linse in perspektivischer
Ansicht und in 1b in Draufsicht dargestellt.
Die an den x-, y- und z-Achsen angegebenen Zahlenwerte in Millimeter
[mm] sind selbstverständlich nur als Beispiele genannt
und in keiner Weise beschränkend zu verstehen. Die Linse
ist in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet.
Die Linse 1 weist an der Unterseite eine im wesentlichen
ebene Fläche 2 und an der Oberseite eine konvexe
Fläche 3 auf. Selbstverständlich kann
die Fläche 2 auch konkav ausgebildet sein, so dass
sich insgesamt eine im Querschnitt meniskusförmige Linse 1 ergibt.
Um die Linse 1 besser in einer Beleuchtungseinrichtung
befestigen zu können kann sie zudem einen umlaufenden Kragen 4 aufweisen, der
jedoch üblicherweise ohne optische Funktion ist. Die Linse 1 besteht
aus einem beliebigen lichtdurchlässigen Material, bspw.
aus einem temperaturbeständigen Kunststoff oder Glas.
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Die
Linse 1 kann in beliebigen Beleuchtungseinrichtungen eingesetzt
werden, bspw. in einem Projektionsscheinwerfer (sog. Poly-Ellipsoid-System; PES-Scheinwerfer)
für Kraftfahrzeuge, wie er schematisch in 2 dargestellt
und in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 5 bezeichnet
ist. Der Scheinwerfer 5 umfasst eine Lichtquelle 6 zum
Aussenden von Lichtstrahlen und einen Reflektor 7 zum Reflektieren
zumindest eines Teils der ausgesandten Lichtstrahlen. Die Lichtquelle 6 umfasst
bspw. eine Glühlampe, eine Gasentladungslampe oder eine
oder mehrere Halbleiterlichtquellen (sog. Light Emitting Diodes;
LEDs). Der Reflektor 7 hat vorzugsweise die Form eines
Rotationsellipsoids oder eine davon abweichende ellipsoidähnliche
Freiform. Die Lichtquelle 6 ist in einem ersten Brennpunkt
F1 des Reflektors 7 angeordnet.
Zudem weist der Scheinwerfer 5 eine Blendenanordnung 8 zum
Abschirmen zumindest eines Teils der von der Lichtquelle 6 ausgesandten bzw.
von dem Reflektor 7 reflektierten Lichtstrahlen auf. Die
Blende 8 ist vorzugsweise in einer Ebene angeordnet, die
senkrecht zu einer optischen Achse 9 und durch den zweiten
Brennpunkt F2 des Reflektors 7 verläuft.
Die Linse 1 ist mittels eines an den Kragen 4 angreifenden
Linsenhalters (nicht dargestellt) an einem vorderen Rand des Reflektors 7 befestigt.
Der Scheinwerfer 5 dient zur Erzeugung einer Lichtverteilung
mit Helldunkelgrenze, vorzugsweise eines Abblendlichts oder Nebellichts.
Die in 2 dargestellten Bauteile des Scheinwerfers 5 sind
vorzugsweise in einem Gehäuse (nicht dargestellt) angeordnet.
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Eine
Oberkante der Blendenanordnung 8 wird durch die Linse 1 als
Helldunkelgrenze einer von dem Scheinwerfer 5 erzeugten
Lichtverteilung auf die Fahrbahn vor das Fahrzeug projiziert. Ein
Beispiel für eine sich auf einem vor dem Fahrzeug in einem
Abstand zu diesem angeordneten Schirm ergebende Lichtverteilung
ist in 3 gezeigt. Auf dem Schirm ist eine horizontale
Achse HH und eine vertikale Achse VV eingezeichnet. Der Schnittpunkt
der beiden Achsen HH, VV ist der Punkt HV. Die Helldunkelgrenze
ist mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Sie umfasst einen
im wesentlichen horizontalen Abschnitt 10' auf der Gegenverkehrsseite
der Fahrbahn und einen höheren Abschnitt 10'' auf
der eigenen Verkehrsseite. Der höhere Abschnitt 10'' kann
einen im wesentlichen horizontalen oder – wie in 3 dargestellt – schrägen
Verlauf aufweisen. Der Winkel des ansteigenden Abschnitts 10'' zum
horizontalen Abschnitt 10' liegt bei etwa 15°.
