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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorsatzoptik für eine
Lichtquelle, die Lichtquelle umfassend mindestens eine Leuchtdiode
(LED). Die Vorsatzoptik umfasst einen zentralen Linsenabschnitt mit
einer der Lichtquelle zugewandten Lichteintrittsfläche
und einer von der Lichtquelle abgewandten Lichtaustrittsfläche.
Weiter umfasst die Vorsatzoptik einen den zentralen Linsenabschnitt
umgebenden äußeren Reflexionsabschnitt mit mindestens
einer der Lichtquelle zugewandten Lichteinkoppelfläche, über
die von der Lichtquelle ausgesandtes Licht in den Reflexionsabschnitt
eintritt, mit mindestens einer von der Lichtquelle abgewandten Lichtauskoppelfläche, über
die eingekoppeltes Licht aus dem Reflexionsabschnitt austritt, und
mit zwischen der mindestens einen Lichteinkoppelfläche
und der mindestens einen Lichtauskoppelfläche angeordneten
Reflexionsflächen, die in den Reflexionsabschnitt eingekoppeltes
Licht reflektieren.
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Außerdem
betrifft die Erfindung eine Beleuchtungseinrichtung für
ein Kraftfahrzeug mit mindestens einer Lichtquelle zum Aussenden
von Licht und mindestens einer Primäroptik zum Bündeln
des von der Lichtquelle ausgesandten Lichts. Die Primäroptik
ist im Stand der Technik bspw. als Reflektor oder als konventionelle
Vorsatzoptik ausgebildet.
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Eine
Vorsatzoptik der eingangs genannten Art zum Einsatz in einer Bremsleuchte
eines Kraftfahrzeugs ist bspw. aus der
DE 197 28 354 C2 bekannt.
Der zentrale Linsenabschnitt der beschriebenen Vorsatzoptik verfügt über
eine rückseitige, der Lichtquelle zugewandte Lichteintrittsfläche
und eine vorderseitige, von der Lichtquelle abgewandte Lichtaustrittsfläche, über
die das in den zentralen Linsenabschnitt eingekoppelte Licht diesen
wieder verlässt. Der zentrale Linsenabschnitt ist von einem äußeren
Reflexionsabschnitt umgeben. Dieser weist eine Lichteinkoppelfläche
auf, über die diejenigen von der Lichtquelle ausgesandten
Lichtstrahlen, die nicht in den zentralen Linsenabschnitt eintreten,
in den Reflexionsabschnitt eingekoppelt werden. Die Lichteinkoppelfläche
ist vorzugsweise als eine zur optischen Achse der Vorsatzoptik zentrierte
im Wesentlichen zylinderförmige Innenumfangswandung des
Reflexionsabschnitts ausgebildet. An der Außenumfangsfläche
des Reflexionsabschnitts der Vorsatzoptik wird das in den Reflexionsabschnitt
eingekoppelte Licht vorzugsweise mittels Totalreflexion in Richtung
der Lichtauskoppelfläche reflektiert. Die Lichtauskoppelfläche
des Reflexionsabschnitts ist ebenso wie die Lichtaustrittsfläche
des zentralen Linsenabschnitts Teil einer sich im Wesentlichen senkrecht
zur optischen Achse erstreckenden lichtaustrittseitigen Gesamtfläche
der Vorsatzoptik.
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Die
aus dem Stand der Technik bekannte Vorsatzoptik weist den Nachteil
auf, dass an der Lichteintrittsfläche und der Lichtaustrittsfläche
des zentralen Linsenabschnitts sowie an der Lichteinkoppelfläche
und der Lichtauskoppelfläche des äußeren Reflexionsabschnitts
eine sogenannte Fresnel-Reflexion des durch die jeweilige Fläche
hindurchtretenden Lichts auftreten kann. Dabei wird Licht an den
jeweiligen Grenzflächen am Übergang zwischen dem Material
der Vorsatzoptik und Luft zu etwa 4% bis 5% reflektiert (sog. Fresnel-Verlust).
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Effizienz
einer Beleuchtungseinrichtung für Kraftfahrzeuge zu verbessern,
insbesondere Fresnel-Reflexionen an den Grenzflächen einer
Vorsatzoptik und/oder einer Projektionslinse der Beleuchtungseinrichtung
zu verringern, um den durch die Grenzflächen transmittierten
Lichtanteil zu erhöhen.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe wird ausgehend von der Vorsatzoptik
der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass die Lichteintrittsfläche
und/oder die Lichtaustrittsfläche des zentralen Linsenabschnitts und/oder
die Lichteinkoppelfläche und/oder die Lichtauskoppelfläche
des Reflexionsabschnitts mehrere eine optisch wirksame Mottenaugen-Struktur
bildende Strukturelemente aufweist. Erfindungsgemäß ist
erkannt worden, dass eine solche Mottenaugen-Struktur die Fresnel-Reflexion
an den Grenzflächen zwischen dem Material der Vorsatzoptik
und Luft unterdrückt und dadurch die Effizienz der Vorsatzoptik
erhöht wird. Die mit einer Mottenaugen-Struktur hergestellten
Grenzflächen wirken über einen großen
Teil des optischen Spektrums im Wesentlichen unabhängig
vom Einfallswinkel des Lichts antireflektierend, ohne dabei Licht
zu absorbieren, und reduzieren dabei den Verlust von Licht beim Durchgang
durch das optische Medium der Vorsatzoptik. Durch die Entspiegelung
der Vorsatzoptik wird also eine höhere Effizienz der Vorsatzoptik
erreicht. Dies wird dadurch erreicht, dass die Größe
der Strukturelemente der Mottenaugen-Struktur im Nanometerbereich,
also in einem Bereich kleiner der Lichtwellenlängen, liegt
und das Licht beim Übergang von einem Medium (z. B. Luft
oder Kunststoff) in ein anderes (Kunststoff bzw. Luft) dadurch einen
kontinuierlichen Übergang sieht und somit keine bzw. lediglich vernachlässigbar
geringe Fresnel-Verluste erfährt. Die Effizienzsteigerung
gegenüber herkömmlichen Vorsatzoptiken liegt im
Bereich von etwa 20%.
