DE102010013045A1

DE102010013045A1 - Fahrzeugleuchte mit einer Lichtleiter-Vorsatzoptik

Info

Publication number: DE102010013045A1
Application number: DE102010013045A
Authority: DE
Inventors: Dr. Gebauer Matthias
Original assignee: Automotive Lighting Reutlingen GmbH
Current assignee: Marelli Automotive Lighting Reutlingen Germany GmbH
Priority date: 2010-03-27
Filing date: 2010-03-27
Publication date: 2011-09-29
Also published as: EP2372235A3; EP2372235A2

Abstract

Vorgestellt wird eine Fahrzeugleuchte (10) mit wenigstens einer Lichtleiter-Vorsatzoptik (18), die dazu eingerichtet ist, Licht einer Lichtquelle (16) über eine Lichteinkoppelfläche (22) aufzunehmen und über Lichtauskoppelflächen (24, 26) auszukoppeln, wobei jede Lichtauskoppelfläche (24, 26) über einen Auskoppelarm (28, 30) optisch mit der Lichteinkoppelfläche (22) verbunden ist. Die Fahrzeugleuchte (10) zeichnet sich da durch aus, dass die Vorsatzoptik (18) einen Bereich (32) aufweist, in dem das eingekoppelte Licht gleichmäßig auf die einzelnen Auskoppelarme (28, 30) aufgeteilt wird, wobei die Auskoppelarme (28, 30) mit Lichteintrittsquerschnitten in den genannten Bereich (32) übergehen, deren Größe umgekehrt proportional zur dort herrschenden Lichtstromdichte ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fahrzeugleuchte mit wenigstens einer Lichtleiter-Vorsatzoptik, die dazu eingerichtet ist, Licht wenigstens einer Lichtquelle über wenigstens eine Lichteinkoppelfläche aufzunehmen und über mehrere Lichtauskoppelflächen auszukoppeln, wobei jede Lichtauskoppelfläche über einen Auskoppelarm der Vorsatzoptik optisch mit der Lichteinkoppelfläche verbunden ist.
Eine solche Fahrzeugleuchte ist aus der US 7,419,287 B2 bekannt. In deren 13 wird eine Vorsatzoptik beschrieben, die Licht einer als Lichtquelle dienenden Leuchtdiodenanordnung aufnimmt und auf mehrere Auskoppelarme aufteilt. Am jeweiligen Lichtaustrittsende der Auskoppelarme wird damit ein der Auskoppelfläche entsprechende Lichtfleck erzeugt. Durch unterschiedliche Längen der Auskoppelarme können die Lichtflecke in eine gewünschte, im dreidimensionalen Raum gegebenenfalls gekrümmt verlaufende Lichtaustrittsfläche der Fahrzeugleuchte gelegt werden. An ihrem Lichtquellenseitigen Ende weist die bekannte Vorsatzoptik ein kollimierendes Element auf, das ein von der Lichtquelle ausgehendes divergentes Lichtbündel in ein Bündel paralleler Strahlen umwandelt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Fahrzeugleuchte bereitzustellen, die eine Leuchtfläche oder auch Lichtaustrittsfläche mit vielen gleich hell leuchtenden Lichtflecken aufweist.
Diese Aufgabe wird bei einer Fahrzeugleuchte der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Leuchte zeichnet sich demnach dadurch aus, dass die Vorsatzoptik einen Bereich aufweist, in dem das eingekoppelte Licht gleichmäßig auf die einzelnen Auskoppelarme aufgeteilt wird, und dass die Vorsatzoptik wenigstens zwei Auskoppelarme aufweist, die mit unterschiedlich großen Lichteintrittsquerschnitten in den genannten Bereich übergehen, wobei die Größe der Lichteintrittsquerschnitte so gewählt ist, dass ein Lichteintrittsquerschnitt, in dem eine vergleichsweise kleinere Lichtstromdichte herrscht, eine größere Fläche aufweist als ein Lichteintrittsquerschnitt, in dem eine vergleichsweise größere Lichtstromdichte herrscht.
Durch die gleichmäßige Aufteilung des eingekoppelten Lichtes auf die einzelnen Auskoppelarme wird das Erzielen einer gleichmäßigen Helligkeit der Leuchtflecken einer Vorsatzoptik begünstigt. Durch die genannte Dimensionierung der Lichteintrittsquerschnitte lassen sich Unterschiede in den Lichtstromdichten des in die jeweiligen Auskoppelarme eintretenden Lichtstroms kompensieren, was das Erzielen der gleichmäßigen Helligkeit ebenfalls begünstigt. Unterschiede in den Lichtstromdichten treten zum Beispiel bei einer nicht vollständig symmetrischen Anordnung der Lichteintrittsquerschnitte in Bezug auf die Lichtquelle auf. Dies erlaubt eine größere Freiheit bei der Gestaltung der Anordnung der Leuchtflecken durch verringerte Anforderungen an die Symmetrie der Anordnung.
Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Lichteinkoppelfläche so gestaltet ist, dass sie die Konvergenz des durch sie hindurchtretenden Lichtes nur soweit vergrößert, dass noch kein wesentlicher, durch eine weitere Vergrößerung der Konvergenz bedingter Verlust an eingekoppeltem Lichtstrom auftritt. Dies lässt sich insbesondere dadurch erreichen, dass die Lichteinkoppelfläche plan oder konkav ist.