Selbstverständlich kann der Anstieg der Helldunkelgrenze – anders
als in 3 dargestellt – auch bei einem anderen
Winkel, bspw. bei 30°, 45° oder sogar 90° (sog.
Z-Beam) liegen. In 3 sind außerdem einige
Messpunkte für die Messung von Abblendlicht nach ECE-Richtlinie 20 eingezeichnet.
Der Messpunkt EHV befindet sich genau im
Schnittpunkt HV der beiden Achsen HH, VV. Der Messpunkt EB50L befindet sich in horizontaler Richtung
bei etwa –3,43°, also links der Vertikalen VV,
und in vertikaler Richtung bei etwa +0,57°, also oberhalb
der Horizontalen HH. Weitere Messpunkte E8L/H und
E4L/H befinden sich auf der Horizontalen
HH links der Vertikalen VV bei –8° bzw. –4°.
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An
die Helldunkelgrenze 10 des Abblendlichts von Scheinwerfern 5 werden
heute unterschiedliche Anforderungen aus der Sicht des Fahrers gestellt.
Insbesondere bei Projektionssystemen 5 haben sich inzwischen
im Vergleich zu den ersten Generationen dieser Systeme definiert
verunschärfte Helldunkelgrenzen 10 durchgesetzt.
Dies bedeutet, dass durch bestimmte Maßnahmen, wie z. B.
eine Aufrauung der Linsenoberfläche 3, eine leichte
Verwischung des Helldunkel-Übergangs erreicht wird. Damit
gestaltet sich der Übergang von der aktiven Ausleuchtung
auf der Fahrbahn und dem deutlich dunkleren Bereich oberhalb „weicher” und
für den Fahrer subjektiv angenehmer.
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Die „Weichheit” des Übergangs
wird durch das Maximum des Gradienten entlang eines vertikalen Schnittes
durch die Helldunkelgrenze 10 bei –2,5° horizontal
beschrieben. Dazu wird der Logarithmus der Beleuchtungsstärke
an 0,1° vertikal voneinander entfernt liegenden Messpunkten
errechnet und deren Differenz gebildet, wodurch man die sog. Gradientenfunktion
erhält. In 4 ist ein beispielhafter Verlauf der
Beleuchtungsstärke E (Einheit: lux [lx]) im Vertikalschnitt
(logarithmisch) dargestellt und mit dem Bezugszeichen 11 bezeichnet.
Die Gradientenfunktion grad ist in 4 mit dem
Bezugszeichen 12 bezeichnet. Auf der Abszissenachse ist
ein vertikaler Winkel in Grad [°] aufgetragen. Das Maximum
der Gradientenfunktion 12 wird als Gradient der Helldunkelgrenze 10 bezeichnet.
Je größer dieser ist, desto schärfer ist
der Helldunkel-Übergang. Die vertikale Position des Maximums
dieser Funktion 12 beschreibt auch den Ort, an dem die
sog. Helldunkelgrenze 10 erkannt wird, das heißt
die Stelle, die das menschliche Auge als Grenzelinie zwischen „hell” und „dunkel” wahrnimmt
(etwa bei –0,5° vertikal).
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Generell
hat sich gezeigt, dass durch die aus dem Stand der Technik bekannte
stärkere Aufrauung der Linsenoberfläche 3 eine
stärkere „Weichheit” der Helldunkelgrenze 10 erreicht
werden kann, die der Fahrer als angenehmer empfindet. Insbesondere
im ECE-Gesetzesraum limitieren jedoch einige gesetzliche Grenzewerte
dieses Vorgehen, da die Aufrauung der Linsenoberfläche 3 zu
einer größeren Blendung des entgegenkommenden
Verkehrs führt. Insbesondere die Messpunkte EHV und
EB50L werden beim Stand der Technik zu stark
beleuchtet.