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Vorteilhafterweise
sind die Strukturelemente zylinder-, kegel- oder pyramidenförmig
oder in Form einer Sinusstruktur ausgebildet. Dabei verlaufen die Achsen
der Zylinder, Kegel bzw. Pyramiden vorteilhafterweise im wesentlichen
parallel zur optischen Achse der Vorsatzoptik. Vorzugsweise ist
jedes Strukturelement an seinem von der Vorsatzoptik abgewandten
Ende gewölbt ausgebildet. Des weiteren wird vorgeschlagen,
dass die Strukturelemente in einem Raster angeordnet sind.
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Vorzugsweise
beträgt die Höhe der zylinderförmigen
Strukturelemente zwischen 10 nm (10–9 Meter)
und 1000 nm. Gemessen werden kann die Höhe eines Strukturelements
entweder individuell für jedes einzelne Strukturelement
anhand der Differenz zwischen dem tiefsten Punkt des Strukturelements
zu benachbarten Strukturelementen und dem höchsten Punkt
dieses Strukturelements. Alternativ kann auch der tiefste Punkt
aller Strukturelemente einer Fläche ermittelt und in Bezug
zu dem höchsten Punkt des Strukturelements gesetzt werden,
dessen Höhe ermittelt werden soll. Insbesondere kann die
Höhe der Strukturelemente 120 nm betragen. Vorzugsweise weisen
die zylinderförmigen Strukturelemente einen Durchmesser
von 10 nm bis 1000 nm auf. Der Durchmesser eines Strukturelements
wird vorzugsweise in der Mitte zwischen oberem und unterem Ende
des Strukturelements ermittelt. Alternativ kann der Durchmesser
auch am unteren Ende oder am oberen Ende des Strukturelements ermittelt
werden. Insbesondere kann der Durchmesser der zylinderförmigen
Strukturelemente jeweils 60 nm betragen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung weisen die Mantelflächen der
zylinderförmigen Strukturelemente einen Abstand von 10
nm bis 400 nm zueinander auf, kegel- pyramiden- bzw. sinusförmige Strukturen
grenzen direkt aneinander. Ein Vorteil der Abmessungen der Mottenaugen-Strukturen
im Nanometerbereich besteht darin, dass die Strukturen bei der visuellen
Betrachtung der Vorsatzoptik mit bloßem Auge nicht sichtbar
sind. Mit der Erfindung kann also eine Verbesserung des Wirkungsgrads
(der Transmissionseigenschaften) der Vorsatzoptik mit Hilfe einer
für das menschliche Auge unsichtbaren Beschichtung der
Grenzflächen der Vorsatzoptik erzielt werden. Als eine
weitere Lösung der vorliegenden Erfindung wird ausgehend
von einer Beleuchtungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 9 vorgeschlagen, dass die Primäroptik mindestens
eine Vorsatzoptik nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umfasst.
Dadurch, dass die Vorsatzoptiken der Beleuchtungseinrichtung mit
Mottenaugen-Strukturen versehen sind, werden die in der Beleuchtungseinrichtung
durch Fresnel-Reflexion bedingten Transmissionsverluste entsprechend
reduziert und es wird die Gesamteffizienz der Lichttransmission durch
die Beleuchtungseinrichtung erhöht. Die Vorteile der erfindungsgemäßen
Vorsatzoptik kommen insbesondere beim Einsatz in einer Beleuchtungseinrichtung
eines Kraftfahrzeugs zum Einsatz. Dort kann die Effizienz der Beleuchtungseinrichtung
erhöht werden, ohne dass es bspw. aufgrund einer höheren Stromstärke
zu einer zusätzlichen Wärmeentwicklung kommt.
Bei gleichbleibender Betriebstemperatur der Beleuchtungseinrichtung
kann also ein insgesamt helleres Licht erzeugt werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen,
dass die Beleuchtungseinrichtung eine Projektionslinse mit einer
der Lichtquelle zugewandten Lichteintrittsseite und einer von der
Lichtquelle abgewandten Lichtaustrittsseite aufweist, wobei die
Lichteintrittsseite und/oder die Lichtaustrittsseite mit mehreren
eine optisch wirksame Mottenaugen-Struktur bildenden Strukturelementen
versehen ist. Indem neben der mindestens einen Primäroptik
auch die Projektionslinse ein- oder beidseitig mit einer Mottenaugen-Struktur
versehen ist, wird die Lichttransmission durch die Beleuchtungseinrichtung
zusätzlich verbessert und der Wirkungsgrad der Beleuchtungseinrichtung
erhöht.
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Die
Herstellung der Antireflexionsschicht in Form der Mottenaugen-Struktur
erfolgt durch Spritzgießen bzw. Spritzprägen.