Das Ersetzen einer planen Einkoppelfläche durch eine konvexe Einkoppelfläche stellt ein Beispiel dafür dar, dass eine Vergrößerung der Konvergenz mit einem Verlust an eingekoppeltem Lichtstrom einhergeht. Um dies zu verdeutlichen, wird ein plane Einkoppelfläche im Vergleich zu einer konvexen Einkoppelfläche betrachtet, die mit Ausnahme ihrer Wölbung mit der planen Einkoppelfläche identisch ist. Beide Flächen decken also gleiche Bereiche ab und weisen insbesondere gleiche Randkurven als physische Ränder auf. Die plane Einkoppelfläche kann als Projektion der im Raum gewölbten konvexen Fläche in eine zweidimensionale Ebene betrachtet werden. Die plane Fläche ist zum Beispiel ein Kreis. Die gewölbte Fläche ist zum Beispiel die Fläche einer Kugelkalotte.
Vergleicht man den maximalen Erfassungswinkel, unter dem die Einkoppelfläche von der Lichtquelle aus erscheint, für die zwei Fälle einer planen Einkoppelfläche und einer konvexen Einkoppelfläche, so stellt man fest, dass der Erfassungswinkel der planen Fläche größer ist. Das liegt daran, dass die Schenkel des Winkels bei der planen Einkoppelfläche die physischen Ränder der Einkoppelfläche berühren, während sie bei der konvexen Fläche Tangenten an die gewölbte Fläche bilden. Die Berührungspunkte der Tangenten liegen vom physischen Rand der konvexen Fläche aus betrachtet weiter innen. Die zur Lichteinkopplung verbleibende Restfläche wird damit durch die eine Linie bildenden Berührungspunkte sämtlicher Tangenten, die den räumlichen Erfassungswinkel begrenzen, berandet und ist kleiner als die vom physischen Rand begrenzte Fläche.
Im Vergleich zu der planen Fläche weist die konvexe Fläche eine stärker bündelnde Wirkung auf, wobei dieser Vorteil mit dem Nachteil des kleineren Erfassungswinkels einhergeht. Der Übergang zu einer konvexen Fläche ist daher mit einem Lichtverlust verbunden. Gleichwohl versteht es sich, dass mit einer nur leicht konvexen Fläche noch fast die gleichen Effekte erzielt werden können wie mit einer planen Einkoppelfläche. Zur Abgrenzung von nicht mehr vernachlässigbaren Lichtverlusten werden in den folgenden Ausgestaltungen quantitative Grenzwerte für den je nach Ausgestaltung tolerierbaren Lichtverlust angegeben.
Dabei gilt ein Verlust an eingekoppeltem Lichtstrom in einer Ausgestaltung als wesentlich, wenn der Verlust größer als 1/10 des unter ansonsten gleichen Bedingungen über eine plane Einkoppelfläche eingekoppelten Lichtstroms ist. In einer weiteren Ausgestaltung gilt der Verlust an eingekoppeltem Lichtstrom als wesentlich, wenn der Verlust größer als 1/20 des unter ansonsten gleichen Bedingungen über eine plane Einkoppelfläche eingekoppelten Lichtstroms ist. Bevorzugt ist ferner, dass der Verlust an eingekoppeltem Lichtstrom als wesentlich gilt, wenn der Verlust größer als 1/100 des unter ansonsten gleichen Bedingungen über eine plane Einkoppelfläche eingekoppelten Lichtstroms ist.
Zur Verdeutlichung der vorteilhaften Wirkung dieser Ausgestaltung wird noch einmal auf den eingangs genannten Stand der Technik nach der US 7,419,287 B2 verwiesen. Dort wird als Lichteintrittsfläche eine Fläche verwendet, die ein auftreffendes Bündel divergenten Lichtes der Lichtquelle so stark kollimiert, dass das in den Lichtleiter eingekoppelte Licht dort als Bündel paralleler Strahlen propagiert.
Unabhängig von der speziellen Form einer Lichteintrittsfläche einer Licht-leitenden Vorsatzoptik gilt meist, dass eine solche über die Eintrittsflächen erfolgende Parallelisierung mit einem Lichtverlust verbunden ist. Das heißt, dass die Parallelität damit erkauft wird, dass weniger Licht eingekoppelt wird als maximal möglich wäre. Der bei der Einkopplung auftretende Lichtverlust wirkt sich in einer suboptimal niedrigeren Helligkeit der Leuchtflecken, oder einer suboptimal kleineren Zahl an Leuchtflecken aus.
Dies gilt zwar nicht für Fresnel-Linsen. Fresnel-Linsen haben jedoch den Nachteil, dass sie eine aufwändig genaue Positionierung von Lichtquelle relativ zur Einkoppelfläche erfordern.
