DE102008045765A1

DE102008045765A1 - Scheinwerfer für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE102008045765A1
Application number: DE102008045765A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr. Kloos
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2008-09-04
Filing date: 2008-09-04
Publication date: 2010-03-11

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Scheinwerfer für Kraftfahrzeuge mit mindestens einer Lichtquelle und einem in Lichtabstrahlrichtung vor der Lichtquelle angeordneten Optikelement zur Erzeugung einer Lichtverteilung, wobei das Optikelement eine Lichteinkoppelfläche zur Einkopplung des von der Lichtquelle abgestrahlten Lichtes, eine Lichtauskoppelfläche zur Auskopplung des Lichtes entsprechend einer vorgegebenen Lichtverteilung und eine die Lichteinkoppelfläche mit der Lichtauskoppelfläche verbindende und in Lichtabstrahlrichtung einen zumindest bereichsweise sich vergrößernden Querschnitt aufweisende mantelförmige Fläche umfasst, wobei das Optikelement einen Basisabschnitt und einen in vertikaler Richtung nach oben an demselben anschließenden Kopfabschnitt aufweist, wobei eine Unterseite des Basisabschnitts und eine Oberseite des Kopfabschnitts jeweils unter einem solchen vertikalen Öffnungswinkel in Lichtabstrahlrichtung verlaufen, dass ein eingekoppelter Lichtanteil nicht auf die Unterseite des Basisabschnitts bzw. Oberseite des Kopfabschnitts trifft und wobei eine aufrechte Seitenfläche des Basisabschnitts und eine aufrechte Seitenfläche des Kopfabschnitts jeweils unter einem solchen horizontalen Öffnungswinkel verbreitert in Lichtabstrahlrichtung verlaufen, dass ein eingekoppelter zweiter Lichtanteil höchstens einmal an denselben in Richtung einer Lichtauskoppelfläche des Basisabschnitts bzw. einer Lichtauskoppelfläche des Kopfabschnitts total reflektiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Scheinwerfer für Kraftfahrzeuge mit mindestens einer Lichtquelle und einem in Lichtabstrahlrichtung vor der Lichtquelle angeordneten Optikelement zur Erzeugung einer Lichtverteilung, wobei das Optikelement eine Lichteinkoppelfläche zur Einkopplung des von der Lichtquelle abgestrahlten Lichtes, eine Lichtauskoppelfläche zur Auskopplung des Lichtes entsprechend einer vorgegebenen Lichtverteilung und eine die Lichteinkoppelfläche mit der Lichtauskoppelfläche verbindende und in Lichtabstrahlrichtung einen zumindest bereichsweise sich vergrößernden Querschnitt aufweisende mantelförmige Fläche umfasst.
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 Lichteinkoppelfläche erstreckt sich eine mantelförmige Fläche, die in einem in Lichtabstrahlrichtung vorderen Bereich einen linear ansteigenden 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 mantelförmigen Fläche bewirkt, dass Lichtstrahlen mit großem Einfallswinkel durch Totalreflexion an diesem Bereich der Mantelfläche in einem Brennpunkt gesammelt werden, der innerhalb des Optikelementes liegt. Durch diese Zwischenfokussierung wird eine relativ scharfe Hell-Dunkel-Grenze erzeugt, so dass eine Abblendlichtfunktion generiert werden kann. Nachteilig an dem bekannten Scheinwerfer ist, dass durch die zwischenfokussierende 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.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Scheinwerfer für Kraftfahrzeuge derart weiterzubilden, dass die Lichtstromeffizienz auf einfache Weise verbessert wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Optikelement einen Basisabschnitt und einen in vertikaler Richtung nach oben an demselben anschließenden Kopfabschnitt aufweist, wobei eine Unterseite des Basisabschnitts und eine Oberseite des Kopfabschnitts jeweils unter einem solchen vertikalen Öffnungswinkel verlaufen, dass ein eingekoppelter Lichtanteil nicht auf die Unterseite des Basisabschnitts bzw. Oberseite des Kopfabschnitts trifft und wobei eine aufrechte Seitenfläche des Basisabschnitts und eine aufrechte Seitenfläche des Kopfabschnitts jeweils unter einem solchen horizontalen Öffnungswinkel verbreitert verlaufen, dass ein eingekoppelter zweiter Lichtanteil höchstens einmal an denselben in Richtung einer Lichtauskoppelfläche des Basisabschnitts bzw. einer Lichtauskoppelfläche des Kopfabschnitts totalreflektiert wird.