Dazu wird die Struktur mittels eines Belichtungsverfahrens in einen
Master gebracht. Anschließend können durch galvanische
Verfahren daraus Einsätze für das Werkzeug für
Spritzpräge- oder Spritzgussverfahren erzeugt werden. Während
herkömmliche dielektrische Antireflexionsbeschichtungen
für Vorsatzoptiken nur in Vakuumanlagen in einem aufwendigen
separaten Fertigungsschritt (Mehrbeschichtungsprozess) durchgeführt werden
können, können die Mottenaugenstrukturen direkt
während der Herstellung der optischen Komponente erzeugt
werden. Die Struktur lässt sich also direkt als Einsatz
in das Werkzeug einbringen, d. h. man erhält direkt beim
Spritzguss- bzw. Spritzprägeverfahren die gewünschte
Oberflächenstruktur. Herkömmliche dielektrische
Schichten haben außerdem den Nachteil, dass sie wellenlängenselektiv
wirken, wohingegen die Mottenaugenstruktur für alle sichtbaren
Wellenlängen gleich wirkt. Die erfindungsgemäße
Linse wird bevorzugt als Bestandteil eines Beleuchtungsmoduls in
einem Scheinwerfer für Kraftfahrzeuge eingesetzt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen,
dass die Lichteintrittsfläche und/oder die Lichtaustrittsfläche
des zentralen Linsenabschnitts der Vorsatzoptik und/oder die Lichteinkoppelfläche
und/oder die Lichtauskoppelfläche des Reflexionsabschnitts
der Vorsatzoptik mehrere eine optisch wirksame Beugungsstruktur
bildende Beugungsoptikelemente aufweist, wobei die Mottenaugen-Struktur
der Beugungsstruktur überlagert ist. Die Strukturelemente
zur Lichtbeugung haben eine Größenordnung im Bereich
der Wellenlängen des sichtbaren Lichts. Es kann dann die
Mottenaugenstruktur mit der Beugungsoptikstruktur kombiniert werden.
Der Beugungsstruktur wird also die Antireflexstruktur überlagert.
Beide Strukturen können über Belichtungsverfahren
in einen Master gebracht werden. Durch galvanische Verfahren können
daraus Einsätze für das Werkzeug für
das Spritzpräge- oder Spritzgussverfahren erzeugt werden.
Durch eine einzige Verfahrenstechnik kann also sowohl die Antireflexbeschichtung
als auch die Struktur zur Lichtverteilungserzeugung hergestellt
werden.
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Wenn
die Antireflexstruktur (Mottenaugen-Struktur) und die Struktur zur
Lichtverteilung (Beugungsstruktur) auf einer Lichteintrittsseite und/oder
einer Lichtaustrittsseite einer Projektionslinse einer Beleuchtungseinrichtung
ausgebildet wird, kann durch die Beugungsstruktur die chromatisch Abberation
der Linse korrigiert werden, da die Beugung proportional zur Wellenlänge
ist, die Brechung umso stärker ist, je kleiner die Wellenlänge
ist. Auf diese Weise kann auf relativ einfache und kostengünstige
Weise ein Achromat realisiert werden.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
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1 die
erfindungsgemäße Vorsatzoptik im Querschnitt gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform,
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2 einen
vergrößerten Ausschnitt einer Lichtaustrittsfläche
der erfindungsgemäßen Vorsatzoptik aus 1,
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3 einen
Strahlengang durch die erfindungsgemäße Vorsatzoptik
aus 1 im Längsschnitt,
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4 einen
Strahlengang durch die erfindungsgemäße Vorsatzoptik
aus 1 im Querschnitt,
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5 eine
vergrößerte Darstellung mehrerer Strukturelemente
einer Mottenaugen-Struktur der Lichtaustrittsfläche aus 2,
-
6 mehrere
nebeneinander angeordnete und miteinander verbundene erfindungsgemäße
Vorsatzoptiken eines Optikarrays
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7 ein
Projektionssystem einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung
für ein Kraftfahrzeug gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform,
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8 ein
Lichtmodul einer erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung
gemäß einer bevorzugten Ausführungsform,
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9 eine
erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung mit mehreren
Lichtmodulen nach 8 und eine resultierende Lichtverteilung,
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10 zwei
Beispiele für eine Beugungsstruktur in einer Draufsicht,
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11 ein
Beispiel für eine Beugungsstruktur im Querschnitt,
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12 die
Beugungsstruktur aus 11 mit einer überlagerten
Antireflexionsbeschichtung;
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13 das
Prinzip der Brechung durch eine Sammellinse,
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14 das
Prinzip der Beugung durch eine Beugungsstruktur, und
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15 eine
Projektionslinse mit einer Beugungsstruktur auf der Lichteintrittsseite
und einer Antireflexionsbeschichtung auf der Lichtaustrittsseite.
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Aus
dem Stand der Technik bekannte Vorsatzoptiken bestehen aus transparentem
Material, vorzugsweise Glas oder Kunststoff, und werden zur Bündelung
von Licht mittels Totalreflexion im Randbereich und Brechung im
als Linse ausgebildeten Zentrum der Optik eingesetzt. Durch die
Vorsatzoptiken wird also das von einer Lichtquelle, bspw. von einer
oder mehreren Halbleiterlichtquellen (LEDs), mit großem
Abstrahlwinkel ausgesandte Licht zur Erzeugung eines Lichtbündels
gebündelt.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Vorsatzoptik 1 in
einer Querschnittansicht. Die Vorsatzoptik 1 weist einen
zentralen Linsenabschnitt 9 mit einer Lichteintrittsfläche 2 und
einer Lichtaustrittsfläche 6 sowie einen den zentralen
Linsenabschnitt 9 umgebenden äußeren
Reflexionsabschnitt 10 mit Lichteinkoppelflächen 3,
Lichtauskoppelflächen 7 und zwischen den Lichteinkoppelflächen 3 und
den Lichtauskoppelflächen 7 angeordneten Reflexionsflächen 8a, 8b, 8c, 8d auf.