Die genannte Ausgestaltung vermeidet die Nachteile einer suboptimal niedrigeren Helligkeit der Leuchtflecken oder einer suboptimal kleineren Zahl an Leuchtflecken dadurch, dass sie mehr Licht in den Lichtleiter eintreten lässt. Dadurch kann bei gegebener Zahl der Leuchtflecken eine höhere Helligkeit der Leuchtflecken oder bei gegebener Helligkeit einer größere Zahl von Leuchtflecken in der Lichtaustrittsfläche der Leuchte erzielt werden. Wenn man den Wirkungsgrad der Leuchte als Verhältnis des über die Leuchtflecken austretenden Lichtstroms zum über die Lichteinkoppelfläche eingekoppelten Lichtstroms definiert, ergibt sich durch diese Ausgestaltung ein erwünscht hoher Wirkungsgrad der Leuchte.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass sie mehrere gleiche oder verschiedene Vorsatzoptiken aufweist. Diese Ausgestaltung erlaubt einen modularen Aufbau einer Leuchtfläche mit verschiedenen Anordnungen von Leuchtflecken mit wenigen Grundmodulen, was eine rationelle Fertigung und Ersatzteilhaltung erlaubt.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Figuren jeweils gleiche Elemente. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Fahrzeugleuchte;
2 eine Ausgestaltung einer eingebauten Leuchte, wie sie sich für einen hinter einem Fahrzeug stehenden Betrachter ergibt;
3 eine Ausgestaltung einer Vorsatzoptik;
4 eine Seitenansicht einer Vorsatzoptik;
5 eine solche Haltevorrichtung einer Vorsatzoptik;
6 eine alternative Haltevorrichtung,
7 eine Ansicht der Lichtaustrittsseite eines Vorsatzoptik-Moduls mit neun Auskoppelarmen;
8 eine perspektivische Ansicht einer Ausgestaltung einer Vorsatzoptik mit sechzehn Auskoppelarmen; und
9 eine Ausgestaltung einer Anordnung von Auskoppelflächen einer Fahrzeugleuchte.
Beleuchtungseinrichtungen für Fahrzeuge lassen sich nach ihrer Funktion in Scheinwerfer und Leuchten gliedern. Scheinwerfer dienen zur Beleuchtung des Fahrzeugumfeldes, während Leuchten Signalfunktionen erfüllen, die andere Verkehrsteilnehmer auf das Fahrzeug aufmerksam machen sollen. Beispiele von Leuchten sind Blinkleuchten, Bremsleuchten und Tagfahrlicht-Leuchten, wobei diese Aufzählung nicht als abschließend verstanden werden soll.
Im Einzelnen zeigt die 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Fahrzeugleuchte 10. Die in der 1 angegebenen Richtungen H, V, HV beziehen sich auf eine Lage einer Fahrzeugleuchte 10 im eingebauten Zustand im Fahrzeug. Dabei repräsentiert die Richtung H eine Horizontale, die Richtung V eine Vertikale und die Richtung HV die Fahrtrichtung. Die Fahrzeugleuchte 10 weist ein Gehäuse 12 auf, das von einer transparenten Abdeckscheibe 14 abgedeckt wird. Aufgrund ihrer Ausrichtung zur Fahrtrichtung HV handelt es sich bei der dargestellten Leuchte 10 um eine Heckleuchte, von der die 1 ein rechtes Ende in einem Horizontalschnitt zeigt. Man schaut also von oben in die aufgeschnittene Leuchte 10 hinein. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Heckleuchten beschränkt und in gleicher Weise für Bugleuchten wie Tagfahrlicht-Leuchten und im Bug angeordnete Blinkleuchten sowie andere Leuchten verwendbar, unabhängig davon, ob solche Leuchten ein separates Gehäuse aufweisen oder zusammen mit andere Lichtfunktionen erfüllenden Lichtmodulen in einem Scheinwerfer angeordnet sind.
Die in der 1 dargestellte Leuchte 10 weist eine Lichtquelle 16 und eine Lichtleiter-Vorsatzoptik 18 auf. Die Lichtleiter-Vorsatzoptik 18 weist eine der Lichtquelle 16 zugewandte Lichteinkoppelfläche 22 sowie mehrere Lichtauskoppelflächen 24, 26 auf, die über Auskoppelarme 28, 30 optisch mit der Lichteinkoppelfläche 22 verbunden sind. Dabei wird unter einer optischen Verbindung jede Verbindung verstanden, über die Licht der Lichtquelle 16, das über die Lichteinkoppelfläche 22 in die Vorsatzoptik 18 eingekoppelt wird, zu den Lichtauskoppelflächen 24, 26 gelangt.
Die Auskoppelarme 28, 30 ragen durch korrespondierende Ausnehmungen im Abdeckrahmen 20 durch den Abdeckrahmen 20 hindurch. Der Abdeckrahmen 20 hat die Funktion eines Gestaltungselementes zur Beeinflussung des Erscheinungsbildes der Leuchte 10. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Abdeckrahmen 20 undurchsichtig und deckt damit im Inneren des Gehäuses 12 liegende Elemente und Strukturen gegen Einblicke von außen ab.
Bei eingeschalteter Lichtquelle 16 nimmt der Betrachter die Lichtauskoppelflächen 24, 26 als hell leuchtende Leuchtflecken war.
Die Vorsatzoptik 18 weist einen in der 1 gestrichelt dargestellten Bereich 32 auf, in dem das über Lichteinkoppelfläche 22 eingekoppelte Licht gleichmäßig auf die einzelnen Auskoppelarme 28, 30 aufgeteilt wird. Dabei ist zu beachten, dass in Teilbereichen des Bereiches 32, in denen die beiden außen liegenden und damit peripheren Auskoppelarme 28 in den Bereich 32 übergehen oder einmünden, eine geringere Lichtstromdichte herrschen wird als in dem zentraler angeordneten Auskoppelarm 30. Dies ergibt sich durch die Geometrie der Anordnung.