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die Kombination eines unteren Basisabschnitts und eines oberen Kopfabschnitts eines Optikelementes, die jeweils über aufrechte Seitenwände einen vorgegebenen horizontalen Öffnungswinkel aufweisen, die Lichtstromeffizienz, das heißt der Wirkungsgrad auf mehr als 70% erhöht werden kann. Durch die einstückige Ausbildung des Optikelementes lässt sich ein sehr kompaktes Lichtmodul aufbauen, das lediglich eine Baulänge von 20 mm aufweisen kann. Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Optikelement in gewissen Bereichen skalierbar, das heißt, es kann eine Anpassung an Bauraumerfordernisse des Scheinwerfers erfolgen. Ferner weist das erfindungsgemäße Optikelement eine relativ hohe Robustheit bezüglich eines unerwünschten „Weglaufens” der Lage der Hell-Dunkel-Grenze als Funktion des Temperaturganges auf. Der horizontale Öffnungswinkel der Seitenflächen des Kopfabschnitts und des Basisabschnitts des Optikelements sind jeweils so gewählt, dass sich eine maximale Lichtausbeute sowie eine gewünschte horizontale Streubreite ergeben. Vorteilhaft wird durch die mittels des Kopf abschnitts und des Basisabschnitts bewirkte Lichtführung ein symmetrischer Anteil mittlerer Streubreite unmittelbar unterhalb einer Hell-Dunkel-Grenze einer Lichtverteilung erzeugt. Vorteilhaft kann hierdurch ein wesentlicher Teil einer Abblendlichtverteilung erzeugt werden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der Kopfabschnitt des Optikelementes derart ausgebildet, dass durch die Lichtauskoppelfläche desselben Lichtstrahlen ausgekoppelt werden, die einen Lichtstromanteil unmittelbar unterhalb einer Hell-Dunkel-Grenze der gewünschten Lichtverteilung bilden. Vorteilhaft kann hierdurch ein Symmetrieanteil einer durch den Scheinwerfer erzeugten Lichtverteilung erzeugt werden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist eine aufrechte Seitenfläche des Kopfabschnitts des Optikelementes geneigt ausgebildet, so dass eine gezielte Lichtführung der an den Seitenflächen totalreflektierten Lichtstrahlen in Richtung der Lichtauskoppelfläche bewirkt wird, um einen symmetrischen Lichtstromanteil unmittelbar unterhalb einer Hell-Dunkel-Grenze einer Lichtverteilung zu erzeugen.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Seitenansicht eines Optikelementes des Scheinwerfers mit einem Basisabschnitt und mit einem obenseitig angeschlossenen Kopfabschnitt,
2a eine perspektivische Darstellung des Optikelementes von hinten,
2b eine perspektivische Darstellung des Optikelementes von hinten, wobei verdeckte Kanten des Optikelementes gestrichelt dargestellt sind,
3a eine perspektivische Darstellung des Optikelementes seitlich von vorne,
3b eine perspektivische Darstellung des Optikelementes seitlich von vorne, wobei verdeckte Kanten des Optikelementes gestrichelt dargestellt sind,
4 eine perspektivische Darstellung des Optikelementes seitlich von oben, wobei verdeckte Kanten des Optikelementes gestrichelt dargestellt sind,
5 eine Seitenansicht des Optikelementes mit eingezeichneten Lichtstrahlen,
6 eine Ansicht des Optikelementes von unten mit exemplarischen durch den Basisabschnitt des Optikelements geführten Lichtstrahlen und
7 eine Draufsicht des Optikelementes mit exemplarisch durch den Kopfabschnitt geführten Lichtstrahlen.
Ein Scheinwerfer für Kraftfahrzeuge besteht im Wesentlichen aus einer Lichtquelle 1, einem in Lichtabstrahlrichtung 2 vor der Lichtquelle angeordneten Optikelement 3 und einer in einem Abstand zu dem Optikelement 3 angeordneten nicht dargestellten Abschlussscheibe. Die Abschlussscheibe deckt ein Gehäuse des Scheinwerfers ab, in dem zusätzlich zu dem durch die Lichtquelle 1 und dem Optikelement 3 gebildeten Lichtmodul weitere Lichtmodule zur Erzeugung der gleichen Lichtverteilung oder anderer Lichtverteilungen angeordnet sind. Das in den 1 bis 7 dargestellte Optikelement kann zur Erzeugung des symmetrischen Anteils einer Abblendlichtverteilung dienen.
