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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine solche Beleuchtungseinrichtung ist aus der
DE 690 17 603 T2 bekannt und weist ein Gehäuse, eine das Gehäuse in einer Lichtabstrahlrichtung verschließende transparente Abdeckscheibe, eine Lichtquelle und einen das Licht der Lichtquelle in eine Vorzugsrichtung bündelnden Reflektor auf. Der Reflektor ist in eine Vielzahl von ersten Flächenelementen aufgeteilt, die so angeordnet sind und deren Abmessungen so bestimmt sind, dass sie von der Lichtquelle mit einem vorbestimmten Anteil am Lichtstrom der Lichtquelle beleuchtet werden.
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Dadurch soll eine gleichmäßige Beleuchtung einer den bekannten Reflektor abdeckenden Streuscheibe erzielt werden. Der vorbestimmte Anteil am Lichtstrom ergibt sich bei dem bekannten Gegenstand dadurch, dass die ersten Flächenelemente so angeordnet sind und solche Abmessungen aufweisen, dass ihre Flächen in Bezug auf die Lichtquelle untereinander gleiche Raumwinkel abdecken.
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Wie weiter unten noch ausführlicher dargestellt wird, ergeben sich bei der Herstellung eines solchen Reflektors fertigungstechnische Probleme. Diese resultieren daraus, dass einzelne Flächensegmente des bekannten Reflektors jeweils einen optisch wirksamen Teil aufweisen, der einfallendes Licht in die Vorzugsrichtung reflektiert, und einen optisch nicht wirksamen Teil aufweisen, der durch den optisch wirksamen Teil abgeschattet wird. Mit zunehmender Annäherung an die Lichtquelle wird der optisch wirksame Teil immer kleiner, was dazu führt, dass er sich nicht mehr durch eine für die Herstellung von Reflektoren bevorzugte Spritzgusstechnik erzeugen lässt. Aus der
EP 0 678 703 B1 und der
US 2004/0141323 A1 ist eine Kraftfahrzeugleuchte mit einem Reflektor aus transparentem Material bekannt.
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Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe einer Beleuchtungseinrichtung, deren Reflektor sich durch bewährte Spritzgusstechniken herstellen lässt und der die Bereitstellung einer homogenen Lichtverteilung erlaubt.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung unterscheidet sich von der bekannten Beleuchtungseinrichtung dadurch, dass der Reflektor auf seiner der Lichtquelle zugewandten Seite aus transparentem Material mit einer glatten Oberfläche besteht und dass die ersten Flächenelemente in Form von reflektierenden Spiegelsegmenten realisiert sind, die auf einer von der Lichtquelle abgewandten Rückseite des Reflektors angeordnet sind.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass eine Herstellung des Reflektors aus glasklarem Material mit auf der Rückseite des Reflektors angeordneten Spiegelelementen einerseits die Möglichkeit eröffnet, das von der Lichtquelle her einfallende Licht, das beim Eintritt in den Reflektor gebrochen wird und damit eine Richtungsänderung erfährt, so umzulenken, dass es nach der Brechung beim Verlassen des Reflektors die gewünschte Lichtrichtung aufweist.
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Wie weiter unten noch ausführlich dargestellt wird, ergeben sich dabei andererseits Lichtquellen-nahe wirksame Stufen in einer Größe, die problemlos im Spritzgussverfahren hergestellt werden können. Es ist zwar so, dass beim Gegenstand der Erfindung die Lichtquellen-fernen, nicht wirksamen Flächen so klein werden, dass sie im Spritzgussverfahren nicht präzise abgebildet werden. Dies ist aber ohne Bedeutung, da die jeweils benachbarten optisch wirksamen Flächen groß sind. Außerdem ist die über den ganzen erfindungsgemäßen Reflektor gebildete Summe der optisch wirksamen Flächen deutlich größer als die Summe der jeweils benachbarten optisch unwirksamen Flächen.
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Daraus folgt, dass bei einem Blick in den Reflektor hinein, der entgegen von dessen Lichtabstrahlrichtung erfolgt, der größte Anteil der Fläche leuchtet und dass zwischen diesen leuchtenden Bereichen lediglich sehr schmale dunkle Bereiche liegen. Ein prinzipiell mögliches Auftreten störender Moiree-Figuren wird dadurch entweder verhindert oder die Figuren sind so kontrastarm, dass sie ein ungeübter Beobachter nicht wahrnimmt.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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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.