Erfindungsgemäß erfolgt die gleichmäßige Verteilung des eingekoppelten Lichtes auf die einzelnen Auskoppelarme 28, 30 so, dass die Größe der jeweiligen Lichteintrittsquerschnitte so gewählt ist, dass ein Lichteintrittsquerschnitt 33 eines Auskoppelarms 28, in dem eine kleinere Lichtstromdichte herrscht, eine größere Fläche aufweist als ein Lichteintrittsquerschnitt 35 eines anderen Auskoppelarms 30, in dem eine vergleichsweise größere Lichtstromdichte herrscht. Der Lichteintrittsquerschnitt 33, 35 ergibt sich jeweils als Fläche eines Schnittes durch den jeweiligen Auskoppelarm 28, 30 in der Höhe des Bereichs 32.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Fläche jeweils umgekehrt proportional zur Lichtstromdichte, so dass die sich als Produkt aus Fläche und Lichtstromdichte für jeden Auskoppelarm 28, 30 ergebenden Werte der Lichtströme gleich sind. Erfindungsgemäß weist die Vorsatzoptik wenigstens zwei Auskoppelarme 28, 30 auf, die mit unterschiedlichen Lichteintrittsquerschnitten in die genannten Bereiche 32 übergehen.
Die Lichtquelle 16 ist in einer Ausgestaltung eine Halbleiterlichtquelle 34 aus einer oder mehreren Leuchtdioden, die auf einem Chip 36 montiert sind und mit einem Kühlkörper zum Abführen der elektrischen Verlustleistung ausgestattet sind. Eine Leuchtdiode ist im Allgemeinen ein Lambert-Strahler, was bedeutet, dass die richtungsabhängig abgestrahlte Intensität einem Kosinus-Gesetz folgt: I = I_max·cos(α)
Dabei ist α ein Winkel, dessen Scheitel auf der leuchtenden Fläche der Leuchtdiode sitzt und dessen Bezugsschenkel durch eine senkrecht auf der leuchtenden LED-Fläche stehende Gerade gebildet wird. In der 1 würde sich eine solche Gerade antiparallel zur Richtung HV erstrecken. Entsprechend der Lambert-Strahlungscharakteristik nimmt der Lichtstrom mit zunehmendem Winkel α ab, was ein Grund dafür ist, dass die Lichtstromdichte im Zentrum des Bereiches 32 und damit im Bereich des zentral angeordneten Auskoppelarms 32 maximal ist und zu den Rändern hin abnimmt. Daher ist die Lichtstromdichte in den Lichteintrittsflächen der peripher angeordneten Auskoppelarme 28 geringer als in der Lichteintrittsfläche des zentral angeordneten Auskoppelarms.
Halbleiterlichtquellen werden auch deshalb als Lichtquellen 16 bevorzugt, weil sie kaltes Licht emittieren. Die beim Betrieb der Leuchtdioden auftretende elektrische Verlustleistung entsteht in den Leuchtdioden und kann über Kühlkörper getrennt von der Strahlung abgeführt werden. Die Verlustwärme wird daher nicht als Wärmestrahlung in Lichtabstrahlrichtung abgestrahlt, wie es bei Glühlampen der Fall wäre. Daher können Leuchtdioden sehr dicht an der Lichteinkoppelfläche 22 angeordnet werden, zum Beispiel mit einem Abstand von 1/10 bis 3/10 Millimetern. Dieser geringe Abstand begünstigt ganz erheblich den Wirkungsgrad der Leuchte 10, weil er eine weitgehend vollständige Einkopplung des von der Lichtquelle 16 in den vor ihr liegenden Halbraum emittierten Lichtstrahlung in die Vorsatzoptik 18 gestattet.
Die Lichteinkoppelfläche 22 ist bevorzugt so ausgestaltet, dass sie die Konvergenz des durch sie hindurchtretenden Lichtes nur soweit vergrößert, dass noch kein wesentlicher, durch eine weitere Vergrößerung der Konvergenz bedingter Verlust an eingekoppeltem Lichtstrom auftritt. Dies ist zum Beispiel für eine ideal-plane Lichteinkoppelfläche 22 der Fall. Die als Extremfälle betrachteten Strahlen der Lichtquelle 16, die sich nahezu parallel, aber noch mit einer gewissen Neigung zur Lichteinkoppelfläche 22 ausbreiten, werden mit dem Grenzwinkel der Totalreflexion an der Lichteinkoppelfläche 22 gebrochen und damit in die Vorsatzoptik 18 eingekoppelt.
Gegenüber einer optischen Achse, die sich im Beispiel der 1 von der Mitte der Leuchtdiode 34 ausgehend antiparallel zur Richtung HV durch den zentralen Auskoppelarm 26 erstreckt, bilden diese Extremalstrahlen in der Vorsatzoptik 28 einen Winkel von 39° in PC (Polycarbonat) oder 42° in PMMA (Polymethylmetacrylat). Zwischen den Extremalstrahlen rechts und links der optischen Achse bildet sich damit ein Winkel von 78°, beziehungsweise 84° aus, sodass ersichtlich kein paralleles Licht vorliegt.
Wollte man nun an der Lichteinkoppelfläche 22 paralleles Licht erzeugen, müsste man die Lichteinkoppelfläche 22 mit einer solchen Krümmung versehen, dass die betrachteten Extremalstrahlen parallel zur optischen Achse verlaufen. Die Extremalstrahlen werden dann aber nicht mehr flächig streifend in die Vorsatzoptik 18 gebrochen, sondern schmiegen sich als Tangenten an die gekrümmte Lichteinkoppelfläche 22 an. Dadurch entsteht in der Peripherie der Lichteinkoppelfläche 22 ein Verlustwinkel, in dem kein Licht mehr eingekoppelt wird.
