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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Licht emittierende Vorrichtung
umfassend
- – eine Leuchtdiodenanordnung
mit einer Vorderseite und einer Rückseite, umfassend mindestens eine
Leuchtdiode zum Aussenden von Licht zumindest in einer erste Richtung
im Wesentlichen senkrecht zu der Vorderseite der Leuchtdiodenanordnung
und weg von der Leuchtdiodenanordnung,
- – eine Bündelungsanordnung umfassend mindestens
ein der mindestens einen Leuchtdiode zugeordnetes optisches Element
zum Bündeln des von der mindestens einen Leuchtdiode empfangenen Lichts,
einschließlich des von der mindestens einen Leuchtdiode
in der ersten Richtung ausgesandten Lichts, und
- – eine Umlenkanordnung umfassend mindestens eine dem
mindestens einen optischen Element zugeordnete Reflexionsfläche
zum Umlenken des von dem mindestens einen optischen Element gebündelten
Lichts zumindest in eine von der ersten Richtung abweichende zweite
Richtung.
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Die
Erfindung betrifft außerdem eine Beleuchtungseinrichtung
für ein Kraftfahrzeug umfassend eine Lichtquelle zum Aussenden
von Lichtstrahlen und einen Reflektor zum Reflektieren der ausgesandten
Lichtstrahlen in eine Lichtaustrittsrichtung vor das Kraftfahrzeug.
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Derartige
Licht emittierende Vorrichtungen sind in unterschiedlichen Ausführungsformen
aus dem Stand der Technik bekannt. Das Ziel der aus dem Stand der
Technik bekannten Vorrichtungen ist es, den nach vorne im wesentlichen
parallel zur optischen Achse gerichteten Abstrahlwinkel der Leuchtdiodenanordnung
zur Seite hin umzulenken. Eine solche seitliche Umlenkung der Lichtstrahlen
ist bspw. in Beleuchtungseinrichtungen von Kraftfahrzeugen zur Erzielung
bestimmter Beleuchtungsfunktionen bzw. bestimmter Lichtverteilungen
erforderlich.
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Aus
der
EP 1 255 306 A2 ist
eine Licht emittierende Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt,
bei der in Lichtaustrittsrichtung vor der Leuchtdiodenanordnung
eine Vorsatzoptik angeordnet ist, in die von der Leuchtdiodenanordnung
ausgesandte Lichtstrahlen eingekoppelt werden. Das eingekoppelte
Licht wird mittels Totalreflexion seitlich abgelenkt und dann radial
aus der Vorsatzoptik im Wesentlichen parallel ausgekoppelt. Nachteilig
ist dabei, dass das von der Vorrichtung seitlich abgelenkte Licht
nur in einem sehr begrenzten Winkel von der Seite zu sehen ist.
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Des
weiteren ist bspw. aus der Veröffentlichung Kondo,
Toshiyuki et al.: „Highly Efficient LED Combination Rear Lamp" im
Rahmen des Symposiums „Progress in Automotive Lighting" (PAL)
2001 an der TU Darmstadt, Deutschland, Seiten 546–559 eine
Licht emittierende Vorrichtung bekannt, die einen Reflektor mit
einer Öffnung für eine Leuchtdiodenanordnung umfasst.
Als Bündelungsanordnung ist auf der optischen Achse der
Vorrichtung vor der Leuchtdiodenanordnung ein hyperbolischer Reflektor angeordnet,
der von der Leuchtdiodenanordnung ausgesandtes Licht auf den die
Leuchtdiodenanordnung umgebenden Reflektor reflektiert. Nachteilig
ist dabei, dass ein Teil der von der Leuchtdiodenanordnung ausgesandten
Lichtstrahlen von dem hyperbolischen Reflektor wieder zurück
auf die Leuchtdiodenanordnung reflektiert wird und dort ungenutzt
verloren geht. Dadurch ergibt sich ein relativ schlechter Wirkungsgrad
der bekannten Licht emittierenden Vorrichtung. Die bekannte Vorrichtung
weist also einen relativ kleinen, insbesondere einen von herkömmlichen
Glühlampen deutlich abweichenden Abstrahlwinkel α auf.