Die Lichteintrittsfläche 2 und die Lichteinkoppelflächen 3 sind
mindestens einer Lichtquelle 5, bspw. in Form einer oder
mehrerer Haltleiterlichtquellen (LEDs), zugewandt. Die Lichteintrittsfläche 2 kann
entsprechend der lichttechnischen Funktion als rotationssymmetrische,
torische (zylindrische, tonnenförmige) oder als Freiformfläche
ausgebildet sein, und ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
konvex geformt. Selbstverständlich kann die Lichteintrittsfläche 2 auch
anders geformt sein und bspw. die Form einer Sattelfläche
aufweisen. Die Lichteinkoppelflächen 3 schließen
an die Lichteintrittsfläche 2 an und bilden in
etwa Wandungen eines Hohlzylinders, wobei eine optische Achse 4 der
Vorsatzoptik 1 zugleich die Zylinderachse bilden kann.
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Das
in den zentralen Linsenabschnitt 9 eintretende Licht tritt über
die Lichtaustrittsfläche 6 wieder aus diesem aus.
Auf dem Weg von der Lichteintrittsfläche 2 zu
der Lichtaustrittsfläche 6 wird das Licht vorzugsweise
nicht reflektiert oder totalreflektiert. Die Lichteintrittsfläche 2 und
die Lichtaustrittsfläche 6 sind derart geformt
bzw. in ihrer Form derart aufeinander abgestimmt, dass durch den
Linsenabschnitt 9 hindurchtretendes Licht gebündelt,
vorzugsweise kollimiert wird. In den äußeren Reflexionsabschnitt 10 eingekoppeltes
Licht wird an mindestens einer der Reflexionsflächen 8 reflektiert,
vorzugsweise totalreflektiert und tritt dann über die Lichtauskoppelflächen 7 wieder
aus dem Reflexionsabschnitt 10 aus. Die Lichteinkoppelflächen 3,
Reflexionsflächen 8 und Lichtauskoppelflächen 7 sind
derart geformt bzw. in ihrer Form derart aufeinander abgestimmt, dass
durch den Reflexionsabschnitt 10 hindurchtretendes Licht
gebündelt, vorzugsweise kollimiert wird.
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Erfindungsgemäß ist
auf der Lichteintrittsfläche 2, auf den Lichteinkoppelflächen 3,
auf der Lichtaustrittsfläche 6 und/oder auf den
Lichtauskoppelflächen 7 zumindest bereichsweise
eine Mottenaugen-Struktur ausgebildet.
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2 zeigt
einen Ausschnitt der optisch wirksamen Mottenaugen-Struktur 15 auf
der Lichtaustrittsfläche 6. Die Struktur 15 umfasst
mehrere Strukturelemente 16. Aus 2 ist ersichtlich, dass
die durch die Lichtaustrittsfläche 6 austretenden Lichtstrahlen,
dargestellt durch Pfeile, durch die Mottenaugen-Struktur 15 nicht
oder allenfalls in ganz geringem Umfang abgelenkt werden, sondern
im wesentlichen parallel zur optischen Achse 4 aus der Vorsatzoptik 1 austreten.
Die hier schematisch dargestellte Mottenaugen-Struktur 15 weist
einen wellenförmigen Verlauf mit einer Periode (Abstand
bspw. von einem Wellenberg zum unmittelbar angrenzenden Wellenberg)
in einem Bereich von unter 1.000 nm, vorzugsweise von etwa 250 nm,
auf. Auch die Höhe der einzelnen Strukturelemente liegt
im Bereich von unter 1.000 nm, vorzugsweise ca. 250 nm.
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3 zeigt
den Verlauf des Strahlengangs durch die erfindungsgemäße
Vorsatzoptik 1 in einem Längsschnitt durch die
Vorsatzoptik 1. Von der Lichtquelle 5 ausgesandtes
Licht, das durch die konvexe Lichteintrittsfläche 2 in
den zentralen Linsenabschnitt 9 eintritt, wird dabei derart umgelenkt
(gebrochen oder gebeugt), dass es parallel zu der optischen Achse 4 durch
den zentralen Linsenabschnitt 9 der Vorsatzoptik 1 zu
der Lichtaustrittsfläche 6 gelangt und im Wesentlichen
senkrecht zu dieser aus der Vorsatzoptik 1 austritt. Von
der Lichtquelle 5 emittiertes Licht, das durch die Lichteinkoppelflächen 3 in
den äußeren Reflexionsabschnitt 10 eingekoppelt
wird, wird zunächst in Richtung von einer oder mehreren Reflexionsflächen 8a bzw. 8b abgelenkt.
Dort wird es von den Reflexionsflächen 8 im Wesentlichen
parallel zur optischen Achse 4 zu den Lichtauskoppelflächen 7 hin
reflektiert, durch die es aus der Vorsatzoptik 1 ausgekoppelt
wird.