An diesem Beispiel sieht man, wie eine an der Lichteinkoppelfläche 22 erfolgende Parallelisierung des durch die Lichteinkoppelfläche 22 hindurchtretenden Lichtes auf Kosten der wirksamen Lichteinkoppelfläche und damit auf Kosten des Anteils des eingekoppelten Lichtes an der Gesamtstrahlung der Lichtquelle 16 erfolgt.
Bei der Erfindung wird die Effizienz der Lichteinkopplung optimiert und dafür wird eine nicht vollständige Parallelisierung an der Lichteinkoppelfläche 22 in Kauf genommen. Wie weiter unten noch näher erläutert wird, erfolgt bei Ausgestaltungen der Erfindungen eine weitergehende Parallelisierung des innerhalb der Vorsatzoptik propagierenden Lichtes durch Reflexionen an entsprechend ausgestalteten Außenwänden der Auskoppelarme 28, 30. Eine ähnlich effiziente Einkopplung wie mit einer ideal-planen Fläche lässt sich auch mit einer konkav ausgestalteten Lichteinkoppelfläche 22 erzielen.
2 zeigt eine Ausgestaltung einer eingebauten Leuchte 10, wie sie sich für einen hinter einem Fahrzeug stehenden Betrachter ergibt. Die Leuchte 10 weist drei Vorsatzoptikmodule 18.1, 18.2 und 18.3 auf, von denen das erste Vorsatzoptikmodul 18.1 quadratisch und die beiden anderen Vorsatzoptikmodule 18.2 und 18.3 rautenförmig ausgestaltet sind. Die in der 2 dargestellte Leuchte 10 stellt damit ein Beispiel einer mehrere Vorsatzoptikmodule 18.1, 18.2, 18.3 aufweisenden Leuchte 10 dar. An Stelle von zwei verschiedenen Vorsatzoptikmodulen können auch mehrere gleiche Vorsatzoptikmodule oder mehr als zwei verschiedene Vorsatzoptikmodule verwendet werden. Damit lassen sich verschiedene Formen von Lichtaustrittsflächen mit einer begrenzten Zahl verschiedener Vorsatzoptikmodule herstellen.
Aus Gründen der Darstellung sind die Grenzen zwischen den drei Vorsatzoptikmodulen 18.1, 18.2 und 18.3 in der 2 gestrichelt dargestellt. In der dargestellten Ausgestaltung weist jedes Vorsatzoptikmodul 18.1, 18.2, 18.3 drei mal drei Lichtauskoppelflächen mit je einer zentralen Lichtauskoppelfläche 26 und 8 peripheren Lichtauskoppelflächen 24 auf. Es versteht sich, dass die Zahl und die Anordnung von Auskoppelflächen eines Vorsatzoptikmoduls von den dargestellten Beispielen abweichen kann und das für eine Leuchte 10 auch mehr oder weniger als drei Vorsatzoptikmodule 18.1, 18.2, 18.3 verwendet werden können.
Es ist ein großer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass sie für gleiche Lichtstromstärken in den zu verschiedenen Auskoppelflächen 24, 26 zugehörigen Auskoppelarmen 28, 30 sorgt, auch wenn die Lichtstromdichten aufgrund der Geometrie der Anordnung der Lichteintrittsflächen der Auskoppelarme 28, 30 und/oder der richtungsabhängigen Strahlungscharakteristik der verwendeten Lichtquellen unterschiedlich sind. Durch die jeweils gleichen Lichtstromstärken wird eine gleichmäßige Helligkeit der einzelnen Lichtauskoppelflächen 24, 26 erzielt, die bei eingeschalteten Lichtquellen als hell leuchtende Leuchtflecken erscheinen.
3 zeigt eine Ausgestaltung einer Vorsatzoptik 18 zusammen mit einer Halbleiterlichtquelle 34 als Lichtquelle 16 sowie mit einigen Lichtstrahlen. Die Vorsatzoptik 18 ist wieder in einem Horizontalschnitt, also in einem in der Ebene der Richtungen H und HV liegenden Schnitt dargestellt und weist einen zentral angeordneten Auskoppelarm 30 sowie peripher angeordnete Auskoppelarme 28 auf. Das von der Lichtquelle 16 ausgehende und über die Lichteintrittsfläche 22 in die Vorsatzoptik 18 eingekoppelte Licht breitet sich dort zunächst divergent aus und wird in der Ebene 32 gleichmäßig und vollständig auf die Auskoppelarme 28 und 30 aufgeteilt. Die Gleichmäßigkeit wird durch die bereits beschriebene Dimensionierung der jeweiligen Lichteintrittsflächen erzielt, bevorzugt also durch eine umgekehrte Proportionalität zwischen Fläche und Lichtstromdichte in der Fläche. Die Vollständigkeit wird dadurch erzielt, dass die Lichteintrittsflächen der Auskoppelarme 28, 30 in ihrer Summe genauso groß sind wie der Querschnitt der Vorsatzoptik 18 im Bereich 32. Unter dieser Voraussetzung wird alles Licht, das durch den Bereich 32 hindurchtritt, in einen der Auskoppelarme 28, 30 eingekoppelt.