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Darüber
hinaus ist aus der
US
7,021,797 B2 eine Licht emittierende Vorrichtung bekannt,
bei der in Lichtaustrittsrichtung vor der Leuchtdiodenanordnung
eine Vorsatzoptik angeordnet ist, die von der Leuchtdiodenanordnung
ausgesandte Lichtstrahlen auf einen realen Brennpunkt bündelt,
bevor sie dann seitlich abgelenkt werden. Nachteilig bei der bekannten
Vorrichtung ist jedoch, dass das Licht zunächst über
Totalreflexion auf den realen Brennpunkt fokussiert und danach erst
seitlich verteilt wird. Dies macht die Vorrichtung sehr toleranzempfindlich
und damit relativ aufwendig und teuer in der Herstellung. Zudem
ist die bekannte Vorrichtung aufgrund der Fokussierung der Lichtstrahlen
in einem realen Brennpunkt relativ groß bauend, insbesondere
deutlich größer bauend als herkömmliche
Glühlampen.
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Schließlich
ist aus der
US 7,275,849
B2 eine Licht emittierende Vorrichtung der eingangs genannte
Art bekannt, bei der die Bündelungsanordnung und die Umlenkanordnung
in einem gemeinsamen Bauteil in Form einer Vorsatzoptik integriert
sind. Die Bündelungsanordnung ist derart ausgebildet, dass die
von der Leuchtdiode ausgesandten Lichtstrahlen parallelisiert werden.
Die Umlenkanordnung lenkt die Lichtstrahlen des von der Bündelungsanordnung
gebündelten Lichts in einer Weise seitlich um, dass imaginäre
Verlängerungen der umgelenkten Lichtstrahlen entgegen der
Lichtaustrittsrichtung einen gemeinsamen imaginären Schnittpunkt
aufweisen, der zwischen einer Reflexionsfläche der Umlenkanordnung und
der Leuchtdiode angeordnet ist. Eine Lichtauskoppelfläche
der Vorsatzoptik ist als eine Kugel-Ringsegmentfläche ausgebildet,
durch die das an der Reflexionsfläche umgelenkte Licht
optisch unbeeinflusst hindurchtritt. Problematisch ist dabei, dass
die bekannte Vorrichtung wenig Flexibilität in Bezug auf
die erzielbare Lichtverteilung aufweist.
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Ausgehend
von dem beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung
die Aufgabe zugrunde, eine Licht emittierende Vorrichtung der eingangs
genannten Art dahingehend auszugestalten und weiterzubilden, dass
das von der Leuchtdiodenanordnung ausgesandte Licht in einem relativ großen
Abstrahlwinkel α radial abgelenkt wird, die Vorrichtung
einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweist, gleichzeitig
möglichst kompakt ausgebildet ist und eine hohe Flexibilität
bezüglich der Erzielung verschiedener Lichtverteilungen
ist.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe wird eine Licht abstrahlende Vorrichtung
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Insbesondere wird
vorgeschlagen, dass die Umlenkanordnung als eine Vorsatzoptik mit
mindestens einer Lichteinkoppelfläche, über die
das von der mindestens einen Leuchtdiode empfangene Licht einschließlich
des von der mindestens einen Leuchtdiode in der ersten Richtung
ausgesandten Lichts, in die Vorsatzoptik eintritt, mindestens einer
Reflexionsfläche zum Umlenken des von dem mindestens einen
optischen Element gebündelten Lichts, und mindestens einer
Lichtauskoppelfläche, über die das von der mindestens
einen Reflexionsfläche umgelenkte Licht in der zweiten
Richtung aus der Vorsatzoptik austritt, wobei die mindestens eine
Reflexionsfläche und die mindestens eine Lichtauskoppelfläche
derart relativ zueinander angeordnet und von ihrer Ausgestaltung
her aufeinander abgestimmt sind, dass die Umlenkanordnung die Lichtstrahlen
des von dem mindestens einen optischen Element gebündelten
Lichts in einer Weise seitlich umlenkt, dass imaginäre
Verlängerungen der umgelenkten Lichtstrahlen entgegen der
Lichtaustrittsrichtung einen gemeinsamen imaginären Schnittpunkt,
eine gemeinsame imaginäre Schnittpunktwolke, eine imaginäre
horizontale oder vertikale Schnittpunktlinie, einen imaginären
Schnittpunktkreis oder Schnittpunkttorus aufweisen. Die Schnittpunktanordnung
liegt im Wesentlichen in dem durch die mindestens eine Reflexionsfläche
begrenzten Volumen, welches der mindestens einen Lichtquelle abgewandt
ist, und einer Fläche, die durch eine Randkontur der Reflexionsfläche
aufgespannt ist.