Die Lichtquelle 1 ist gebildet durch eine Mehrzahl von LED-Chips, die auf einer gemeinsamen Trägerplatte matrixartig angeordnet sind. Die Trägerplatte kann mit einem Kühlkörper verbunden sein zur Kühlung der auf dem Träger der Lichtquelle angeordneten Leitungshalbleiter. Alternativ kann die Lichtquelle 1 auch lediglich ein einziges LED-Leuchtelement bzw. LED-Chip aufweisen.
Das Optikelement 3 besteht aus einem Basisabschnitt 4 und einem sich an einer Oberseite 5 des Basisabschnitts 4 anschließenden Kopfabschnitt 6.
Der Basisabschnitt 4 weist auf einer der Lichtquelle 1 zugewandten Seite eine vorzugsweise eben ausgebildete Lichteinkoppelfläche 7 auf, die vorzugsweise die Lichteinkoppelfläche des Optikelementes 3 bildet. Der Basisabschnitt 4 weist eine der Oberseite 5 gegenüberliegende Unterseite 8 auf, die – wie die Oberseite 5 – eben ausgebildet ist, sich jedoch unter einem Winkel α₁ bezüglich einer Horizontalebene H in Lichtabstrahlrichtung 2 nach unten erstreckt. Da die Oberseite 5 des Basisabschnitts 4 in einer horizontalen Ebene verläuft, verbreitert sich der Basisabschnitt 4 in Lichtabstrahlrichtung 2 unter einem vertikaler Öffnungswinkel α₁, siehe 5.
Zwischen der Oberseite 5 und der Unterseite 8 des Basisabschnitts 4 erstrecken sich jeweils als mantelförmige Flächen Seitenflächen 9, 9', die jeweils eben ausgebildet sind und die in Lichtabstrahlrichtung 2 unter einem horizontalen Öffnungswinkel β₁ auseinander laufen. Die Seitenflächen 9, 9' grenzen an der Lichteinkoppelfläche 7 einerseits und an einer in Lichtabstrahlrichtung 2 vorderen gewölbten großen Lichtauskoppelfläche 10 des Basisabschnitts 4 andererseits an. Der Basisabschnitt 4 verbreitert sich in Lichtabstrahlrichtung 2 sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung.
Der Kopfabschnitt 6 geht unmittelbar in den Basisabschnitt 4 über, wobei die Kontur einer Unterseite 11 des Kopfabschnitts 6 nicht kongruent zu der Oberseite 5 des Basisabschnitts 4 verläuft.
Wie insbesondere aus 4 ersichtlich ist, ist der Kopfabschnitt 6 plattenförmig ausgebildet, wobei die Dicke des plattenförmigen Kopfabschnitts 6 in Lichtabstrahlrichtung 2 zunimmt. Der Kopfabschnitt 6 weist auf einer der Unterseite 11 gegenüberliegenden Seite eine Oberseite 12 auf, die mit der Unterseite 11 einen vertikalen Öffnungswinkel α₂ bildet, der kleiner ist als der vertikale Öffnungswinkel α₁ des Kopfabschnitts 6. Die Unterseite 11 und die Oberseite 12 des Kopfabschnitts 6 sind durch Seitenflächen 13, 13' miteinander verbunden, die einen horizontalen Öffnungswinkel β₂ bilden, siehe 7. Die Seitenflächen 13, 13' sind jeweils dreieckförmig ausgebildet, wobei jeweils der Unterseite 11 und der Oberseite 12 zugewandte Kanten der Seitenflächen 13, 13' auf der Lichteinkoppelseite zusammenlaufen. Die Kanten der Seitenflächen 13, 13' laufen somit im Lichteinkoppelbereich mit einer der Lichtquelle 1 zugewandten Kante der Oberseite 5 des Basisabschnitts 4 zusammen.
Ferner weist der Kopfabschnitt 6 eine vorderseitige kleine Lichtauskoppelfläche 14 auf, die zylinderlinsenartig gewölbt ausgebildet ist. Die Wölbung der kleinen Lichtauskoppelfläche 14 erstreckt sich im Wesentlichen in vertikaler Richtung, wobei die Zylinderachse dieses Zylinderlinsenabschnitts in horizontaler Richtung verläuft.