Eine erwünschte Parallelisierung des in den peripheren Auskoppelarmen 28 propagierenden Lichtes findet durch eine interne Totalreflexion an Seitenflächen 38, 40 dieser Auskoppelarme 28 statt. Dazu sind vom zentral angeordneten Auskoppelarm 30 abgewandte Seitenflächen 38 der peripher angeordneten Auskoppelarme 28 dazu eingerichtet, auf sie direkt oder reflektiert einfallendes Licht vorzugsweise in Richtung einer optischen Achse 42 dieses Auskoppelarms 28 zu reflektieren. Die Lichtstrahlen 44 und 46 repräsentieren in diesem Sinne direkt einfallendes Licht. Das direkt einfallende Licht erfährt zwischen der Einkopplung über die Lichteinkoppelfläche 22 und der Reflexion an der Außenfläche 38 keine weiteren Reflexionen.
Der Lichtstrahl 48 repräsentiert Licht, das zunächst an einer dem zentral angeordneten Auskoppelarm 30 zugewandten Seitenfläche 40 eines peripher angeordneten Auskoppelarms 28 reflektiert und dabei nach Außen umgelenkt wird. Sowohl die äußeren Seitenflächen 38 als auch die inneren Seitenflächen 40 der peripher angeordneten Auskoppelarme 28 sind durch ihre Form, die nach dem Reflexionsgesetz mitentscheidend für die Richtung des reflektierten Lichtes ist, dazu eingerichtet, die gewünschte Parallelisierung zu bewirken.
Dazu sind diese Flächen in einer bevorzugten Ausgestaltung als Freiformflächen berechnet, die punktweise oder flächensegmentweise so berechnet sind, dass sie die gewünschte Parallelisierung bewirken. Alternativ kann es sich bei einfachen Ausgestaltungen aber auch um einfachere geometrische Grundformen wie gegenüber der optischen Achse 42 verkippte und ebene Flächen, um parabelförmig gekrümmte Flächen oder ähnliche, eine Parallelisierung bewirkende Reflexionsflächen handeln. Dabei wird jede Reflexion als parallelisierend verstanden, bei der ein Winkel, den der Lichtstrahl mit der optischen Achse 42 bildet, nach der Reflexion kleiner ist als vor der Reflexion. Die Gestaltung der inneren Seitenflächen 40 erfolgt dabei bevorzugt so, dass die Parallelisierung erst nach einer weiteren Reflexion an einer äußeren Seitenfläche 38 auftritt.
Innerhalb des zentral angeordneten Auskoppelarms 30 treten aufgrund der Geometrie der Anordnung weniger Reflexionen an den Seitenwänden auf. Aus diesem Grund wird das in diesem zentralen Auskoppelarm 30 propagierende Licht mit einem gewissen Öffnungswinkel und damit als divergentes Licht auf die zugeordnete Lichtauskoppelfläche 26 treffen. Bei ebener Ausgestaltung der Lichtauskoppelfläche 26 würde dieser Öffnungswinkel wegen des Übergangs in ein optisch weniger dichtes Medium wie Luft noch aufgeweitet werden, da das Licht bei diesem Übergang vom Lot weggebrochen wird. Um auch beim Lichtaustritt aus der Lichtauskoppelfläche 26 des zentralen Auskoppelarms 30 weitgehend paralleles Licht zu erzielen, ist die Lichtaustrittsfläche 26 in der Ausgestaltung, die in der 3 dargestellt ist, nach außen gewölbt und damit konvexgeformt. Wenn bei einer anderen Ausgestaltung konvergentes Licht vom Inneren des Auskoppelarms 30 auf seine Lichtauskoppelfläche 26 einfällt, ist diese Auskoppelfläche bevorzugt plan oder nach innen gewölbt (konkav) geformt, um paralleles Licht austreten zu lassen.
Analog besitzen auch die Lichtauskoppelflächen 24 der peripheren Auskoppelarme 28 in weiteren Ausgestaltungen eine von der gezeigten planaren Gestalt abweichende Form, die eine parallelisierende Wirkung auf das durch diese Auskoppelfläche 24 hindurchtretende Licht ausübt. Die Form kann auch hier, je nach Strahlengang innerhalb des jeweiligen Auskoppelarms 28, konvex oder konkav gekrümmt sein, gekippte Abschnitte aufweisen, oder im Ganzen gekippt sein.
Die 4 zeigt eine Seitenansicht einer Vorsatzoptik 18 mit gegenüber einer jeweiligen optischen Achse 42 gekippten, ebenen, äußeren Seitenflächen 38. Da es sich bei der Darstellung der 4 nicht um eine Schnittansicht handelt, sind alle drei sichtbaren Auskoppelarme 28 peripher angeordnete Auskoppelarme. Durch Vorsprünge 52 an den sichtbaren Auskoppelarmen 28 ist die in der 4 dargestellte Vorsatzoptik 18 dazu eingerichtet, mit einer Haltevorrichtung verbunden zu werden, die auch als Haltevorrichtung der Lichtquelle 16 dient und die damit eine Anordnung der Lichtquelle im Bezug auf ihre Vorsatzoptik definiert.
5 zeigt eine solche Haltevorrichtung 54. Die Haltevorrichtung 54 weist eine die Vorsatzoptik 18 umhüllende Mantelfläche mit einem den Auskoppelflächen 24, 26 zugewandten ersten Ende 58 und einem der Lichtquelle 16 zugewandten zweiten Ende 60 auf.