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Durch
die Fokussierung des ausgesandten Lichts in einem imaginären
Brennpunkt bzw. einer Brennpunktswolke kann die erfindungsgemäße
Licht emittierende Vorrichtung besonders klein bauend ausgebildet
werden. Die Wolke kann die Form einer Linie, eines Torus oder eines
Kreises haben. Die Vorrichtung benötigt deutlich weniger
Platz als die aus dem Stand der Technik bekannten Licht emittierenden
Vorrichtungen. Sie kann problemlos an Stelle einer herkömmlichen
Glühlampe in einen Reflektor einer Beleuchtungseinrichtung
eingesetzt werden. Dort erfüllt sie die gleiche Funktion
wie zuvor die Glühlampe. Das wird insbesondere dadurch
ermöglicht, dass die erfindungsgemäße
Vorrichtung einen besonders großen Abstrahlwinkel α aufweist.
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Wenn
in der vorliegenden Anmeldung von „Richtung” gesprochen
wird, ist selbstverständlich nicht gemeint, dass die Lichtstrahlen,
die in einer Richtung verlaufen, alle parallel zueinander verlaufen.
Vielmehr ist damit eine „Hauptrichtung” von divergierenden
Lichtstrahlen bezeichnet. Insbesondere die in die zweite Richtung
seitlich umgelenkten Lichtstrahlen verlaufen bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
nicht parallel zueinander, sondern weisen einen relativ großen
Abstrahlwinkel α auf.
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Die
mindestens eine Umlenkanordnung ist als eine Vorsatzoptik ausgebildet.
Die Vorsatzoptik umfasst mindestens eine Lichteinkoppelfläche, über die
das von der mindestens einen Leuchtdiode empfangene Licht, einschließlich
des von der mindestens einen Leuchtdiode in der ersten Richtung
ausgesandten Lichts, in die Vorsatzoptik eintritt, mindestens eine
Reflexionsfläche zum Umlenken des von dem mindestens einen
optischen Element gebündelten Lichts, und mindestens eine
Lichtauskoppelfläche auf, über die das von der
mindestens einen Reflexionsfläche umgelenkte Licht in der
zweiten Richtung aus der Vorsatzoptik austritt. Als Bündelungsanordnung
kann unter Umständen allein die Einkoppelfläche
dienen, da allein schon beim Übergang der Lichtstrahlen
von der Luft in das optisch dichtere Material der Vorsatzoptik (z.
B. transparenter Kunststoff oder Glas) eine ausreichende Bündelung
der Lichtstrahlen erzielt werden kann. Für eine stärkere
Bündelung der Lichtstrahlen kann vor der Einkoppelfläche
oder in die Einkoppelfläche integriert zusätzlich ein
optisches Element, bspw. in Form einer Linse, insbesondere in Form
einer Kollimatorlinse, vorgesehen sein.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung verläuft
die zweite Richtung im Wesentlichen parallel zu der Vorderseite
der Leuchtdiodenanordnung und weg von der Leuchtdiodenanordnung.
Insbesondere verläuft die zweite Richtung im Wesentlichen
orthogonal zu der ersten Richtung.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform umfasst das mindestens eine
optische Element der Bündelungsanordnung mindestens eine
Linse. Die Linse der Bündelungsanordnung ist vorteilhafterweise
als eine Kollimatorlinse ausgebildet. Die Erfindung funktioniert
jedoch ebenfalls sehr gut, auch wenn die in die Umlenkanordnung
einfallenden Lichtstrahlen nicht parallel zueinander verlaufen.
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Vorzugsweise
lenkt die mindestens eine Reflexionsfläche der Vorsatzoptik
das Licht mittels Totalreflexion um. Alternativ weist die mindestens
eine Reflexionsfläche eine reflektierende Beschichtung auf.
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Gemäß noch
einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass
auf der mindestens einen Reflexionsfläche der Umlenkanordnung
optisch wirksame Strukturen zum Aufweiten des Brennpunkts der Lichtstrahlen
in eine Brennlinie ausgebildet sind. In entsprechender Weise ist
es dankbar, dass auf einer Lichtauskoppelfläche der Vorsatzoptik
optisch wirksame Strukturen zum Aufweiten des Brennpunkts der Lichtstrahlen
in eine Brennlinie ausgebildet sind. Die optisch wirksamen Strukturen
sind vorteilhafterweise in Form von konkaven oder konvexen Kissenoptiken,
Prismen oder deren beliebige Kombination ausgebildet. Eine Kissenoptik
umfasst eine konkav oder konvex gekrümmte Linse, die eine
rechteckige Grundfläche mit nach innen gewölbten
Seiten aufweist.
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Des
weiteren wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung zumindest einen
der Leuchtdiodenanordnung zugeordneten Kühlkörper
aufweist, wobei die Bündelungsanordnung und die Umlenkanordnung derart
ausgebildet und aufeinander abgestimmt sind, dass der Brennpunkt
bzw. die Brennlinie oder die Brennpunktwolke der Lichtstrahlen außerhalb
des Kühlkörpers liegt.