Wie aus 3b zu ersehen ist, ragt die kleine Lichtauskoppelfläche 14 mit seitlichen Zwickeln 15 in Lichtabstrahlrichtung 2 über die Lichtauskoppelfläche 10 des Basisabschnitts 4 hinaus. Der vertikale Öffnungswinkel α₁ und der horizontale Öffnungswinkel β₁ der großen Lichtauskoppelfläche 10 des Basisabschnitts 4 ist jedoch größer als der vertikale Öffnungswinkel α₂ bzw. horizontale Öffnungswinkel β₂ der kleinen Lichtauskoppelfläche 14 des Kopfabschnitts 6.
Wie aus 6 ersichtlich ist, sind der Kopfabschnitt 6 und der Basisabschnitt 4 symmetrisch zu einer Vertikalebene V ausgebildet.
Wie aus 4 ersichtlich ist, weist der Kopfabschnitt 6 zumindest eine Seitenfläche 13' auf, die bezüglich einer Vertikalebene geneigt angeordnet ist. Hierbei weist ein unterer Rand 16 der Seitenfläche 13' einen größeren Abstand zu der vertikalen Mittelebene V des Kopfabschnitts 6 auf, als ein oberer Rand 17 derselben. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Seitenfläche 13' schräg nach unten geneigt, so dass ein unterer Bereich des Kopfabschnitts 6 breiter ist als ein oberer Bereich desselben.
In den 5, 6 und 7 sind exemplarisch Lichtstrahlen eingezeichnet, anhand derer die Funktion des Basisabschnitts 4 und des Kopfabschnitts 6 des Optikelementes 3 verdeutlicht wird. Aus 5 ist ersichtlich, dass der vertikale Öffnungswinkel α₁ plus α₂ des Optikelementes 3 so gewählt ist, dass ein in dem Basisabschnitt 4 einge koppelter Lichtanteil (Lichtstrahl l₁) und ein in dem Kopfabschnitt 6 eingekoppelter Lichtanteil (Lichtstrahl l₂) nicht totalreflektiert wird, sondern lediglich an der großen Lichtauskoppelfläche 10 bzw. der kleinen Lichtauskoppelfläche 14 gebrochen wird. Die Größe des nicht gebrochenen Lichtanteils ergibt sich darüber hinaus aus dem horizontalen Öffnungswinkel β₁ des Basisabschnitts 4 sowie des horizontalen Öffnungswinkels β₂ des Kopfabschnitts 6. Überschreitet beispielsweise ein Lichtstrahl l₃ den horizontalen Öffnungswinkelbereich β₁ des Basisabschnitts 4, wird er an der Seitenfläche 9' totalreflektiert und tritt dann über die große Lichtauskoppelfläche 10 in Lichtabstrahlrichtung 2 aus. Überschreitet ein Lichtstrahl l₄ den horizontalen Öffnungswinkel β₂ des Kopfabschnitts 6, so wird er an der Seitenfläche 13 des Kopfabschnitts 6 totalreflektiert und tritt dann an der Lichtauskoppelfläche 14 in Lichtabstrahlrichtung 2 aus. Wie aus den Figuren ersichtlich ist, sind die Seitenflächen 9, 9' bzw. 13, 13' des Basisabschnitts 4 und des Kopfabschnitts 6 sowie die Ober- und Unterseiten 5, 8, 11, 12 des Basisabschnitts 4 bzw. Kopfabschnitts 6 derart ausgelegt, dass die Lichtstrahlen l₃, l₄ maximal einmal in dem Basisabschnitt 4 bzw. Kopfabschnitt 6 totalreflektiert werden, bevor sie das Optikelement 3 an der Lichtauskoppelfläche 7 bzw. 10 verlassen. Vorteilhaft kann hierdurch eine relativ hohe Lichtstromeffizienz gewährleistet sein.
Das Optikelement 3 kann aus einem Kunststoffmaterial oder Glasmaterial hergestellt sein. Vorteilhaft ermöglicht das aus Kunststoff hergestellte Optikelement 3 eine relativ hohe Robustheit, wobei eine Kompensation des unerwünschten „Wanderns” der Lage der Hell-Dunkel-Grenze als Funktion des Temperaturganges kompensiert wird.