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Zeichnungen
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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:
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1 einen Querschnitt einer Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung mit einem parabolischen Reflektor;
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2 eine perspektivische Schnittansicht des Reflektors aus 1;
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3 eine Seitenansicht des Reflektors der 1 im Schnitt;
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4 eine Draufsicht auf den Reflektor der 1;
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5 eine Schnittdarstellung einer von der Parabelform abweichenden Reflektorform eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;
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6 einen Satz verschiedener, Merkmale der Erfindung aufweisender Reflektorquerschnitte und zugeordneter Parabeln sowie perspektivische Darstellungen von Flächen, die mit diesen Reflektorquerschnitten erzeugt worden sind;
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7 ein Flächenelement auf einer Merkmale der Erfindung aufweisenden Reflektoroberfläche und das auf dieses Element auftreffende Lichtbündel;
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8 eine kleine, dem Flächenelement der 7 zugeordnete Paraboloidfacette;
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9 eine ungleichmäßige Verteilung des von der Paraboloidfacette aus der 8 auf ein zugeordnetes Flächenelement der Abdeckscheibe reflektierten Lichtes;
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10 ein sehr einfaches Beispiel eines störenden Moiree-Musters;
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11 einen Schnitt durch eine mit Reflexionsstufen belegte, Merkmale der Erfindung aufweisende Reflektorfläche;
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12 eine als Alternative zur Erfindung geeignete, aber die Vorteile der Erfindung nicht aufweisende Möglichkeit, fertigungstechnische Probleme zu umgehen;
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13 einen Querschnitt durch einen Merkmale der Erfindung aufweisenden Reflektor zusammen mit typischen Strahlengängen;
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14 ein Ausführungsbeispiel eines Merkmale der Erfindung aufweisenden Reflektors mit ringförmigen Flächenelementen;
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15 die Abhängigkeit der Anteile an reflektiertem und transmittiertem Lichts eines aus der Luft kommenden Bündels für einen bestimmten transparenten Reflektorwerkstoff;
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16 eine grafische Veranschaulichung der Anteile für zwei Strahlen mit einer zu den prozentualen Anteilen proportionalen Strahlbreiten;
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17 den Auftreffwinkel für vier zufällig ausgewählte Punkte auf einer Merkmale der Erfindung aufweisenden Reflektorfläche; und
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18 Merkmale der Erfindung aufweisende Reflektorquerschnitte, einmal mit und einem ohne eine die Reflexion und Transmission berücksichtigende Fresnel-Korrektur.
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1 zeigt schematisch eine Fahrzeugleuchte 10 als Ausführungsbeispiel einer Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung. Grundsätzlich lassen sich Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtungen nach ihrer Lichtfunktion in zwei verschiedene Gruppen einteilen, nämlich in Scheinwerfer und Leuchten. Scheinwerfer dienen dazu, das Fahrzeugumfeld zu beleuchten, so dass der Fahrer des Fahrzeugs andere Verkehrsteilnehmer und unbeleuchtete Objekte in seinem Fahrweg erkennen kann. Leuchten erfüllen dagegen Signalfunktionen, die andere Verkehrsteilnehmer auf das Fahrzeug und/oder sein Verhalten aufmerksam machen sollen. Beispiele solcher Signalfunktionen sind das Bremslicht, das Blinklicht und das Tagfahrlicht, ohne dass diese Aufzählung als abschließend zu verstehen ist. Die Erfindung betrifft bevorzugt Leuchtenfunktionen.