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4 zeigt
den entsprechenden Strahlengang durch die Vorsatzoptik 1 im
Querschnitt. Gezeigt ist der Strahlengang eines Teillichtstroms 11. Der
Teillichtstrom 11 gelangt über die Lichteintrittsfläche 2 sowie
die Lichteinkoppelflächen 3 in die Vorsatzoptik 1,
wird teilweise von den Reflexionsflächen 8c, 8d reflektiert,
insbesondere totalreflektiert, und tritt dann im wesentlichen parallel
zur optischen Achse 4 über die Lichtaustrittsfläche 6 bzw.
die Lichtauskoppelflächen 7 aus der Vorsatzoptik 1 wieder
aus.
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Wesentlich
ist, dass die Lichteintrittsfläche 2, die Lichteinkoppelflächen 3,
die Lichtaustrittsfläche 6 und die Lichtauskoppelfläche 7 eine
mottenaugenförmige Oberflächenstruktur 15 aufweisen.
Die Augen von Motten und anderen Nachtinsekten weisen auf der Oberfläche
ihrer Hornhaut mikroskopisch kleine Erhebungen auf, die in einem
Raster angeordnet sind. Eine derartige Oberfläche bildet
eine Oberfläche mit annähernd keiner Reflexion
für Licht. Indem die biologischen Strukturen der Mottenaugen
auf optische Materialien übertragen werden, können
die Oberflächen der Materialien entspiegelt werden, ohne
dass die Grenzflächen Licht absorbieren. Dadurch reduziert
sich der Verlust von Licht beim Durchgang durch die Vorsatzoptik 1 und
die optische Effizienz der Vorsatzoptik 1 wird erhöht.
Die Mottenaugen-Struktur 15 kann entweder als Folie auf
die entsprechenden Oberflächen der Vorsatzoptik 1 aufgebracht
werden oder in ein Spritzgusswerkzeug für die Vorsatzoptik 1 integriert
werden. Entscheidend ist, dass die Mottenaugen-Struktur selbst die
Richtung des sie durchtretenden Lichts nicht oder allenfalls in ganz
geringem Umfang beeinflusst.
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In 5 ist
eine vergrößerte Ansicht einer mottenaugenförmigen
Oberflächenstruktur 15a dargestellt. Die nanoskopisch
kleinen künstlichen Mottenaugen-Strukturen können
beispielsweise in Kunststoff oder Glas erzeugt werden. Die einzelnen Strukturelemente 16 weisen
im Wesentlichen eine Zylinderform auf, deren Durchmesser kleiner
ist als die Wellenlänge des Lichts. Diese beträgt
für sichtbares Licht etwa 380 bis 780 nm. Dadurch können
die Lichtstrahlen die Mottenaugen-Strukturen 15 nicht auflösen.
Der Brechungsindex des Lichts ändert sich nicht sprunghaft,
sondern kontinuierlich, so dass es keine definierte Grenzfläche
für die von der LED emittierten Lichtstrahlen gibt und
es damit im Wesentlichen auch zu keiner Spiegelung des auf die Strukturelemente 16 auftreffenden
Lichts kommt.
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6 zeigt
ein Ausführungsbeispiel mit mehreren miteinander zu einem
einzelnen Teil verbundenen Vorsatzoptiken 1, auf deren
lichtaustrittseitiger Fläche (umfassend die Lichtaustrittsflächen 6 und
die Lichtauskoppelflächen 7 der einzelnen Vorsatzoptiken 1a)
die Strukturelemente 16 der aufgebrachten Mottenaugen-Struktur 15 schematisch
und nicht maßstabsgetreu dargestellt ist. Selbstverständlich
kann bei dieser Ausführungsform alternativ oder zusätzlich
zu der auf der lichtaustrittsseitigen Fläche 6, 7 aufgebrachten
Struktur 15 eine Mottenaugenstruktur 15 auf den
Lichteintrittsflächen 2, den Lichteinkoppelflächen 3 und/oder
den Reflexionsflächen 8 ausgebildet bzw. aufgebracht
sein.
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Die
Erfindung ermöglicht es somit zum einen, die optische Effizienz
der Vorsatzoptik 1 zu erhöhen, indem Lichtverluste
durch Fresnel-Reflexion an den lichteintrittsseitigen und lichtaustrittsseitigen Grenzflächen
der Vorsatzoptik 1 entfallen, und zum anderen zugleich
die Vorsatzoptik 1 zu entspiegeln. Selbstverständlich
dürfen nur diejenigen Flächen der Vorsatzoptik 1 mit
einer Mottenaugen-Struktur versehen sein, an denen auftreffendes
Licht nicht totalreflektiert werden soll, da durch die Mottenaugen-Struktur
die totalreflektierenden Eigenschaften einer Fläche beeinträchtigt
werden können.
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Die
erfindungsgemäße Vorsatzoptik 1 gemäß den 1 bis 4 bzw.
die Vorsatzoptik-Kombination gemäß 6 wird
vorzugsweise in einer Beleuchtungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs
eingesetzt. Insbesondere ist an den Einsatz in einem Scheinwerfer
oder einer Leuchte des Fahrzeugs gedacht. Dort kommen die Vorteile
der erfindungsgemäßen Vorsatzoptik 1 ganz
besonders zum Tragen, da die Lichtausbeute der Lichtquelle(n) ohne
Erzeugung zusätzlicher Wärme gegenüber
Beleuchtungseinrichtungen mit herkömmlichen Vorsatzoptiken deutlich
erhöht werden kann. Dies gilt insbesondere dann, wenn die
Lichtquelle 5 als eine oder mehrere LEDs ausgebildet ist.