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Dies
ist bei der erfindungsgemäßen optischen Linse 1 anders.
Dort wird eine Struktur auf die Linsenoberfläche 3 aufgebracht,
die mathematisch derart berechnet ist, dass eine genaue Vorhersage über
die resultierenden optischen Abbildungseigenschaften der Linse 1,
insbesondere über den Grad der „Weichheit” des
Helldunkel-Übergangs im Bereich der Helldunkelgrenze 10,
möglich ist. Durch die vorgeschlagene mathematisch definierte
und beschreibbare Struktur auf der Linsenoberfläche 3 kann nicht
nur die Amplitude des Gradientenverlaufs 12, sondern auch
die Form des Funktionsverlaufs 12 variiert werden, was
Auswirkungen auf das subjektive Empfinden der Helldunkelgrenze durch
den Fahrer hat.
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Die
zur gezielten Variation der Eigenschaften der Helldunkelgrenze 10 benötigte
Lichtstreuung wird bei der Erfindung durch Aufbringen eines periodischen
Rasters von einzelnen Erhebungen bzw. Vertiefungen auf die Linsenoberfläche 3 erzielt.
Das Raster ist in den 1a und 1b beispielhaft
dargestellt und in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet.
Die Einzelzellen des Rasters 20 sind mit dem Bezugszeichen 21 bezeichnet.
Jede Einzelzelle 21 des Rasters 20 umfasst eine
Erhebung oder Vertiefung, die im Folgenden als Strukturelement 22 bezeichnet
wird. Das Raster 20 ist vorzugsweise – wie in 1b zu
erkennen – parallel zur optischen Achse 9 der
Linse 1 von oben auf die Linsenoberfläche 3 gelegt
(kartesische Ausgestaltung des Rasters 20 auf der Linsenoberfläche 3).
Das hat den Vorteil, dass jede der Einzelzellen 21 einen
relativ langen horizontalen Abschnitt aufweist, der für eine
besonders effektive Weichzeichnung der Helldunkelgrenze 10 wichtig
ist. Alternativ kann es aber auch als eine Normalenprojektion auf
die Linsenoberfläche 3 gelegt werden. In 1 sind beispielhaft einige in der Draufsicht
kreisförmige Strukturelemente 22 eingezeichnet.
Die lichtstreuenden Strukturelemente 22 sind in ihrer geometrischen
Ausdehnung in beide Richtungen begrenzt und führen eine
Lichtablenkung in einem kleinen Winkelbereich herbei. Bei dem gezeigten
Ausführungsbeispiel haben die Einzelzellen 21 eine
im wesentlichen rechteckig, insbesondere quadratische, Form. Selbstverständlich
können die Zellen 21 auch eine davon abweichende, bspw.
eine trapezförmige oder hexagonale Form aufweisen.
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Die
Strukturelemente 22 werden aus einer sich innerhalb eines
Elements 22 wiederholenden mathematischen Grundfunktion
erzeugt, die eine einzelne Erhebung bzw. Vertiefung beschreibt.