1: Lichtquelle
2: Lichtabstrahlrichtung
3: Optikelement
4: Basisabschnitt
5: Oberseiten
6: Kopfabschnitt
7: Lichteinkoppelfläche
8: Unterseite
9, 9': Seitenflächen
10: große Lichtauskoppelflächen
11: Unterseite
12: Oberseite
13, 13': Seitenflächen
14: kleine Lichtauskoppelflächen
15: Zwickel
16: unterer Rand
17: oberer Rand
H: Horizontalebene
V: Vertikalebene
α: vertikaler Öffnungswinkel
β: horizontaler Öffnungswinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10302969 A1 [0002]

Claims

Scheinwerfer für Kraftfahrzeuge mit mindestens einer Lichtquelle und einem in Lichtabstrahlrichtung vor der Lichtquelle angeordneten Optikelement zur Erzeugung einer Lichtverteilung, wobei das Optikelement – eine Lichteinkoppelfläche zur Einkopplung des von der Lichtquelle abgestrahlten Lichtes, – eine Lichtauskoppelfläche zur Auskopplung des Lichtes entsprechend einer vorgegebenen Lichtverteilung und – eine die Lichteinkoppelfläche mit der Lichtauskoppelfläche verbindende und in Lichtabstrahlrichtung einen zumindest bereichsweise sich vergrößernden Querschnitt aufweisende mantelförmige Fläche umfasst, dadurch gekennzeichnet, – dass das Optikelement (3) einen Basisabschnitt (4) und einen in vertikaler Richtung nach oben an demselben anschließenden Kopfabschnitt (6) aufweist, – wobei eine Unterseite (8) des Basisabschnitts (4) unter einem solchen vertikalen Öffnungswinkel (α₁, α₂) in Lichtabstrahlrichtung (2) verläuft, dass ein eingekoppelter Lichtanteil (l1, l2) nicht auf die Unterseite (8) des Basisabschnitts (4) trifft und – wobei eine aufrechte Seitenfläche (9, 9') des Basisabschnitts (4) und eine aufrechte Seitenfläche (13, 13') des Kopfabschnitts (6) jeweils unter einem solchen horizontalen Öffnungswinkel (β₁, β₂) verbreitert in Lichtabstrahlrichtung (2) verlaufen, dass ein eingekoppelter zweiter Lichtanteil (l₃, l₄) höchstens einmal an denselben in Richtung einer Lichtauskoppelfläche (10) des Basisabschnitts (4) bzw. einer Lichtauskoppelfläche (14) des Kopfabschnitts (6) totalreflektiert wird.
Scheinwerfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopfabschnitt (6) einen sich in Lichtabstrahlrichtung (2) vergrößernden Querschnitt aufweist, wobei die Oberseite (12) des Kopfabschnitts (6) mit einer Unterseite (11) desselben in der Lichteinkoppelfläche (7) des Optikelementes (3) zusammenläuft.
Scheinwerfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtauskoppelfläche des Optikelementes (3) durch eine gewölbte große Lichtauskoppelfläche (10) des Basisabschnitts (4) und durch eine gewölbte kleine Lichtauskoppelfläche (14) des Kopfabschnitts (6) gebildet ist, wobei die kleine Lichtauskoppelfläche (14) des Kopfabschnitts (6) mit seitlichen Zwickeln (15) über die große Lichtauskoppelfläche (10) des Basisabschnitts (4) hinausragt.
Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopfabschnitt (6) derart ausgebildet ist, dass durch die kleine Lichtauskoppelfläche (14) desselben ein eingekoppelter Lichtanteil (l₄) ausgekoppelt wird, der einen Lichtstromanteil unmittelbar unterhalb einer Hell-Dunkel-Grenze der Lichtverteilung bildet.
Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aufrechte Seitenfläche (13') des Kopfabschnitts (6) geneigt ausgebildet ist, wobei ein unterer Rand (16) des Seitenfläche (13') einen größeren Abstand zu einer vertikalen Mittelebene (V) des Kopfabschnitts (6) aufweist als ein oberer Rand (17) derselben Seitenfläche (13').
Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Basisabschnitt (4) und der Kopfabschnitt (6) symmetrisch zu einer Vertikalebene (V) ausgebildet sind.
Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der horizontale Öffnungswinkel (β₁) des Basisabschnitts (4) größer ist als der horizontale Öffnungswinkel (β₂) des Kopfabschnitts (6) und dass der vertikale Öffnungswinkel (α₁) des Basisabschnitts (4) größer ist als der verti kale Öffnungswinkel (α₂) des Kopfabschnitts (6).
Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenflächen (9, 9') des Basisabschnitts (4) und die Seitenflächen (13, 13') des Kopfabschnitts (6) eben ausgebildet sind.
Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (1) durch einen LED-Chip gebildet ist, der in der Nähe der Lichteinkoppelfläche (7) positioniert ist.
Scheinwerfer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugte Lichtverteilung einen unmittelbar unter der Hell-Dunkel-Grenze angeordneten symmetrischen Anteil mittlerer Streubreite einer Abblendlichtverteilung bildet.