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Als
eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung
wird ausgehend von der Beleuchtungseinrichtung der eingangs genannten
Art vorgeschlagen, dass die Beleuchtungseinrichtung als Lichtquelle
eine erfindungsgemäße Licht emittierende Vorrichtung
aufweist.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand
der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung mit einer
erfindungsgemäßen Licht emittierende Vorrichtung
gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform;
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2 eine
erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung mit einer
erfindungsgemäßen Licht emittierende Vorrichtung
gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform;
-
3 verschiedene Ausführungsformen
von Reflexions- und Lichtaustrittsflächen einer Vorsatzoptik,
die eine Bündelungsanordnung und eine Umlenkanordnung umfasst,
der erfindungsgemäße Vorrichtung nach 2;
-
4 einen
Ausschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 1 mit
einer als Halbkugel ausgebildeten Bündelungsanordnung;
-
5 einen
simulierten Lichtstrahlenverlauf, der mit einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung erzielt werden kann;
-
6 einen
weiteren simulierten Lichtstrahlenverlauf, der mit einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung erzielt werden kann;
-
7 eine
aus dem Stand der Technik bekannte Beleuchtungsvorrichtung mit einer
herkömmlichen Glühlampe als Lichtquelle;
-
8 eine
aus dem Stand der Technik bekannte Beleuchtungsvorrichtung mit einer
bekannten Licht emittierenden Vorrichtung als Lichtquelle;
-
9 eine
Lichtverteilung der aus der
EP
1 255 306 A2 bekannten Licht emittierenden Vorrichtung;
und
-
10a bis 10c verschiedene
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in Draufsicht.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Licht emittierende Vorrichtung
umfassend
- – eine Leuchtdiodenanordnung,
- – eine Bündelungsanordnung, und
- – eine Umlenkanordnung.
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Die
Leuchtdiodenanordnung umfasst mindestens eine Leuchtdiode zum Aussenden
von Licht. Die Bündelungsanordnung umfasst mindestens ein optisches
Element zum Bündeln des von der mindestens einen Leuchtdiode
ausgesandten Lichts. Die Umlenkanordnung umfasst mindestens eine
dem mindestens einen optischen Element zugeordnete Reflexionsfläche
zum Umlenken des von dem mindestens einen optischen Element gebündelten Lichts.
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Eine
solche Licht emittierende Vorrichtung kann bspw. als Lichtquelle
in einer Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung eingesetzt werden.
Das von der Vorrichtung ausgesandte Licht wird auf einen Hauptreflektor
einer Kraftfahrzeugleuchte oder eines Kraftfahrzeugscheinwerfers
gelenkt. Von dort wird es dann in an sich bekannter Weise zur Erzeugung
einer gewünschten Lichtverteilung bzw. Beleuchtungsfunktion
reflektiert. Der Hauptreflektor kann eine paraboloide, eine ellipsoide
oder eine davon abweichende computerberechnete Freiform aufweisen.
Zur Berechnung der Reflexionsfläche eines Freiformreflektors
stehen eine Vielzahl bekannter computerimplementierter Entwurfswerkzeuge
zur Verfügung, die dem Fachmann bekannt sind. Zur Erzeugung
der Lichtverteilung können im Strahlengang des von dem Hauptreflektor
reflektierten Lichts zusätzlich noch eine Blendenanordnung
umfassend mindestens ein Blendenelement, eine Sekundäroptik
umfassend bspw. mindestens eine Projektionslinse, eine eine Lichtaustrittsöffnung
eines Gehäuses der Beleuchtungseinrichtung verschließende
Abdeckscheibe aus Glas oder transparentem Kunststoff und/oder weitere optisch
wirksame Elemente, bspw. auf einer Abdeckscheibe der Beleuchtungseinrichtung,
angeordnet sein.
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Ähnliche
Licht emittierende Vorrichtungen sind bspw. aus dem Artikel „Highly
Efficient LED Combination Rear Lamps" von Kondo, T. et
al. (Stanley Electric Co. Ltd., Japan, veröffentlicht auf
dem PAL (Progress in Automotive Lighting) 2001 Symposium, Technische
Universität Darmstadt, S. 546–559 bekannt
(vgl. 8). Die bekannte Vorrichtung umfasst eine Leuchtdiodenanordnung 1,
eine in die Leuchtdiodenanordnung 1 integrierte kugelsegmentförmige
Vorsatzlinse (nicht dargestellt) als Bündelungsanordnung
sowie einen hyperbolischen Reflektor 2 als Umlenkanordnung.