Es werden dabei beliebige mathematische Funktionen eingesetzt, die
zu einem Strukturelement 22 führen, das eine geeignete
Lichtstreuung bewirkt. Eine geeignete Lichtstreuung zeichnet sich
dadurch aus, dass zu größeren Ablenkungswinkeln
hin eine abnehmende Lichtmenge gestreut wird. Zu den geeigneten
Funktionen gehören insbesondere Potenzen von Winkelfunktionen,
Polynomfunktionen sowie Splinefunktionen. Eine dieser mathematischen
Grundfunktionen bildet immer ein Basiselement 22 der Oberflächenstrukturierung,
das dann noch in geeigneter Weise variiert werden kann (z. B. Hinzuaddieren
oder Subtrahieren eines Offsets Δz, Stauchen, Strecken
oder Variation der Amplitude des Strukturelements 22). Die
einzelnen Strukturelemente 22 können in der Draufsicht
rund, quadratisch oder beliebig andersartig geformt sein. Am Beispiel
einer potenzierten Winkelfunktion wird das Prinzip näher
erläutert: Zur Erstellung eines einzelnen Strukturelements 22 kann zum
Beispiel eine potenzierte Kosinusfunktion der Form z
= A·cosε(u)eingesetzt
werden. Dabei enthält die Funktion die folgenden Parameter:
- A
- die Amplitude der
Kosinusfunktion,
- ε
- ein Exponent der Kosinusfunktion,
- z
- eine Höhe
des resultierenden Strukturelements 22 in Richtung der
optischen Achse 9 und
- u
- eine laterale Ausdehnung
der Funktion bzw. des Strukturelements 22.
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Es
ist denkbar, die Parameter der verwendeten Funktion für
die verschiedenen Strukturelemente 22 ortsabhängig
zu variieren. Je nach dem Ort auf der Linsenoberfläche 3 werden
demnach die Parameter der Einzelelemente 22 variiert und
so die gewünschten Eigenschaften an der Helldunkelgrenze 10 zu
den gewünschten Soll-Werten hin verbessert. Die Variation
der Parameter kann zur Erhaltung der C1-stetigen Oberfläche 3 in
einem weichen Übergang erfolgen. Die Streueigenschaften
können von Strukturelement 22 zu Strukturelement 22 lokal
stark variieren.
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Der
Exponent ε der Kosinusfunktion liegt vorzugsweise im Bereich
von 0,1 bis 1. Selbstverständlich kann er auch unterhalb
von 0,1 oder oberhalb von 1 liegen. Anhand der den Oberflächenverlauf
des Strukturelements 22 beschreibenden Funktion wird nicht
der gesamte Oberflächenverlauf eines Strukturelements 22 bestimmt.
Vielmehr wird nur in einem Bereich 0 ≤ u < π/2, das
heißt zwischen einer parallel zu der optischen Achse 9 der
Linse 1 oder parallel dazu und senkrecht zu der Zeichenebene
von 5 verlaufenden Ebene 26 und einem Punkt 24,
der Oberflächenverlauf ermittelt, im Folgenden als Funktionsabschnitt
bezeichnet. Vier solcher Funktionsabschnitte werden durch Aneinanderreihen
bzw. Spiegeln, Punktspiegeln und/oder Strecken (um Unstetigkeitsstellen
im Oberflächenverlauf zu vermeiden) zu einer C1-stetigen,
eindimensional ausgedehnten Gesamtfunktion vereinigt. Obwohl die
Erzeugung der Gesamtfunktion anhand einer Kosinusfunktion erläutert
wurde, wird nochmals betont, dass die Gesamtfunktion anhand beliebiger
geeigneter Funktionen erzeugt werden kann.
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Die
Gesamtfunktion für das beschriebene Ausführungsbeispiel
ist in 5 dargestellt. Auf der Ordinatenachse sind Beispielwerte
für die Amplitude Δz des Strukturelements 22 in
Millimeter [mm] angegeben. Der Funktionsabschnitt 23 zwischen
dem Schnittpunkt der Funktion 23 und der Ebene 26 und dem
Punkt 24 wird – wie gesagt – anhand einer
geeigneten Funktion z, bspw. einer Kosinusfunktion, ermittelt. Diese
Funktion 23 wird um einen Punkt 24 um 180° punktgespiegelt.