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1 zeigt im Einzelnen eine Lichtquelle 12, die in einem Paraboloidreflektor 14 so angeordnet ist, dass sie im Brennpunkt des Paraboloiden liegt. Bei der Lichtquelle 12 handelt es sich je nach Ausgestaltung bevorzugt um eine Glühlampe oder um eine Halbleiterlichtquelle, insbesondere eine Leuchtdiode (LED), insbesondere um eine sogenannte side emitting LED oder eine LED mit einer Umlenkoptik, so dass die LED jeweils den Reflektor beleuchtet. Das Licht 16 der Lichtquelle 12 wird also vom Reflektor 14 parallel zu dessen Rotationsachse 18 in Richtung der vorgelagerten transparenten Abdeckscheibe 20 umgelenkt. Die transparente Abdeckscheibe 20 deckt eine Lichtaustrittsöffnung eines Gehäuses 21 der Leuchte 10 ab. In einer Ausgestaltung weist die Abdeckscheibe 20 Streuelemente auf, die das parallel einfallende Licht 16 in eine vorbestimmte Lichtverteilung 22 streuen, so dass andere Verkehrsteilnehmer die Funktion der Leuchte 10 innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereichs erkennen können. Die 2 und 3 zeigen Seitenansichten des Paraboloidreflektors 14 und die 4 zeigt eine Ansicht von oben auf den Paraboloidreflektor 14 und dessen Lichtquelle 12. Die Lichtquelle 12 soll die Eigenschaft haben, ihr Licht isotrop und damit mit richtungsunabhängig konstanter Lichtstärke abzustrahlen. Dies stellt eine passable Näherung für eine Glühlampe dar. Über dem Reflektor 14 ist ein Gitter aus Quadraten kleiner Fläche dF1, dF2 aufgespannt. Die quadratischen Säulen, die unter zwei als Beispiel ausgewählten Quadraten dF1, dF2 dargestellt sind, schneiden aus dem Paraboloiden Flächenelemente dA1 und dA2 aus.
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In den 3 und 4 ist erkennbar, dass der Öffnungswinkel des Lichtbündels, das von der Lichtquelle 12 ausgeht, für das Lichtquellen-nahe Flächenelement dA1 größer ist als für das Lichtquellen-ferne Flächenelement dA2. Dieser Öffnungswinkel entspricht jeweils dem Raumwinkel dΩ, unter dem ein Flächenelement dA von der Lichtquelle 12 aus betrachtet erscheint. Unter dem Raumwinkel eines Flächenelements oder einer Fläche wird in dieser Anmeldung jeweils dieser Öffnungswinkel verstanden. Eine genaue Berechnung unterstützt diese grobe Abschätzung: Der Raumwinkel dΩ des näheren Flächenelementes dA1 ergibt sich zu 0,24 Sterad, und der Raumwinkel dΩ des ferneren Flächenelementes dA2 ergibt sich zu 0,0267 Sterad. Dies bedeutet, dass das nähere Flächenelement dA1 den 0,24/0,0267 = 9-fachen Lichtstrom auf das zugeordnete Element dF1 leitet, das deshalb einem Betrachter deutlich heller erscheint. Aufgrund physiologischer Effekte erscheint es allerdings nicht 9-fach heller.
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Zusammengefasst bedeutet dies, dass ein Flächenelement dF von einem Paraboloidreflektor umso schwächer beleuchtet wird, je weiter es von der im Brennpunkt des Paraboloidreflektors angeordneten Lichtquelle entfernt ist. Dieser Effekt ist so stark, dass er nachts auf der Straße beobachtet werden kann: Eine mit einem Paraboloidreflektor aufgebaute Heckleuchte weist im Zentrum einen sehr hellen Fleck auf, der durch den direkten Blick auf die Lichtquelle, meist eine Glühlampe, verursacht wird. Dieser helle Fleck wird von einem schwarzen Ring umgeben, der durch die Öffnung im Reflektor verursacht wird, die zur Aufnahme der Lichtquelle dient. Dann folgt weiter außen der durch den Paraboloiden verursachte Bereich, in dem die Helligkeit von innen nach außen stark abfällt. Das Erscheinungsbild des Reflektors 14 weist damit deutliche Inhomogenitäten auf, was unerwünscht ist.
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Im Folgenden wird eine isotrope Abstrahlung von Licht durch die Lichtquelle 12 vorausgesetzt. Dies ist mit der Forderung identisch, dass jedem Flächenelement eines Reflektors ein gleich großer Raumwinkel dΩ zugeordnet werden soll. Übersetzt man unter dieser Voraussetzung die Forderung, dass jedes Flächenelement dF mit demselben Lichtstrom beleuchtet werden soll, in eine Gleichung, ergibt sich: dΩ/dA = konstant (Gleichung 1)
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Integriert man diese Gleichung unter Zuhilfenahme der Randbedingungen, dass der weitest entfernte Punkt der zu berechnenden Fläche dieselbe Normale aufweisen soll, die das zu verbessernde Paraboloid an dieser Stelle aufweist, so erhält man eine neue Klasse von Flächen, die im Folgenden als H-Fläche (H wie homogen) bezeichnet wird.