Das Licht der Leuchtdiodenanordnung 1 wird zentral, das
heißt entlang der optischen Achse der Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung,
in Richtung Reflexionsfläche des Umlenkelements 2 abgestrahlt,
von wo aus es auf einen Hauptreflektor 3 der Beleuchtungseinrichtung
umgelenkt wird. Der hyperbolische Reflektor 2 reflektiert aber
einen Teil des Lichts in einem zentralen Bereich wieder zurück
in Richtung der Leuchtdiodenanordnung 1. Dort kann das
Licht nicht mehr verwendet werden und geht ungenutzt verloren. Unterhalb
des Reflektors 2 ist also ein zentraler ungenutzter Bereich 4 ausgebildet,
was eine relativ schlechte Effizienz der bekannten Vorrichtung zur
Folge hat.
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Aus
der
EP 1 255 306 A2 ist
eine ähnliche Licht emittierende Vorrichtung mit einer
Vorsatzoptik zum Umlenken des von einer Leuchtdiodenanordnung ausgesandten Lichts
beschrieben. Nachteilig ist dabei, dass das von der bekannten Vorrichtung seitlich
abgelenkte Licht nur in einem sehr begrenzten Winkel von der Seite
zu sehen ist, das heißt die bekannte Vorrichtung weist
einen sehr beschränkten Abstrahlwinkel α auf.
Dies ergibt sich auch aus der in
9 dargestellten
Lichtverteilung der aus der
EP
1 255 306 A2 bekannten Licht emittierenden Vorrichtung.
Es ist deutlich zu erkennen, dass die maximale Intensität
(100% Relative Intensity) bei etwa +/–80° erzielt
wird und der Abstrahlwinkel α auf etwa 20° bis 30° Angular
Displacement beschränkt ist. Eine weitere in der
EP 1 255 306 A2 beschriebene
Licht emittierende Vorrichtung nutzt einen parabelförmigen
Reflektor. Mit diesem kann jedoch nur paralleles Licht erzeugt werden,
das vom Hauptreflektor
3 nur in eingeschränktem
Maße zur Erzeugung einer gewünschten Lichtverteilung
genutzt werden kann.
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Eine
bekannte Beleuchtungseinrichtung mit einer in einen Hauptreflektor
3 eingesetzten
herkömmlichen Glühlampe
5 ist in
7 dargestellt.
Im Allgemeinen sitzt die Glühwendel
6 der Lampe
5 in einem
Brennpunkt des Reflektorsystems
3. Der Reflektor
3 fängt
den Lichtstrom in einem gewissen Winkelbereich α auf und
lenkt ihn in eine Hauptrichtung HV um bzw. streut das Licht noch,
um eine gewünschte Lichtverteilung zu erzeugen. Um nun
statt der Glühlampe
5 eine LED
1 als
Lichtquelle verwenden zu können, muss der Brennpunkt bzw.
die Brennlinie der abgestrahlten Lichtstrahlen an der Stelle der Glühwendel
6 liegen.
Um ein solches Lichtquellensystem zu erzeugen, reicht z. B. eine
Lumiled Side Emitting LED, wie sie bspw. in der
EP 1 255 306 A2 beschrieben
ist, nicht aus, da hier der Brennpunkt gleich neben der LED liegt.
Die LED muss jedoch mit einem relativ großen Kühlkörper
gekühlt werden. Für hohe Leistung reicht diese
LED auch nicht aus, und man muss auf LED- Arrays zurückgreifen
und diese mit einem neuen optischen System ausstatten, um die Leuchtenfunktion
mit der LED-Lichtquelle
1 zu erfüllen.
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Die
erfindungsgemäße Licht emittierende Vorrichtung 10a kann
die Mängel des Standes der Technik beheben und einen besonders
großen Teil des von der Leuchtdiodenanordnung ausgesandten Lichtstroms
verwenden und auf den Hauptreflektor 3 umlenken. Insbesondere
ist die erfindungsgemäße Licht emittierende Vorrichtung
besonders gut geeignet, in einer Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung 10 eine
Glühlampe zu ersetzen. Das wird dadurch erreicht, dass
die Abstrahlcharakteristik einer Glühlampe durch die erfindungsgemäße
Vorrichtung besonders gut nachgebildet wird. Das kann durch eine
Ausgestaltung der Reflexionsfläche der Umlenkanordnung
als eine Freiformfläche erzielt werden. Dadurch lässt
sich Energie bzw. elektrische Leistung einsparen, da Leuchtdioden
einen deutlich besseren Wirkungsgrad haben als herkömmliche
Glühlampen. Zudem kann beim Entwurf neuer, mit erfindungsgemäßen
Licht emittierenden Vorrichtungen 10a ausgestatteter Beleuchtungseinrichtungen 10 der
Hauptreflektor und die Gesamtauslegung herkömmlicher, ursprünglich
für Glühlampen konzipierter Beleuchtungseinrichtungen übernommen
werden und muss nicht neu entwickelt werden. Dadurch kann Entwicklungszeit
eingespart werden und es kann auf bewährte Technik zurückgegriffen
werden.