Damit erhält man die Funktion 25 im Bereich zwischen
dem Punkt 24 und einem Punkt 29. Die Teilfunktion
umfassend die Funktionsabschnitte 23 und 25 wird
dann an der durch die optische Achse 9 der Linse 1 oder
parallel dazu und senkrecht zu der Zeichenebene von 5 verlaufenden
Ebene 26 gespiegelt, so dass man die Funktionsabschnitte 27, 28 im
Bereich zwischen den Punkten 29' und dem Schnittpunkt zwischen
dem Funktionsabschnitt 27 und der Ebene 26 erhält.
Die vier Funktionsabschnitte 23, 25, 27, 28 ergeben
zusammen die Gesamtfunktion, welche mathematisch exakt den Verlauf
der Linsenoberfläche 3 im Bereich eines Strukturelements 22 in
einer vertikalen Schnittebene (der Zeichenebene aus 5)
beschreibt. Die Zeichenebene verläuft bspw. parallel zur
x-Achse (vgl. 1), parallel zur y-Achse
oder schräg dazu. Die Amplitude in z-Richtung eines solchen
Strukturelements 22 liegt bspw. im Bereich von einigen
zig Nanometern [nm] (10–9 Meter)
bis hin zu mehreren zig Mikrometern [μm] (10–6 Meter).
Entsprechendes gilt auch für die nachfolgend näher
erläuterten Strukturelemente 22 aus den 7 und 9 bis 12.
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Die
Einstellbarkeit der eingesetzten Gesamtfunktion über deren
vollständige Parametrisierung erlaubt die Anpassung der
gewünschten optischen Eigenschaften der im Folgenden erzeugten
Strukturelemente 22 und damit die beschriebene Modellierung der
Streueigenschaften. Aus der Gesamtfunktion können die Strukturelemente 22 unter
Einsatz der folgenden Methoden erzeugt werden:
- a)
Multiplikation: Dazu werden zwei orthogonal oder in einem schrägen
Winkel zueinander angeordnete Gesamtfunktionen miteinander multipliziert.
Ein Beispiel für einen durch Multiplikation zweier Grundfunktionen
gewonnenen Oberflächenverlauf eines Strukturelements 22 ist
in 6 in einem dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystem
gezeigt. Auf der x- und der y-Achse ist ein Bereich von –π bis
+π aufgetragen, und auf der z-Achse sind beispielhaft gewählte
Zahlenwerte in Millimeter [mm] für die Amplitude Δz
des Strukturelements 22 dargestellt.
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Der
resultierende Oberflächenverlauf weist einen im wesentlichen
ebenen und quadratischen zentralen Bereich 30 auf, der
zu den Seiten hin in einen Randbereich 31 übergeht.
Der Randbereich 31 hat etwa in den Mitten 32 der
Seiten ähnliche z-Werte wie der zentrale Bereich 30.
Ausgehend von den Mitten 32 der Seiten der Einzelzelle 21 steigt
der Oberflächenverlauf zu den Ecken 33 hin an.
Zwischen dem zentralen Bereich 30 und dem Randbereich 31 ist
eine umlaufende, kanalartige Vertiefung 34 ausgebildet.
- b) Rotation: Durch eine Rotation einer Gesamtfunktion
um eine parallel zur optischen Achse 9 der Linse 1 verlaufende
Rotationsachse 35, die durch einen Zentralpunkt der Einzelzelle 21 verläuft,
wird ein rotationssymmetrisches Strukturelement 22 erzeugt.
Die Rotationsachse 35 entspricht vorzugsweise der Schnittlinie
zwischen der Zeichenebene von 5 und der
dazu senkrecht stehenden Spiegelebene 26. Die resultierende
Oberfläche weist einen kugelabschnittsähnlichen
Verlauf auf, wobei der Übergang zwischen der Kugeloberfläche 36 und
der diese umgebenden, im wesentlichen ebenen übrigen Oberfläche 37 ohne
Stufe oder Knick, also stetig differnzierbar erfolgt.