Bei diesen ist die Erhöhung der Lichtausbeute ohne Erzeugung
zusätzlicher Wärme (bspw. aufgrund eines Betriebs
mit erhöhtem Strom oder aufgrund der Inbetriebnahme zusätzlicher LEDs)
ganz besonders wichtig, da bei den engen Platzverhältnissen
im Kraftfahrzeug und dem Kostendruck bei den Kraftfahrzeugherstellern
Mittel bzw. Maßnahmen zum Abtransport der Wärme
möglichst einfach, klein und kostengünstig ausgestaltet
werden müssen. Maßnahmen zur Reduzierung der Betriebstemperatur
der LEDs in einer Beleuchtungseinrichtung in einem Kraftfahrzeug
sind praktisch unerlässlich, da eine zu hohe Betriebstemperatur
der LEDs zu einer einschneidenden Verkürzung der Lebensdauer der
LEDs führen kann. Hier kann die vorliegende Erfindung Abhilfe
schaffen, indem versucht wird die Verluste innerhalb der Beleuchtungseinrichtung
möglichst gering zu halten.
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Gemäß 7 umfasst
die Beleuchtungseinrichtung ein Projektionssystem, das neben der
Vorsatzoptik 1 auch eine Projektionslinse 20 aufweist, die
das von der Vorsatzoptik 1 gebündelte Licht als Lichtverteilung
vor das Fahrzeug projiziert. Die der Vorsatzoptik 1 zugewandte
Lichteintrittsseite 22 der Linse 20 und/oder ihre
Lichtaustrittsseite 24 können ebenso wie die Vorsatzoptik 1 mit
einer Mottenaugen-Struktur versehen sein. Dadurch kann eine Verringerung
der Fresnel-Reflexion bei der Lichttransmission durch die Linse 20 und
somit eine Erhöhung der Gesamteffizienz der Beleuchtungseinrichtung
erzielt werden. Auch die Mottenaugen-Struktur auf der Linse 20 wird
vorzugsweise mittels eines Spritzgussverfahrens zeitgleich mit der
Herstellung der Linse 20 aufgebracht. Selbstverständlich
ist auch ein Projektionssystem vorstellbar, das nur die Linse 20 mit
der Mottenaugen-Struktur aufweist, nicht jedoch die Vorsatzoptik 1 oder
lediglich eine Vorsatzoptik ohne eine Mottenaugenstruktur.
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Die
Beleuchtungseinrichtung kann eines oder mehrere Lichtmodule aufweisen,
wie bspw. das in seiner Gesamtheit besonders wichtig, da bei den engen
Platzverhältnissen im Kraftfahrzeug und dem Kostendruck
bei den Kraftfahrzeugherstellern Mittel bzw. Maßnahmen
zum Abtransport der Wärme möglichst einfach, klein
und kostengünstig ausgestaltet werden müssen.
Maßnahmen zur Reduzierung der Betriebstemperatur der LEDs
in einer Beleuchtungseinrichtung in einem Kraftfahrzeug sind praktisch
unerlässlich, da eine zu hohe Betriebstemperatur der LEDs
zu einer einschneidenden Verkürzung der Lebensdauer der
LEDs führen kann. Hier kann die vorliegende Erfindung Abhilfe
schaffen, indem versucht wird die Verluste innerhalb der Beleuchtungseinrichtung
möglichst gering zu halten.
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Gemäß 7 umfasst
die Beleuchtungseinrichtung ein Projektionssystem, das neben der
Vorsatzoptik 1 auch eine Projektionslinse 20 aufweist, die
das von der Vorsatzoptik 1 gebündelte Licht als Lichtverteilung
vor das Fahrzeug projiziert. Die der Vorsatzoptik 1 zugewandte
Lichteintrittsseite 22 der Linse 20 und/oder ihre
Lichtaustrittsseite 24 können ebenso wie die Vorsatzoptik 1 mit
einer Mottenaugen-Struktur versehen sein. Dadurch kann eine Verringerung
der Fresnel-Reflexion bei der Lichttransmission durch die Linse 20 und
somit eine Erhöhung der Gesamteffizienz der Beleuchtungseinrichtung
erzielt werden. Auch die Mottenaugen-Struktur auf der Linse 20 wird
vorzugsweise mittels eines Spritzgussverfahrens zeitgleich mit der
Herstellung der Linse 20 aufgebracht. Selbstverständlich
ist auch ein Projektionssystem vorstellbar, das nur die Linse 20 mit
der Mottenaugen-Struktur aufweist, nicht jedoch die Vorsatzoptik 1 oder
lediglich eine Vorsatzoptik ohne eine Mottenaugenstruktur.
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Die
Beleuchtungseinrichtung kann eines oder mehrere Lichtmodule aufweisen,
wie bspw. das in seiner Gesamtheit in 8 dargestellte
Modul. Jedes Lichtmodul umfasst mindestens eine auf einer Leiterplatte 12,
vorzugsweise auf einem flexiblen Leiterplattenband (sog. Flexboard),
montierte und elektrisch kontaktierte Leuchtdiode (LED) 5,
mindestens eine Vorsatzoptik 1 oder ein Optik-Array und
einen Kühlkörper 13, mit dem die LED
zur besseren Wärmeableitung entweder unmittelbar oder mittelbar, bspw. über
das Flexboard 12 und/oder eine wärmeleitende Paste,
in Kontakt steht. Die Projektionslinse 20 kann über
eine separate Halterung an dem Lichtmodul befestigt sein. Es sind
geeignete Mittel vorgesehen, damit die Linse relativ zur Halterung
und/oder die Halterung relativ zum Lichtmodul ausgerichtet werden
kann. Die Halterung könnte auch integraler Bestandteil
der Linse 20 sein. Durch eine nahezu beliebige räumliche
Kombination gleicher oder unterschiedlicher LED-Lichtmodule im Gehäuse
der Beleuchtungseinrichtung ergeben sich in Verbindung mit einer
transparenten Abdeckscheibe, durch die das Innere der Beleuchtungseinrichtung
einsehbar ist, eine Vielzahl neuer Gestaltungsmöglichkeiten.