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In
den 1 und 2 sind zwei verschiedene Varianten
einer Beleuchtungseinrichtung mit der erfindungsgemäßen
Licht emittierenden Vorrichtung gezeigt. Die Beleuchtungseinrichtung
ist in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 10, die Licht emittierenden
Vorrichtung mit dem Bezugszeichen 10a bezeichnet. Die LEDs
sind mit dem Bezugszeichen 11 bezeichnet. Die LEDs 11 sind
zur besseren Wärmeabfuhr auf einem Kühlkörper 12 angeordnet. Der
Hauptreflektor der Beleuchtungseinrichtung 10 ist mit dem
Bezugszeichen 13 bezeichnet.
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In
dem Ausführungsbeispiel aus 1 ist eine
Kollimatorlinse 14 aus Kunststoff oder Glas als Bündelungsanordnung
vorgesehen. Die Bündelungsanordnung könnte auch
als ein Reflektor ausgebildet sein. Zudem ist eine Vorsatzoptik 15 als
Umlenkanordnung vorgesehen. In dem Ausführungsbeispiel
aus 2 sind die Bündelungsanordnung und die
Umlenkanordnung als ein integrales Bauteil in Form einer Vorsatzoptik 16 ausgebildet.
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In 1 ist
die LED 11 im Bereich eines Lampenlochs 17 im
Hauptreflektor 13 positioniert. Selbstverständlich
kann die LED 11 auch an einer anderen geeigneten Stelle
im Reflektor 13 angeordnet sein. Durch die Bündelungsanordnung 14 wird
das von der LED 11 über den Halbraum abgestrahlte Licht
auf einen kleineren Lichtkegel (Raumwinkel) reduziert. Unter Umständen
kann schon der Übergang von Luft in Kunststoff (oder Glas)
an einer Lichteintrittsfläche 18 eines beliebigen
Teils aus transparentem Kunststoff oder Glas ausreichen (Luft: 180°-Kegel;
Kunststoff: ca. 90° Kegel), um einen gewünschten
Grad an Bündelung des Lichts zu erzielen. Wenn dies nicht
ausreicht, kann die Bündelungsanordnung, wie in 1 dargestellt,
als Linse 14 ausgebildet werden.
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Der
Abstrahlkegel der LEDs 11 sollte durch die Bündelungsanordnung 14 so
weit reduziert werden, dass das gesamte Licht auf die Umlenkanordnung 15 trifft.
Es ist jedoch nicht erforderlich, dass die von der LED 11 ausgesandten
Lichtstrahlen durch die Bündelungsanordnung 14 alle
parallelisiert (vorzugsweise parallel zu einer optischen Achse der
LED 11) werden. Es ist durchaus denkbar, dass die gebündelten
Lichtstrahlen divergent oder konvergent zur optischen Achse der
LED 11 verlaufen.
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Die
Umlenkanordnung 15 weist eine Reflexionsfläche 15a auf
und erzeugt in Kombination mit einer Lichtaustrittsfläche 19 der
Linse 14 eine Lichtabstrahlung, die, wenn man die Strahlen
zurück verfolgt, einen Brennpunkt bzw. eine Brennlinie
oder eine Brennpunktwolke an der Stelle 20 der früheren Glühwendel
erzeugt. Alternativ kann die erzeugte Lichtabstrahlung einen Brennpunkt
bzw. eine Brennlinie oder eine Brennpunktwolke an der Stelle eines Brennpunkts
des Reflektors 13 erzeugen. Die Kombination aus der Reflexionsfläche 15a der
Umlenkanordnung und der Austrittsfläche 19 der
Linse 14 ist derart ausgestaltet und konzipiert, dass der
Hauptreflektor 13 in seinem gesamten wirkenden Raumwinkelbereich α vollständig
ausgeleuchtet wird. Dies kann insbesondere dadurch erzielt werden,
dass die Reflexionsfläche 15a der Umlenkanordnung
keine Parabel, keine Ellipse und auch keine Hyperbel, wie dies aus
dem Stand der Technik bekannt ist, sondern vielmehr eine davon abweichende
computerberechnete Freiformfläche ist. Die Vorsatzoptik 15 hat
vorzugsweise eine von einem Kreis abweichende, insbesondere eine
elliptische oder mehreckige Querschnittsfläche. Dadurch
ist es möglich, die resultierende Lichtverteilung gezielt
zu beeinflussen, bspw. durch Vergrößern der Seitenstreuung
des von einem Scheinwerfer ausgesandten Lichtbündels.