- c) Verschieben der Gesamtfunktion entlang einer Modulationsfunktion,
so dass eine laterale Ausdehnung erreicht wird. Als Modulationsfunktion können
Geraden, Winkelfunktionen, Kreise oder beliebig andere Funktionen
dienen.
- d) Addition oder Subtraktion von mindestens zwei Gesamtfunktionen,
auch in Kombination mit einer Verschiebung dieser Gesamtfunktionen.
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Die
Strukturierung der gesamten Linsenoberfläche 3 wird durch
periodische Anordnung von Einzelzellen 21, die aus einer
oder einer Kombination mehrerer Gesamtfunktionen erzeugt werden,
erreicht. Die Anordnung der Einzelzellen 21 kann nahtlos
oder mit variablen Zwischenräumen erfolgen. Der Abstand
zwischen den Einzelzellen dient wie die Flexibilisierung der Grundfunktion
und die Form der Strukturelemente 22 zur Einstellung der
Gesamtwirkung der Linsenoberfläche 3. Wenn die
Einzelzellen 21 kartesisch auf der Linsenoberfläche 3 verteilt
sind, werden hauptsächlich folgende Verfahren eingesetzt:
- a) vollflächige Positionierung der
Einzelzellen 21 durch Multiplikation zweier orthogonal
angeordneter Gesamtfunktionen. Dabei grenzen die Strukturelemente 22 mit
wechselndem Vorzeichen nahtlos aneinander an.
- b) Positionierung der Strukturelemente 22 anhand eines
oder mehrerer überlagerter kartesischer Gitter 20,
wobei ein variierbarer Zwischenraum zwischen den Elementen 22 entsteht
und damit eine frei wählbare Packungsdichte erreicht wird. Dabei
kann auch eine hexagonale Anordnung der Strukturelemente 22 zum
Einsatz kommen.
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Es
bestehen außer den genannten Möglichkeiten weitere
Möglichkeiten zur Positionierung der Einzelzellen 21:
Sie können entlang von Geraden, Winkelfunktionen, Spiralen,
Kreisen, aber auch anderer Funktionen angeordnet werden. Dabei ist
die aus den Strukturelementen 22 gebildete Gesamtoberfläche 3 der
Linse 1 vorzugsweise C1-stetig ausgestaltet, um fertigungstechnische
Vorteile ausnutzen zu können. Selbstverständlich
kann die Linsenoberfläche 3 auch C0- oder C2-stetig
ausgebildet sein.
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Die
Einstellbarkeit nicht nur der Amplitude des Gradienten, sondern
des gesamten Gradientenverlaufs, und der Eigenschaften der Helldunkelgrenze
durch definierte Lichtstreuung kann zusätzlich durch optionale
Modifikationen der bis oben beschriebenen Oberflächenstrukturierung
des Basiselements 22 erweitert werden. Dabei können
insbesondere folgende Methoden zum Einsatz kommen:
- a) Anpassbare, ortsabhängige Variation der Amplitude
des Strukturelements 22, etwa durch Multiplikation mit
einem dezentrierbaren, variablen Ring. Ein Beispiel für
eine solche Modulationsfunktion in Form eines Rings ist in 8 dargestellt
und in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 38 bezeichnet.
Die Amplitude des dargestellten Rings 38 liegt bspw. zwischen
0 und 1. Die äußere Umfangsfläche 39 des
Rings 38 weist einen ebenen, schrägen Verlauf
auf, so dass die Amplitude des Rings im Bereich der Umfangsfläche 39 kontinuierlich
(aber nicht zwangsläufig linear) von 0 auf 1 ansteigt.
In einem zentralen Bereich 40 kann der Ring 38 eine
Vertiefung aufweisen, so dass sich ein konkav gewölbter
Verlauf der Innenumfangsfläche des Rings 38 ergibt.