Das erste Ende 58 ist zur Halterung der Vorsatzoptik eingerichtet. Die Einrichtung erfolgt zum Beispiel dadurch, dass das erste Ende 58 Aufnahmen aufweist, in die die Vorsprünge 52 der Vorsatzoptik 18 kraft- und/oder formschlüssig eingesteckt werden.
Das zweite Ende 60 der Haltevorrichtung 54 ist zur Halterung der Lichtquelle 16 oder einer die Lichtquelle 16 haltenden Struktur eingerichtet. Dabei erfolgt die Einrichtung zum Beispiel dadurch, dass die Haltevorrichtung 54 mit einer Platine 62 einer Halbleiterlichtquelle 34 verbunden ist. Die Verbindung erfolgt je nach Ausgestaltung durch eine Clip-Verbindung, durch ein Vergießen, ein Verschweißen, ein Verkleben, ein Verlöten, und so weiter.
Wesentlich ist, dass die Verbindung so ausgestaltet ist, dass die Halbleiterlichtquelle 34, beziehungsweise allgemeiner die Lichtquelle 16, relativ zur Vorsatzoptik 18, insbesondere zu deren Lichteinkoppelfläche 22, eine definierte Position aufweist.
6 zeigt eine Ausgestaltung mit einer alternativen Haltevorrichtung 64, die dazu eingerichtet ist, an einem Ende der Vorsatzoptik 18 befestigt zu werden, an dem sich auch die Lichteinkoppelfläche 22 der Vorsatzoptik 18 findet und die darüber hinaus dazu eingerichtet ist, an einer die Lichtquelle 16 haltenden Struktur, beispielsweise einer Platine 62 einer Halbleiterlichtquelle 34, befestigt zu werden.
7 zeigt eine Ansicht der Lichtaustrittsseite eines Vorsatzoptik-Moduls 18 mit neun Auskoppelarmen und näherungsweise rundem Querschnitt der Lichtauskoppelflächen 24 und 26.
8 zeigt eine perspektivische Ansicht einer weiteren Variante einer Vorsatzoptik 18 mit sechzehn Armen und rechteckigem Querschnitt der Lichtauskoppelflächen. Wie bereits weiter oben erwähnt, kann man prinzipiell verschiedene Querschnitte der Auskoppelflächen realisieren. Auch die Anzahl der Auskoppelarme ist variabel gestaltbar. Die Anordnung der Auskoppelflächen ist auch variabel gestaltbar und kann symmetrisch sein, viereckig, rechteckig, radial, usw.. Die Auskoppelflächen können auch, wie es in der 9 dargestellt ist, auf radial auseinanderlaufenden Linien oder anders verlaufende Linien angeordnet werden. Es kommt letztlich lediglich darauf an, wie, beziehungsweise welche Fläche mit vielen Leuchtflecken homogen ausgeleuchtet werden soll.
Die Form der Leuchtflecken wird durch die Form der Lichtauskoppelflächen 24, 26 vorgegeben. Diese Form ist nicht auf die dargestellte Kreisform beschränkt und kann zum Beispiel polygonförmig, sternförmig, elliptisch, halbkreisförmig, usw. sein. Im Prinzip gibt es für diese Form keine Beschränkungen.
Um aus einem Modul heraus eine Lichtverteilung zu gestalten, gibt es mehrere Möglichkeiten: Oberhalb der Vorsatzoptik 18 kann eine Streuscheibe oder Ähnliches zur Erzeugung der Lichtverteilung angeordnet sein. Alternativ können auf den Auskopplungsflächen 24, 26 der Vorsatzoptiken 18 zusätzlich zu deren planarer oder gewölbter oder gekippter Grundform Elemente mit kleineren Radien, Freiformflächen oder Facetten zum Beispiel, in Kissenform, aufgebracht sein, um die Lichtverteilung direkt aus den Auskoppelarmen 28, 30 zu erzeugen. Dadurch spart man sich die Fresnel-Verluste einer zusätzlichen Scheibe und gewinnt damit an Wirkungsgrad.
In einer alternativen Ausgestaltung weist die Fahrzeugleuchte eine in Lichtabstrahlrichtung vor der Vorsatzoptik angeordnete transparente Lichtscheibe auf. Die Lichtscheibe weist, je nach Ausgestaltung, streuende Strukturen wie Prismen und/oder Kissen und/oder Kanten und/oder Linien auf oder ist ohne solche Strukturen realisiert. Die Lichtscheibe ist je nach Ausgestaltung mit der Abdeckscheibe 14 oder einem Bereich der Abdeckscheibe 14 identisch oder als separate Lichtscheibe realisiert, die zwischen der Vorsatzoptik und der Abdeckscheibe 14 liegt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7419287 B2 [0002, 0011]

Claims

Fahrzeugleuchte (10) mit wenigstens einer Lichtleiter-Vorsatzoptik (18), die dazu eingerichtet ist, Licht wenigstens einer Lichtquelle (16) über wenigstens eine Lichteinkoppelfläche (22) aufzunehmen und über mehrere Lichtauskoppelflächen (24, 26) auszukoppeln, wobei jede Lichtauskoppelfläche (24, 26) über einen Auskoppelarm (28, 30) der Vorsatzoptik (18) optisch mit der Lichteinkoppelfläche (22) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsatzoptik (18) einen Bereich (32) aufweist, in dem das eingekoppelte Licht gleichmäßig auf die einzelnen Auskoppelarme (28, 30) aufgeteilt wird, und dass die Vorsatzoptik (18) wenigstens zwei Auskoppelarme (28, 30) aufweist, die mit unterschiedlich großen Lichteintrittsquerschnitten in den genannten Bereich (32) übergehen, wobei die Größe der Lichteintrittsquerschnitte so gewählt ist, dass ein Lichteintrittsquerschnitt, in dem eine vergleichsweise kleinere Lichtstromdichte herrscht, eine größere Fläche aufweist als ein Lichteintrittsquerschnitt, in dem eine vergleichsweise größere Lichtstromdichte herrscht.