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In 2 weist
die Vorsatzoptik 16 im unteren Bereich die Bündelungsanordnung,
bspw. in Form einer integrierten Kollimatorlinse, auf, um damit
das von der LED 11 über den Halbraum abgestrahlte Licht
auf einen kleineren Lichtkegel (Raumwinkel) zu reduzieren. Unter
Umständen kann schon der Übergang von Luft in
Kunststoff (oder Glas) an einer Lichteintrittsfläche 21 der
Vorsatzoptik 16 ausreichen (Luft: 180°-Kegel;
Kunststoff: ca. 90°-Kegel). Wenn dies nicht ausreicht,
kann die Eintrittsfläche 21 der Vorsatzoptik 16 als
eine Linse ausgebildet sein. Die Vorsatzoptik 16 hat vorzugsweise
eine von einem Kreis abweichende, insbesondere eine elliptische oder
mehreckige Querschnittsfläche.
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Der
Abstrahlkegel der LED 11 sollte durch die Bündelungsanordnung
so weit reduziert werden, dass das gesamte Licht auf die Umlenkanordnung
im oberen Teil der Vorsatzoptik 16 trifft. Eine Reflexionsfläche 24 (vgl. 3) der Umlenkanordnung erzeugt in Kombination
mit einer Lichtaustrittsfläche 22 der Vorsatzoptik 16 eine
Lichtabstrahlung, die, wenn man die Strahlen zurück verfolgt,
einen Brennpunkt bzw. eine Brennlinie oder eine Brennpunktwolke
an der Stelle 20 der früheren Glühwendel
erzeugt. Alternativ kann die Lichtabstrahlung auch einen Brennpunkt
bzw. eine Brennlinie oder eine Brennpunktwolke an der Stelle eines
Brennpunkts des Reflektors 13 erzeugen. Die Kombination
aus der Reflexionsfläche 24 der Umlenkanordnung
und der Austrittsfläche 22 der Vorsatzoptik 16 ist
derart ausgestaltet und konzipiert, dass der Reflektor 13 in
seinem wirkenden Raumwinkelbereich α vollständig
ausgeleuchtet wird. Dies kann dadurch erzielt werden, dass die Reflexionsfläche 24 der
Umlenkanordnung im oberen Bereich der Vorsatzoptik 16 keine
Parabel, keine Ellipse und auch keine Hyperbel, wie dies aus dem
Stand der Technik bekannt ist, sondern eine davon abweichende computerberechnete
Freiformfläche ist.
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Die
Vorrichtung besteht aus der Vorsatzoptik 16, einer elektronischen
Leiterplatte 110, auf der die Lichtquelle 11 angeordnet
ist, sowie aus einem Kühlkörper 12. Die
Vorsatzoptik 16 kann Passstifte zur Ausrichtung der Vorsatzoptik 16 relativ
zur Lichtquelle 11 besitzen. Die Vorsatzoptik 16 wird
auf der Leiterplatte 110 bzw. gemeinsam mit der Leiterplatte 110 am
Kühlkörper 12 befestigt. Die Befestigung
kann durch Verrastung, Verschraubung oder andere gängige
Befestigungstechniken realisiert werden. In einer automatisierten
Fertigung der Baugruppe kann die Befestigung der Vorsatzoptik 16 vorteilhaft
durch Warmstemmen erfolgen. An der Vorsatzoptik 16 befindliche
Kunststoffstifte werden durch die Baugruppe durchgeführt,
wobei jedes Bauteil entsprechende Durchführungen besitzt
und anschließend durch Warmumformen dauerhaft verbunden.
Die elektronische Leiterplatte 110 muss einen ausreichenden Wärmestrom
zulassen um die Wärme der Lichtquelle zuverlässig
zum Kühlkörper zu transportieren. Geeignet sind
hier Metallkernplatinen, Flexboards oder auch Leiterplatten, in
denen sich spezielle Zonen mit hoher Wärmeleitfähigkeit
an Stellen befinden, an denen die LED 11 montiert werden.
Mit einem Flexboard ist es möglich, mehrere Leuchteneinheiten
mit einer Leiterplatte zu verbinden und räumlich anzuordnen.
Auf der Leiterplatte können neben der LED 11 auch
Schaltelemente zur Ansteuerung der LED 11 sowie ein elektrischer
Anschluss zur Energieversorgung und Ansteuerung der elektronischen
Baugruppe angeordnet werden.