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Die
erfindungsgemäße Vorsatzoptik 1 ist also
Bestandteil eines Optikmoduls (bzw. Beleuchtungs- oder Lichtmoduls),
welches die Vorsatzoptik 1, die elektronischen Leiterplatte 12,
auf der die mindestens eine LED 5 kontaktiert ist, den
Kühlkörper 13 umfasst. Die Vorsatzoptik 1 kann
Passstifte 14 zur Ausrichtung der Vorsatzoptik relativ
zur LED 5 aufweisen. Die Vorsatzoptik 1 wird auf
der Leiterplatte 12 bzw. gemeinsam mit der Leiterplatte 12 am
Kühlkörper 13 befestigt. Die Befestigung
kann durch Verrastung, Verschraubung, mit Halteklammern oder mittels
anderer gängiger Befestigungstechniken realisiert werden.
In einer automatisierten Fertigung des Moduls kann die Befestigung
der Vorsatzoptik vorteilhaft durch Warmstemmen erfolgen. Insbesondere wird
vorgeschlagen, an der Vorsatzoptik 1 ausgebildete Kunststoffstifte 17,
die gleichzeitig die Funktion der Passstifte 14 haben können,
durch entsprechende Durchführungen im Flexboard 12 hindurchzuführen
und anschließend durch Warmumformen der hindurchgeführten
Kunststoffstifte 17 entweder die Vorsatzoptik 1 an
dem Flexboard 12 und der mindestens einen LED 5 oder
die Vorsatzoptik 1 sowie das Flexboard 12 und
die mindestens eine LED 5 an dem Kühlkörper 13 dauerhaft
zu befestigen.
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Die
elektronische Leiterplatte 12 muss einen ausreichenden
Wärmestrom zulassen, um die Wärme der LED(s) 5 zuverlässig
zum Kühlkörper zu transportieren. Geeignet sind
dazu bspw. Metallkernplatinen, Flexboards oder auch Leiterplatten,
in denen sich spezielle Zonen mit hoher Wärmeleitfähigkeit
an Stellen befinden, an denen die LEDs 5 montiert werden.
Mit einem Flexboard ist es möglich, mehrere Leuchteneinheiten
mit einer Leiterplatte 12 zu verbinden und nahezu beliebig
im Raum anzuordnen. Auf der Leiterplatte 12 können
neben der LED 5 auch Schaltelemente zur Ansteuerung der
LEDs 5 sowie ein elektrischer Anschluss zur Versorgung
und Ansteuerung der elektronischen Baugruppe angeordnet sein.
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Eine
Lichtfunktion einer Signalleuchte an der Front, wie bspw. Blinklicht,
Positionslicht, Tagfahrlicht oder auch Seitenmarker, oder einer
Signalleuchte an der Heckseite des Fahrzeugs, wie bspw. Bremslicht, Schlusslicht,
Blinklicht, Rückfahrlicht oder Nebelschlusslicht, kann
aus Teil-Lichtverteilungen von einem oder mehreren Optikmodulen
zusammengesetzt sein. Bei der Verwendung eines einzelnen Optikmoduls
wird die Gesamtlichtverteilung der Signalfunktion von dem vorgesehenen
Optikmodul alleine erzeugt. Falls sich die Leuchte aus mehreren
Optikmodulen zusammensetzt, trägt jedes Optikmodul anteilig
zur gesamten Lichtverteilung bei, indem sich die Teil-Lichtverteilungen der
einzelnen Module zu der Gesamtlichtverteilung entweder überlagern
oder ergänzen. Die einzelnen Optikmodule können
untereinander mit Kabeln oder flexiblen Leiterbahnen verbunden sein,
was eine flexible räumliche Anordnung der Optikmodule in
der Beleuchtungseinrichtung erlaubt. Unter geeigneten räumlichen
Voraussetzungen ist auch eine kostengünstige planare Anordnung der
Optikmodule auf einer starren Leiterplatte 12 möglich,
wobei ein Optikmodul durch einen abgegrenzten Bereich auf dieser
Leiterplatte 12 gebildet wird, in dem die Bestandteile
des Optikmoduls angeordnet sind.
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In 9 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Beleuchtungseinrichtung mit mehreren Optikmodulen dargestellt. Die
Beleuchtungseinrichtung umfasst mehrere matrixartig angeordnete
LED-Lichtquellen 5, von denen in 9 lediglich
eine Reihe dargestellt ist. Die einzelnen LEDs 5 des Arrays
können in horizontaler und/oder vertikaler Richtung von
einer Reihe zur nächsten bzw. von einer Spalte zur nächsten
genau übereinander bzw. nebeneinander oder alternativ versetzt
zueinander angeordnet sein. In Lichtaustrittsrichtung nach jeder LED 5 ist
eine erfindungsgemäße Vorsatzoptik 1 angeordnet.