Fahrzeugleuchte (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichteinkoppelfläche (22) so gestaltet ist, dass sie die Konvergenz des durch sie hindurchtretenden Lichtes nur soweit vergrößert, dass noch kein durch eine weitere Vergrößerung der Konvergenz bedingter Verlust an eingekoppeltem Lichtstrom auftritt, der größer als größer als 1/100, insbesondere größer als 1/20, insbesondere größer als 1/10 des unter ansonsten gleichen Bedingungen über eine plane Einkoppelfläche eingekoppelten Lichtstroms ist.
Fahrzeugleuchte (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichteinkoppelfläche (22) plan oder konkav ist.
Fahrzeugleuchte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mehrere gleiche oder verschiedene Vorsatzoptiken (18.1, 18.2, 18.3) aufweist.
Fahrzeugleuchte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsatzoptik (18) wenigstens einen zentral angeordneten Auskoppelarm (30) aufweist und dass eine Auskoppelfläche (26) des zentralen Auskoppelarms (30) so gestaltet ist, dass das über die Auskoppelfläche (26) ausgekoppelte Licht paralleler als das innerhalb des Auskoppelarms (30) auf die Auskoppelfläche (26) einfallende Licht ist.
Fahrzeugleuchte (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskoppelfläche (26) konvex oder konkav gewölbt ist.
Fahrzeugleuchte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsatzoptik (18) zusätzlich zu wenigstens einem zentral angeordneten Auskoppelarm (30) mehrere peripher angeordnete Auskoppelarme (28) aufweist, wobei diese dazu eingerichtet sind, das in ihnen propagierende Licht durch interne Totalreflexion an ihren Seitenflächen (38, 40) zu parallelisieren.
Fahrzeugleuchte (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass vom zentral angeordneten Auskoppelarm (30) abgewandte Seitenflächen (38) der peripher angeordneten Auskoppelarme (28) dazu eingerichtet sind, auf sie einfallendes Licht vorzugsweise in Richtung einer optischen Achse (42) dieses Auskoppelarms (28) zu reflektieren.
Fahrzeugleuchte (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem zentral angeordneten Auskoppelarm (30) zugewandte Seitenflächen (40) der peripher angeordneten Auskoppelarme (28) dazu eingerichtet sind, auf sie einfallende Strahlen nach außen auf dem zentral angeordneten Auskoppelarm (30) abgewandte Seitenflächen (38) der peripher angeordneten Auskoppelarme (28) umzulenken reflektiert werden.
Fahrzeugleuchte (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die dem zentral angeordneten Auskoppelarm (30) zugewandten Seitenflächen (40) der peripher angeordneten Auskoppelarme (28) und/oder die dem zentral angeordneten Auskoppelarm (30) abgewandten Seitenflächen (38) der peripher angeordneten Auskoppelarme (28) Freiformflächen aufweisen, die so gestaltet sind, dass sie auf sie einfallendes Licht vorzugsweise in Richtung einer optischen Achse (42) dieses Auskoppelarms (28) reflektieren.
Fahrzeugleuchte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Auskoppelflächen (24) der peripher angeordneten Auskoppelarme (28) eine Form besitzen, die eine parallelisierende Wirkung auf das durch die Auskoppelflächen (24) hindurchtretende Licht ausüben.
Fahrzeugleuchte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskoppelflächen (24, 26) einen Polygon-Querschnitt oder einen gekrümmt berandeten Querschnitt aufweisen, durch den das Licht austritt.
Fahrzeugleuchte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsatzoptik (18) dazu eingerichtet ist, mit einer Haltevorrichtung (59, 64) verbunden zu werden, die auch als Haltevorrichtung der Lichtquelle (16) dient und die damit eine Anordnung der Lichtquelle (16) in Bezug auf ihre Vorsatzoptik (18) definiert.
Fahrzeugleuchte (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (54) eine die Vorsatzoptik umhüllende Mantelfläche (56) mit einem den Auskoppelflächen (24, 26) zugewanden ersten Ende (58) und einem der Lichtquelle (16) zugewandten zweiten Ende (60) aufweist, wobei das erste Ende (58) zur Halterung der Vorsatzoptik (18) eingerichtet ist und wobei das zweite Ende (60) zur Halterung der Lichtquelle (16) oder einer die Lichtquelle (16) haltenden Struktur eingerichtet ist.
Fahrzeugleuchte (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (64) dazu eingerichtet ist, an einem Lichteinkoppelflächenseitigen Ende der Vorsatzoptik (18) und an einer die Lichtquelle (16) haltenden Struktur befestigt zu werden.
Fahrzeugleuchte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (16) eine Halbleiterlichtquelle (34) ist.
Fahrzeugleuchte (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine in Lichtabstrahlrichtung vor der Vorsatzoptik angeordnete transparente Lichtscheibe.