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Das genannte Paraboloid beleuchtet das über dieser Stelle dA liegende Flächenelement dF am Hellsten und definiert auf diese Art die Konstante in obiger Gleichung möglichst groß mit der Folge, dass allen Flächenelementen dA und somit der gesamten Fläche ein möglichst großer Raumwinkel zugeordnet wird. Die Schnittkurve durch die Fläche mit einer Ebene, die die Rotationsachse des zu verbessernden Paraboloids enthält, wird im Folgenden als H-Kurve bezeichnet. 5 zeigt eine Schnittdarstellung einer von der Parabelform abweichenden Reflektorform eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. 5 zeigt insbesondere eine gestrichelt dargestellte Parabel 26, die zugeordnete H-Fläche 28 im Raum, die mit der Parabel 26 in einer Ebene liegende H-Kurve 30 und den Punkt 32, an dem die Normalen der H-Kurve 30 und des Paraboloiden und damit der Parabel 26 übereinstimmen. Die Lichtquelle sitzt im Nullpunkt 46 des Koordinatensystems 31 und ist nicht dargestellt. Die H-Fläche 28 stellt eine Ausgestaltung einer Grundform eines erfindungsgemäßen Reflektors dar und geht für den am weitesten von der im Nullpunkt 46 angeordneten Lichtquelle in den Paraboloiden über, der durch Rotation der Parabel 26 um die Rotationssymmetrieachse der H-Fläche 28 herum erzeugt wird. Geht man von den am Punkten aus, die am weitesten von der zentralen, im Nullpunkt 46 angeordneten Lichtquelle entfernt am äußeren Rand der H-Fläche 28 liegen, so nimmt der Abstand zwischen der rotierten Parabel 26 und der innerhalb der rotierten Parabel 26 liegenden H-Fläche 28 mit zunehmender Annäherung an die im Koordinatenursprung 46 angeordnete Lichtquelle kontinuierlich zu.
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6a zeigt einen Satz verschiedener H-Kurven 30.1, ..., 30.7 und die zugeordneten Parabeln 26.1, ..., 26.7. Die H-Kurven 30.1, ..., 30.7 sind dadurch gekennzeichnet, dass sie sich außen an die Parabeln 26.1, ..., 26.7 anschmiegen und dass sie innen die Lichtquelle 12 treffen. Die zugehörigen H-Flächen gewinnt man aus diesen H-Kurven 30.1, ..., 30.7 durch Rotation um die z-Achse. 6b zeigt die mit diesen Kurven erzeugten Flächen 34.1, ..., 34.7.
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Die H-Flächen haben allgemein die Eigenschaft, dass jedes ihrer Flächenelemente dA im Bezug auf die Lichtquelle 12 denselben Raumwinkel dΩ aufweist. Natürlich weisen sie nicht die charakteristische Eigenschaft der Parabel auf, Licht einer punktförmigen Lichtquelle parallel zur z-Achse zu reflektieren. Diese erwünschte Eigenschaft kann jedoch durch reflektierende Facetten, die auf der H-Fläche aufgebracht werden, erreicht werden.
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7 zeigt ein Flächenelement dA auf der H-Fläche 28 und das auf dieses Flächenelement dA auftreffende Lichtbündel 36. 8 zeigt eine kleine Paraboloidfacette 38, deren Begrenzung exakt mit der Begrenzung des ankommenden Lichtbündels zusammenfällt. Dadurch wird erstens das gesamte ankommende Licht des Lichtbündels 36 in Richtung der vier vertikalen Geraden an den Ecken des Elementes dA umgelenkt, und zweitens wird keines der benachbarten Flächenelemente dA abgeschattet. Pflastert man auf diese Art jedes Flächenelement dA mit einer paraboloiden Facette, ist sichergestellt, dass alle Flächenelemente dF in der Ebene vor dem Reflektor, also typischerweise in der Ebene der Abdeckscheibe 20, mit demselben Lichtstrom beleuchtet werden.
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Hier liegen zwei wesentliche Unterschiede zum Stand der Technik nach der eingangs genannten
EP 430 470 A2 vor. Dort sind die Umlenkfacetten keine Paraboloidstücke, sonder konvex gekrümmte Spiegelchen. Diese werden alle mit demselben Lichtstrom beleuchtet. Da die umgelenkten Bündel jedoch nicht mehr parallel sind, überlagern sich mehrere Bündel in der Ebene der Lichtscheibe. Dies stellt einen ersten Unterschied zur vorliegenden Erfindung dar. Die Anzahl der sich überlagernden Bündel hängt vom Abstand zwischen dem Reflektor und der transparenten Abdeckscheibe ab. Darüber hinaus nimmt der Lichtstrom pro Fläche beim Gegenstand der
EP 430 470 A2 entlang jedes Bündels ab, da die Bündel geöffnet sind. Dies stellt einen zweiten Unterschied dar. Da die Facetten unterschiedliche Abstände zur Lichtscheibe aufweisen, sind somit auch die Lichtströme auf einem Flächenelement der Scheibe unterschiedlich, was wiederum bedeutet, dass keine Homogenität gegeben ist.