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Die
durch das LED-Array auf einem in einem Abstand zur Beleuchtungseinrichtung
angeordneten Messschirm erzeugte Lichtverteilung ist beispielhaft darüber
dargestellt. Die von den einzelnen Lichtmodulen der gezeigten Reihe
des LED-Arrays erzeugten Abbildungen 21 (bzw. Teillichtverteilungen)
sind beispielhaft bezüglich ihrer Anordnung und Form mit einer
durchgezogenen Linie dargestellt. Dazwischen befinden sich weitere
Abbildungen 21' von anderen LEDs 5 (in 9 nicht
dargestellt) anderer Reihen des LED-Arrays, die mit einer gestrichelten
Linie eingezeichnet sind. Insgesamt ergibt sich eine Lichtverteilung 23,
welche die Form eines Bumerangs hat. Form und Anordnung der Abbildungen 21, 21' und damit
auch die Form der Gesamtlichtverteilung 23 kann durch geeignete
Anpassung und Ausgestaltung der entsprechenden Lichtmodule nahezu
beliebig variiert werden.
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In 10 sind
beispielhaft zwei verschiedene Arten einer Beugungsstruktur dargestellt,
wie sie bspw. auf der Lichteintrittsfläche 2 und/oder
der Lichtaustrittsfläche 6 des zentralen Linsenabschnitts 9 und/oder
der Lichteinkoppelfläche 3 und/oder die Lichtauskoppelfläche 7 des
Reflexionsabschnitts 10 der Vorsatzoptik 1 ausgebildet
sein könnte. Alternativ oder zusätzlich ist es
auch denkbar, dass eine derartige Beugungsoptikstruktur auf der
Lichteintrittsseite 22 und/oder der Lichtaustrittsseite 24 einer
Projektionslinse 20 ausgebildet ist. In der linken Abbildung von 10 weisen
die einzelnen Strukturelemente gerade Vertiefungen oder Erhebungen
auf, die in einem spitzen Winkel zueinander stehen. Die einzelnen
Geraden verlaufen parallel zueinander. In der rechten Abbildung
von 10 weisen die einzelnen Strukturelemente konzentrische
Kreise in Form von Vertiefungen oder Erhebungen auf.
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In 11 ist
ein Querschnitt durch eine beispielhafte Beugungsstruktur mit Beugungsoptik-Strukturelementen 33 dargestellt.
Die Abmessungen der einzelnen Strukturelemente 33 der Beugungsoptikstruktur
liegen etwa im Bereich von 1000 nm bis 2000 nm. 12 zeigt
die Beugungsstruktur aus 11 mit
einer überlagerten Antireflexionsbeschichtung in Form der
Mottenaugen-Struktur mit Strukturelementen 16. Die Abmessungen
der einzelnen Strukturelemente 16 der Antireflexschicht
liegen im Bereich von 10 nm bis 500 nm.
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In 13 ist
das Prinzip der Brechung anhand einer herkömmlichen Projektionslinse 20 dargestellt.
Aufgrund der chromatischen Abberation der Linse 20 werden
Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen in unterschiedlichen
Brennpunkten fokussiert, das Licht also wellenlängenselektiv
abgelenkt, was zu einem störenden Farbsaum des durch die Linse 20 hindurchgetretenen
Lichts und der resultierenden Lichtverteilung führt. Insbesondere
werden Lichtstrahlen 30 kürzerer Wellenlänge
(blaues Licht) stärker gebrochen als Lichtstrahlen 31 mittlerer
Wellenlänge (grünes Licht) und diese wiederum
stärker gebrochen als Lichtstrahlen 32 längerer
Wellenlänge (rotes Licht).
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In 14 ist
das Prinzip der Beugung an einem Beugungselementen 33 einer
Beugungsstruktur dargestellt. Auch die Beugung ist wellenlängenselektiv,
wobei Lichtstrahlen 32 längerer Wellenlänge
(rotes Licht) stärker gebrochen als Lichtstrahlen 31 mittlerer
Wellenlänge (grünes Licht) und diese wiederum stärker
gebrochen als Lichtstrahlen 30 kürzerer Wellenlänge
(blaues Licht).
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In 15 ist
schließlich eine Kombination der Brechung gemäß 13 und
der Beugung gemäß 14 in
einem einzigen Bauteil, nämlich der Projektionslinse 20,
dargestellt. Auf der Lichteintrittsseite 22 der Linse 20 ist
eine Beugungsstruktur mit den Beugungsoptikelementen 33 ausgebildet.
Diese ist in 15 der besseren Übersichtlichkeit
halber vergrößert dargestellt. Auf der Lichtaustrittsseite 24 der
Linse 20 ist eine Antireflexionsschicht in Form der Mottenaugen-Struktur
mit Strukturelementen 16 aufgebracht. Der besseren Übersichtlichkeit
halber ist die Mottenaugen-Struktur auf der Lichtaustrittsseite 24 in 15 lediglich
als eine dicke Linie dargestellt. In Wirklichkeit ist die Mottenaugen-Struktur
jedoch in der oben unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschriebenen
Weise ausgestaltet. Es ist deutlich zu erkennen, dass die durch
die Linse 20 transmittierten Lichtstrahlen unabhängig
von ihrer Wellenlänge im wesentlichen in gleicher Weise
abgelenkt werden, so dass ein Farbsaum vermieden wird. Die Kombination aus
Antireflexionsschicht und Beugung kann als Achromat bezeichnet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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