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Um
anstatt eines Brennpunkts eine Brennlinie zu erzeugen, können
auf der Reflexionsfläche 15 (vgl. 1)
oder auf der Reflexionsfläche 24 im oberen Teil
der Vorsatzoptik 16 (vgl. 2) bzw.
an der Lichtaustrittsfläche 22 der Vorsatzoptik 16 optisch wirksame
Strukturen ausgebildet sein. Die optisch wirksamen Strukturen können
bspw. als kleine Radien bzw. Streustrukturen ausgebildet sein, die
den gemeinsamen Schnittpunkt der Lichtstrahlen in eine Linie oder
Wolke umfassend mehrere Schnittpunkte aufweiten.
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In
den 3a) bis 3c) sind
verschiedene Ausgestaltungsmöglichkeiten einer in die Vorsatzoptik 16 integrierten
Umlenkanordnung der Ausführungsform aus 2 dargestellt.
In 3a) ist die Lichtaustrittsfläche 22 mit
optisch wirksamen Strukturen 23 versehen. In 3b)
sind an einer Reflexionsfläche 24 der Vorsatzoptik 16 optisch
wirksame Strukturen 25 ausgebildet. In 3c)
ist sowohl die Reflexionsfläche 24 als auch die
Lichtaustrittsfläche 22 mit optisch wirksamen
Strukturen 23, 25 versehen.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel aus 1 ist die
Vorsatzoptik 15, das heißt die Reflexionsfläche 15a und
die Lichtaustrittsfläche 22 so konzipiert, dass der
Hauptreflektor 13 in seinem gesamten wirksamen Raumwinkelbereich α ausgeleuchtet
wird. Dies kann besonders gut durch die Ausgestaltung der Reflexionsfläche 15a als
eine computerberechnete Freiformfläche erzielt werden.
Die Vorsatzoptik 15 ist über mindestens drei Stege
(nicht dargestellt) unten am Hauptreflektor 13 oder an
der LED-Kühlkörpereinheit 12 befestigt.
Die Bündelungsanordnung 14 ist – wie
gesagt – vorzugsweise eine Linse. In manchen Fällen
kann jedoch – wie in 4 dargestellt – bereits eine
Halbkugel 27 aus transparentem Kunststoff, Harz oder Glas
oberhalb der LED 11 ausreichen, um eine gewünschte
Bündelung zu erzielen. Die Halbkugel 27 weist
eine im wesentlichen ebene, zur LED 11 gerichtete Lichteintrittsfläche
und eine kugelsegmentförmige Lichtaustrittsfläche
auf. Durch die Halbkugel 27 kann die Halbkugelabstrahlung
(etwa 180°-Kegel) der LED 11 auf einen ca. 90°-Kegel
reduziert werden.
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In
den 5 und 6 sind verschiedene Simulationen
der Lichtstrahlenverläufe dargestellt, die mit der erfindungsgemäßen
Licht emittierenden Vorrichtung 10a erzielt werden können.
Dabei hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäße
Vorrichtung 10a problemlos in herkömmliche Hauptreflektoren 13 als
Ersatz für Glühlampen eingesetzt werden kann und
eine besonders effizienten Betrieb der Beleuchtungseinrichtung 10 ermöglicht.
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In 10 sind verschiedene Ausführungsformen
der Licht emittierenden Vorrichtung 10a in der Draufsicht
dargestellt. Die Seitenflächen 22 können bei
entsprechendem Erfordernis mit Facetten, konkaven oder konvexen
Kissen, wobei diese Kissen auch innerhalb einer Fläche
gleiche oder unterschiedliche Radien besitzen können, mit
Prismen, welche auch unterschiedliche Dachwinkel aufweisen können
oder aus einer beliebigen Kombination dieser Oberflächen modifiziert
werden. Die Lichtquelle 11 ist zentral hinter dem Umlenkfläche 24 angeordnet
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1255306
A2 [0004, 0028, 0034, 0034, 0034, 0035]
- - US 7021797 B2 [0006]
- - US 7275849 B2 [0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Kondo, Toshiyuki
et al.: „Highly Efficient LED Combination Rear Lamp” im
Rahmen des Symposiums „Progress in Automotive Lighting” (PAL) 2001
an der TU Darmstadt, Deutschland, Seiten 546–559 [0005]
- - „Highly Efficient LED Combination Rear Lamps” von
Kondo, T. et al. (Stanley Electric Co. Ltd., Japan, veröffentlicht
auf dem PAL (Progress in Automotive Lighting) 2001 Symposium, Technische Universität
Darmstadt, S. 546–559 [0033]