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Bei der oben genannten Pflasterung der Flächenelemente dA mit paraboloiden Facetten ergeben sich jedoch zwei Probleme: Die 9 zeigt, dass das Flächenelement dF zwar den gesamten Lichtstrom 36 des Flächenelementes dA erhält, dieser Lichtstrom 36 jedoch nicht gleichmäßig über das gesamte Flächenelement dF verteilt ist. Es ergibt sich vielmehr ein heller Bereich 40 und ein dunkler Bereich 42 innerhalb des Flächenelementes dF. Der dunkle Bereich 42 ergibt sich als Projektion der Fläche, die die obere Kante der paraboloiden Facette 38 mit dem Rand des Flächenelements dA verbindet. Diese Fläche verläuft in Lichtrichtung und wird deshalb nicht bestrahlt.
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Betrachtet man einen H-Reflektor in seiner Gesamtheit, ergibt sich also ein Muster aus Flächenelementen dF, die teilweise hell und dunkel erscheinen. Da die vorgelagerte Streuoptik der Abdeckscheibe 20 in der Regel ebenfalls aus einem Muster streuender Linsen aufgebaut ist, ergibt sich bei Überlagerung dieser beiden Muster unter der Bedingung, dass die beiden Muster nicht identisch sind, der sogenannte Moiree-Effekt. Dies führt dazu, dass die streuende Abdeckscheibe 20 unter verschiedenen Richtungen mit schlecht kontrollierbaren großflächigen Hell/Dunkel-Mustern belegt erscheint, die ein homogenes Erscheinungsbild der Leuchte 10 zerstören. 10 zeigt ein sehr einfaches Beispiel eines Moiree-Musters in Form einer Überlagerung von zwei Linienmustern, wobei die Linienabstände der beiden Ausgangsmuster leicht unterschiedlich sind.
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11 zeigt einen Schnitt durch eine mit Reflexionsstufen 43 belegte H-Fläche 28. Die H-Fläche 28 wird durch Rotation der Schnittkurve um die Drehachse 44 erzeugt. Der Punkt 46 auf der Achse 44 ist der Ort, an dem die Lichtquelle angeordnet ist. Die optisch wirksamen Flächenelemente der Reflexionsstufen 43 werden, wenn man sich auf der gezeigten Schnittkurve der H-Fläche 28 in Richtung zur Lichtquelle in Punkt 46 bewegt, immer kleiner und sind in der Nachbarschaft des Punktes 46 so klein, dass sie nicht mehr mit Hilfe eines Spritzgussverfahrens hergestellt werden können: Wenn der Reflektor einen Radius von 100 mm aufweist und die radiale Ausdehnung eines Reflexionselementes 43 3 mm beträgt, schrumpfen die optisch wirksamen Flächen in der Nachbarschaft der Lichtquelle auf eine Größe von wenigen Hundertstel mm zusammen.
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Eine Möglichkeit, dieses Problem zu umgehen, besteht darin, eine wie in 12 schematisch dargestellte Anordnung zu verwenden. 12 zeigt eine kreisförmige Leuchte 10 aus einer Blickrichtung, die der Lichtaustrittsöffnung der Leuchte 10 entgegengesetzt gerichtet ist. Die Leuchte 10 besitzt zwei Lichtaustrittsbereiche 48, 50, und die Lichtquelle 12 ist zwischen diesen beiden Lichtaustrittsbereichen 48, 50 angeordnet. Von dem durch einen Kreis angedeuteten rotationssymmetrischen Reflektor müssen also keine Lichtquellen-nahen Bereiche hergestellt werden.