Die Vertiefung kann aus mehreren Winkelfunktionen, Spline-Funktionen
oder beliebigen anderen trigonometrischen Funktionen zusammengesetzt
sein. Wichtig ist, dass die Oberfläche des Rings 38 am Übergang
zwischen zwei Funktionen keinen Knick und/oder Sprung aufweist.
-
Der
Oberflächenverlauf eines mit Hilfe der Grundfunktion berechneten
Basiselements 22 kann mit dem Ring 38 multipliziert
werden. Dabei entsprechen die Abmessungen x, y des Rings 38 also
in etwa den Abmessungen x, y des Basiselements 22, mit
dem der Ring 38 multipliziert werden soll. Es ist denkbar,
einzelne ausgewählte oder alle Basiselemente 22 mit
dem Ring 38 zu multiplizieren. Die Basiselemente 22 einer
Linse 1 können alle mit dem gleichen oder mit
unterschiedlichen Ringen 38 multipliziert werden. Selbstverständlich
ist es auch denkbar, bspw. einen Exponent ε einer Kosinusfunktion zur
Beschreibung des Oberflächenverlaufs eines Strukturelements 22 mit
den entsprechenden Amplitudenwerten des Rings 38 zu multiplizieren.
Dabei wird also nicht der Oberflächenverlauf selbst, sondern
eine Variable der den Flächenverlauf eines Strukturelements 22 beschreibenden
Funktion mit den Amplitudenwerten des Rings 38 multipliziert.
-
Alternativ
oder zusätzlich ist es denkbar, dass die Abmessungen x,
y des Rings 38 in etwa den Abmessungen x, y der Linse 1 in
Draufsicht entsprechen, so dass alle Basiselemente 22 mit
den entsprechenden Werten des Rings 38 multipliziert werden. Dabei
ergibt sich auf der Linsenoberfläche 3 eine ringförmige
Struktur, wobei die Amplituden der resultierenden Strukturelemente 22 in
einem Linsenabschnitt verringert werden (unter Umständen
auf bis zu Null, falls der Bereich 41 die Amplitude Null
hat), der einem den Ring 38 umgebenden Bereich 41 entspricht,
und ihre Maxima in einem anderen Linsenabschnitt haben, der einem
der ringförmigen oberen Stirnfläche 42 des
Rings 38 entsprechenden Bereich entspricht.
-
Der
Ring 38 muss nicht zentriert auf einem Strukturelement 22 bzw.
auf der Linse 1 positioniert sein, sondern kann auch dezentral
angeordnet sein.
- b) Nichtrotationssymmetrische
Verformung der einzelnen Strukturelemente 22 durch
– Deformation
(in der Regel anamorphotisch) der einzelnen Strukturelemente 22,
oder
– Stauchung oder Streckung der einzelnen Strukturelemente 22.
Ein
Ausschnitt einer dementsprechend ausgestalteten Linsenoberfläche 3 mit
nichtrotationssymmetrisch verformten Basiselementen 22 ist
beispielhaft in 9 dargestellt. Zur besseren
Sichtbarmachung der Form der Strukturen 22 sind diese überhöht
dargestellt.
- c) Anwendung grundsätzlich asymmetrisch angelegter
Strukturelemente 22, die eine zur Horizontalachse HH asymmetrische
Lichtumverteilung bewirken. Ein Ausschnitt einer dementsprechend ausgestalteten
Linsenoberfläche 3 mit asymmetrisch geformten
Strukturelementen 22 ist beispielhaft in 10 dargestellt.
Dabei sind ursprünglich (in Draufsicht) quadratische Einzelelemente 22 verbogen
und versetzt zueinander angeordnet. Ein Ausschnitt einer anderen
dementsprechend ausgestalteten Linsenoberfläche 3 mit
asymmetrisch geformten Strukturelementen 22 ist beispielhaft
in 11 dargestellt. Sowohl in 10 als auch
in 11 sind zur besseren Sichtbarmachung der Form
der Strukturen 22 diese überhöht dargestellt.