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Eine umfassendere, prinzipiellere und damit bessere Lösung dieser beiden Probleme ist in den 13 und 14 dargestellt. Die beiden Probleme bestehen in dem inhomogen hellen Erscheinungsbild des Reflektors und in den nicht mehr herstellbar kleinen Reflexionsstufen 43. Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, den Reflektor 52 aus glasklarem und damit transparentem Material herzustellen und jedem mit einem gleichen Lichtstrom beaufschlagten Flächenelement dA auf der Rückseite des Reflektors ein Spiegelelement dS zuzuordnen, welches das von der Lichtquelle im Punkt 46 kommende Licht, das beim Eintritt in das Material des Reflektors 52 aufgrund der dabei stattfindenden Brechung eine Richtungsänderung erfahren hat, so umlenkt, dass es nach der Brechung beim Verlassen des Reflektors 52 die gewünschte Lichtrichtung 54 aufweist.
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14 zeigt eine Ausgestaltung eines Reflektors 52 in einer perspektivischen Darstellung. Dieser Reflektor 52 zeichnet sich dadurch aus, dass die ersten Flächenelemente die Form von die Lichtquellen 12 umlaufenden Ringflächen aufweisen, wobei jede Ringfläche wenigstens eine in ihr verlaufende stetig differenzierbare Kurve aufweist. Mit anderen Worten: Eine einzelne Ringfläche wird nicht durch eine Kante unterbrochen.
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Anhand der beiden 13, 14 ist deutlich zu erkennen, dass die Lichtquellen-nahen wirksamen Stufen so groß ausgebildet sind, dass sie problemlos im Spritzgussverfahren hergestellt werden können. Man erkennt ebenso, dass die Lichtquellen-fernen, nicht wirksamen Flächen so klein werden, dass sie im Spritzgussverfahren nicht präziser abgebildet werden können. Dies ist aber ohne Bedeutung, da die jeweils benachbarten wirksamen Flächen groß sind.
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Der Reflektor 52 aus der 14 ersetzt bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung den Paraboloidreflektor 14 aus der 1. Der Reflektor 52 zeichnet sich dadurch aus, dass das Verhältnis der Fläche eines ersten Flächenelements dA zu dem Raumwinkel dΩ, unter dem es von der Lichtquelle 12 aus betrachtet erscheint, einer vorbestimmten Funktion und der Randbedingung genügt, dass das am weitesten von der Lichtquelle 12 entfernte erste Flächenelement des Reflektors 52 dieselbe Flächennormale aufweist wie ein Rotationsparaboloid-Reflektor 14, der dadurch definiert ist, dass er dieselbe Rotationsachse und damit dieselbe Abstrahlrichtung wie der Reflektor 52 aufweist und bei dem die Lichtquelle 12 in seinem Brennpunkt angeordnet ist und dessen Fläche wenigstens einen gemeinsamen Punkt mit dem ersten Flächenelement aufweist.
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Eine gemeinsame Betrachtung der 1, 13 und 14 zeigt unter dieser Voraussetzung damit insbesondere eine Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung in Form einer Leuchte 10 mit einem Gehäuse 21, einer transparenten Abdeckscheibe 20, einer Lichtquelle 12 und einem das Licht der Lichtquelle 12 in eine Vorzugsrichtung bündelnden Reflektor 52, der in eine Vielzahl von ersten Flächenelementen dA aufgeteilt ist, die so angeordnet sind und deren Abmessungen so bestimmt sind, dass die ersten Flächenelemente dA von der Lichtquelle 12 mit einem vorbestimmten Anteil am Lichtstrom der Lichtquelle 12 beleuchtet werden.
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Dabei ist bevorzugt, dass die oben genannte vorbestimmte Funktion durch die Bedingung definiert wird, dass die einzelnen ersten Flächenelemente mit vorbestimmten Anteilen am Lichtstrom der Lichtquelle beleuchtet werden.
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Es ist insbesondere bevorzugt, dass die vorbestimmte Funktion durch die Bedingung definiert wird, dass die einzelnen ersten Flächenelemente mit untereinander gleichen Anteilen am Lichtstrom der Lichtquelle 12 beleuchtet werden.
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Eine alternative Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die vorbestimmte Funktion durch die Bedingung definiert wird, dass weiter von der Lichtquelle 12 entfernt angeordnete erste Flächenelemente mit kleineren Anteilen am Lichtstrom der Lichtquelle 12 beleuchtet werden als näher an der Lichtquelle 12 angeordnete erste Flächenelemente.
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Der Reflektor 52 zeichnet sich dadurch aus, dass er auf seiner der Lichtquelle 12 zugewandten Seite 51 aus transparentem Material mit einer glatten Oberfläche besteht und dass die ersten Flächenelemente in Form von reflektierenden Spiegelsegmenten dS realisiert sind, die auf einer von der Lichtquelle 12 abgewandten Rückseite 53 des Reflektors 52 angeordnet sind.
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Anhand von 13 erkennt man weiterhin, dass die optisch wirksamen Flächen im gesamten Bereich des Reflektors 52 deutlich größer als die jeweils benachbarten, abgeschatteten und damit optisch unwirksamen Flächen sind. Dies bedeutet, dass beim Blick in den Reflektor 52 hinein der größte Teil von dessen Fläche leuchtet und dass zwischen diesen leuchtenden Bereichen lediglich sehr schmale dunkle Bereiche liegen. Das Auftreten störender Moiree-Figuren wird dadurch entweder verhindert oder die Figuren sind so kontrastarm, dass sie ein ungeübter Beobachter nicht wahrnimmt.
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Hier ergibt sich ein neues Problem: Wie weiter oben erläutert worden ist, läuft die H-Fläche auf die Lichtquelle 12 in Punkt 46 zu. Das bedeutet für den Fall eines glasklaren Reflektors 52, in dessen transparentes Material das Licht eindringen soll, dass ein großer Anteil des Lichtes aufgrund Fresnel'-scher Reflexion nicht in das Reflektormaterial eindringt, sondern an der glatten Innenfläche des Reflektors 52 reflektiert wird. Die 15 und 16 verdeutlichen diesen Sachverhalt. 15 zeigt für PC (Polycarbonat) die Abhängigkeit des reflektierten Lichtanteils Rm und des transmittierten Lichtanteils Tm eines aus der Luft kommenden Bündels für Einfallswinkel zwischen 0° und 90°.
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In der Optik wird der Einfallswinkel immer gegen die Flächennormale an dem Punkt gemessen, an dem der Strahl die Fläche trifft. Insbesondere bedeuten also 0° Einfallswinkel, dass der Strahl senkrecht auf die Fläche trifft und 90° Einfallswinkel, dass der Strahl streifend auf die Fläche trifft. Bei 0° Einfallswinkel trifft der Strahl senkrecht auf die Fläche. Dann wird etwa 5% reflektiert, und es werden etwa 95% transmittiert. Ab etwa 40° steigt der reflektierte Anteil immer stärker an, um bei 90°, also bei einem streifenden Auftreffen, 100% zu erreichen, was einem transmittierten Anteil von 0% entspricht. 16 zeigt dasselbe für die beiden als Beispiele gewählten Auftreffwinkel 20° und 75°. Dabei wurde die Strahlbreite proportional zum prozentualen Anteil des reflektierten und des transmittierten Lichtes gewählt. Bei 20° werden 6% reflektiert. Bei 75° ist dieser Anteil schon auf 30% angewachsen.
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17 zeigt den Auftreffwinkel für vier zufällig ausgewählte Punkte 60, 62, 64, 66, die auf einer Schnittkurve durch eine H-Fläche 18 liegen, die durch den Koordinatenursprung 46 geht und die in der x-z-Ebene des Koordinatensystems 31 liegt. Für den Punkt 60 ergibt sich dabei ein Auftreffwinkel von 84°, für den Punkt 62 ergibt sich ein Auftreffwinkel von 70°, für den Punkt 64 ergibt sich ein Auftreffwinkel von 53° und für den Punkt 66 ergibt sich ein Auftreffwinkel von 46°. In Verbindung mit 15 ergibt sich ein nicht in den Reflektor 52 eindringender Lichtanteil zwischen 7% bei 46° und etwa 52% bei 84°.
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Verluste dieser Größe beeinträchtigen die Homogenität eines Reflektors stark, wenn sie nicht berücksichtigt werden. Zur Berücksichtigung wird die Gleichung 1 deshalb folgendermaßen abgewandelt: dΩ/dA·Tm = konstant (Gleichung 2)
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Dabei beschreibt dΩ wieder den Raumwinkel eines Flächenelementes dA und Tm den transmittierten, also den durch die glatte Fläche in das transparente Material des Reflektors 52 eindringenden, Lichtanteil. Die Integration dieser Gleichung erweist sich als schwierig. Sie kann jedoch im Rechner mittels eines iterativen Prozesses wiederum unter Zuhilfenahme der Randbedingung erfolgen, dass der weitest entfernte Punkt der zu berechnenden Fläche dieselbe Normale aufweisen soll, die das zu verbessernde Paraboloid an dieser Stelle aufweist. Unterschiedliche Absorption im Material des Reflektors 52 aufgrund unterschiedlich langer Wege oder die Änderung der Facettengröße zwischen Lichteintritt und Lichtaustritt kann bei geringen Reflektorwandstärken, die typischerweise zwischen 2 und 5 mm liegen, vernachlässigt werden. Ebenso kann die Fresnel'-sche Reflexion beim Verlassen des Reflektors 52 vernachlässigt werden, da die Winkel in der Regel 40° nicht übersteigen, weshalb der Verlust an jedem Punkt der Fläche als konstant angenähert werden kann.