- d) Zusätzliche Verformung von Strukturelementen 22 durch
Modulation mit einer Ortsfrequenz ungleich der Größe
der einzelnen Strukturelemente 22, wodurch unterschiedlich
geformte Einzelelemente 22 entstehen. Ein Ausschnitt einer
dementsprechend ausgestalteten Linsenoberfläche 3 mit variabel
geformten Einzelelementen 22, erzeugt durch Aufmodulation
einer weiteren Funktion auf die Basiselemente 22 ist beispielhaft
in 12 dargestellt. Zur besseren Sichtbarmachung der Form
der Strukturen 22 sind diese überhöht
dargestellt.
- e) Wenn die Strukturelemente 22 um eine parallel zur
optischen Achse 9 der Linse 1 verlaufende, vorzugsweise
im Zentrum der Einzelzelle 21 angeordnete Rotationsachse 35,
nicht-rotationssymmetrisch ausgebildet sind, kann der Verlauf der
Linsenoberfläche 3 im Bereich einer Einzelzelle 21 durch
eine Rotation des nicht-rotationssymmetrischen Strukturelements 22 um
die Rotationsachse 35 um einen Rotationswinkel von größer
0° bis kleiner 90° variiert werden. Vorzugsweise
liegt der Rotationswinkel im Bereich von 30° bis 60°,
vorzugsweise bei 45°. Selbstverständlich kann
die Rotationsachse 35 auch außerhalb des Zentrums
der Einzelzelle 21 angeordnet sein.
-
Ein
Beispiel für eine mit einem solchen um die Rotationsachse 35 um
einen Rotationswinkel rotierten Strukturelement 22 erzielbare
Streucharakteristik ist in 13 dargestellt.
Die Streucharakteristik hat die Form einer um 45° rotierten
quadratischen Raute mit konkav gewölbten Seiten. Wie sich
aus der besonderen Form der Streucharakteristik ergibt, wird besonders
viel Licht in die Ecken abgelenkt. Eine Linse 1 mit um
Rotationsachsen 35 um bestimmte (auch unterschiedliche)
Rotationswinkel rotierten Strukturelementen 22 kann bspw.
bei einer Lichtquelle mit mehreren matrixartig angeordneten LEDs
interessant sein, da die in der Lichtverteilung erkennbaren dunklen
Gitterlinien zwischen den einzelnen LEDs, wo normalerweise nur wenig
Licht hinfällt, durch die besonders ausgestalteten Strukturelemente 22 kompensiert
werden können, da bewusst Licht in diese dunklen Bereiche
der Lichtverteilung (Gitterlinien und vor allem Kreuzungspunkte
zweier Gitterlinien) gelenkt wird. Insgesamt kann dadurch eine besonders gute
Homogenisierung des Lichts erreicht werden. Mit einem derart ausgebildeten
Lichtmodul kann insbesondere sog. Teilfernlicht realisiert werden,
bei dem das Lichtmodul stets eine Fernlichtverteilung aussendet
und Bereiche der Lichtverteilung, in denen sich andere Verkehrsteilnehmer
befinden, gezielt ausgeblendet oder abgedunkelt werden. Dies erfordert
geeignete Mittel, bspw. in Form einer Kamera, zum Erkennen anderer
Verkehrsteilnehmer und andere Mittel, bspw. ein Steuergerät,
zur Verarbeitung der Signale der Kamera, um andere Verkehrsteilnehmer
zu lokalisieren und die LEDs des Lichtmoduls entsprechend anzusteuern.
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Zur
Erzielung der in 13 dargestellten Streucharakteristik
können beliebig ausgestaltete Strukturelemente 22 eingesetzt
werden. Besonders geeignet sind quadratische Strukturelemente 22,
die sich durch Multiplikation zweier orthogonal zueinander angeordneter
Funktionen ergeben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004018424
A1 [0006]
- - DE 10343630 A1 [0007]