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18 zeigt eine H-Kurve 28 und eine Fresnel-korrigierte Kurve 68. Die im Punkt 46 angeordnete Lichtquelle sitzt auf der Rotationsachse 44. Der Auftreffwinkel an der betrachteten Stelle wurde durch die Korrektur von etwa 82° auf etwa 80° verringert, wodurch mehr Licht in das Material des Reflektors 52 eindringen kann. Durch die verminderte Neigung des Reflektors 52 an der betrachteten Stelle erscheint das Flächenelement dA von der Lichtquelle im Punkt 46 aus betrachtet größer, was ebenfalls zu einem erhöhten Lichtstrom auf das Flächenelement führt.
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Insgesamt erscheint die korrigierte Fläche von Punkt 46 aus betrachtet etwas bauchiger. Die Eigenschaften, am äußeren Rand 70 in einen Paraboloiden zu münden und im Zentrum auf die Lichtquelle im Punkt 46 zuzulaufen, bleiben jedoch erhalten. Bisher wurde bei den Gleichungen 1 und 2 nur der Fall betrachtet, dass die auf die Flächenelemente dA auftreffenden Lichtströme konstant sind. Die Konstanz der Lichtströme bedeutet, dass der Reflektor bei Betrachtung an jeder Stelle exakt gleich hell erscheint. Natürlich kann von dieser strikten Forderung abgewichen werden und beispielsweise ein Reflektor entwickelt werden, der am äußeren Rand den Lichtstrom Q pro Flächenelement dA aufweist, und der im Zentrum jedoch den Lichtstrom zweimal Q aufweist.
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Nimmt man zwischen diesen beiden extremen Werten einen beispielsweise linearen Verlauf an, ergibt sich für ein Flächenelement dA in der Mitte zwischen Rand und Zentrum ein Lichtstrom von 1,5·Q. Insgesamt ergibt sich also, dass alle Flächenelemente dA, die nicht am Reflektorrand liegen, einen größeren Lichtstrom erhalten, was wiederum bedeutet, dass die Effektivität des gesamten Reflektors erhöht ist.
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Man erhält also ein Werkzeug an die Hand, das eine Wahl zwischen einer hohen Effektivität und einer hohen Homogenität erlaubt. Darüber hinaus ergibt sich aus der vorstehenden Betrachtung, dass eine hohe Effektivität nur zu Lasten der Homogenität und umgekehrt erreichbar ist. Im Stand der Technik (Paraboloid) wird grundsätzlich zugunsten einer höchsten Effektivität eine niedrigste Homogenität in Kauf genommen.
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Oben wurde zur Erzeugung einer gesetzlichen vorgeschriebenen Lichtverteilung eine Streuelemente aufweisende Abdeckscheibe 20 verwendet. Natürlich kann die Lichtverteilung auch durch eine Facettierung des Reflektors 52 erreicht werden. Dabei muss lediglich darauf geachtet werden, dass die Streufacetten eines Flächenelementes nicht ganz oder teilweise benachbarte Elemente abschatten und dass alle streuende Facetten denselben Streuwinkel bedienen.
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Die als Umlenkstufen wirkenden ersten Flächenelemente können, wie in 14, eine umlaufende Ringstruktur aufweisen oder in einer wie in 8 und 9 dargestellten annähernden Rechteckstruktur ausgestaltet sein.
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An Stelle von Rechteckstrukturen können die ersten Flächenelemente die Form von Polygonen, insbesondere von Rechtecken aufweisen. Bevorzugt ist auch, dass die Anordnung und die Abmessungen der einzelnen ersten Flächenelemente so bestimmt sind, dass jedes erste Flächenelement des Reflektors ein zweites Flächenelement dF der Abdeckscheibe 20 beleuchtet.
