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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Beleuchtungseinrichtung ist bspw. aus der
US 6,540,382 B1 bekannt.
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Aus dem Stand der Technik sind ferner verschiedene Beleuchtungseinrichtungen für Fahrzeuge bekannt. So unterscheidet man zunächst zwischen Scheinwerfern und Leuchten. Scheinwerfer sind ausschließlich im Frontbereich eines Fahrzeugs angeordnet. Sie dienen neben der Verkehrssicherheit durch eine Sichtbarmachung des Fahrzeugs für andere Verkehrsteilnehmer insbesondere der Ausleuchtung einer Fahrbahn vor dem Fahrzeug, insbesondere in Form von Abblendlicht, Fernlicht, Nebellicht oder adaptiver Lichtverteilungen, um die Sicht für den Fahrer zu verbessern. Scheinwerfer können als Lichtquelle eine Glühlampe, eine Gasentladungslampe, eine oder mehrere Halbleiterlichtquellen oder beliebig andere Lichtquellen aufweisen. Sie arbeiten nach einem Reflexionsprinzip, also mit einem zur Lichtquelle hin verspiegelten Reflektor, der Licht zur Erzeugung einer gewünschten Lichtverteilung auf die Fahrbahn vor das Fahrzeug reflektiert, oder nach einem Projektionsprinzip mit zusätzlich einer Projektions- bzw. Sammellinse, welche gebündeltes Licht zur Erzeugung einer gewünschten Lichtverteilung auf die Fahrbahn vor das Fahrzeug projiziert. Der Reflektor ist dabei vorzugsweise ellipsoidförmig, paraboloidförmig, hyperboloidförmig oder in einer von diesen Formen abweichenden Freiform ausgestaltet.
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Leuchten dienen überwiegend der Verkehrssicherheit durch Sichtbarmachung des Fahrzeugs für andere Verkehrsteilnehmer. So werden Bugleuchten im Frontbereich des Fahrzeugs bspw. als Positionslicht, Blinklicht oder Tagfahrlicht und Heckleuchten im Heckbereich des Fahrzeugs bspw. als Bremslicht, Rücklicht, Blinklicht, Rückfahrlicht oder Positionslicht eingesetzt. Die Bugleuchten können dabei in einem Scheinwerfer integriert oder als separate Leuchten ausgebildet sein. Eine Heckleuchte kann zur Erzeugung einer oder mehrerer Leuchtfunktionen ausgebildet sein. Als Lichtquellen weisen Leuchten üblicherweise Glühlampen oder Halbleiterlichtquellen auf und arbeiten bevorzugt nach dem Reflexionsprinzip. Sie verfügen also üblicherweise über einen Reflektor, der das Licht der Lichtquelle so reflektiert, dass die austretenden Lichtstrahlen in Lichtaustrittsrichtung die gewünschte Lichtverteilung erzeugen.
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In Lichtaustrittsrichtung sind alle Beleuchtungseinrichtungen in der Regel mit einer lichtdurchlässigen Abdeckscheibe verschlossen. Die Abdeckscheibe kann als eine klare Scheibe ohne optisch wirksame Elemente oder zumindest bereichsweise mit optisch wirksamen Elementen, z. B. mit Streuelementen, und damit als Streuscheibe ausgebildet sein. Die verwendeten Streuelemente umfassen dabei z. B. Prismen, Zylinderlinsen, konvexe sphärische Linsen, Toruslinsen, Fresnellinsen oder durch Freiformflächen begrenzte Linsen oder Teile solcher Linsen. Ebenso kann die Abdeckscheibe zumindest bereichsweise eingefärbt sein, was typischerweise bei Blinklicht (gelbe bzw. orange Einfärbung) und bei bestimmten Leuchtfunktionen einer Heckleuchte (rote Einfärbung) der Fall ist. Auch ein Einfärben der Abdeckscheibe in unterschiedlichen Farben ist insbesondere bei Heckleuchten denkbar. Die Abdeckscheibe besteht vorzugsweise aus transparentem Glas oder Kunststoff.
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Zur Ausgestaltung der Streuscheibe ist weiter bekannt, dass auf einer Innen- und einer Außenseite der Streuscheibe, also beidseitig, zylindrische Linsen angeordnet sind, die um etwa 90° zueinander verdreht sind. Die Querschnittsform der zylindrischen Linsen ist zum Beispiel entweder ein Kreissegment, ein Parabelabschnitt oder ein Teilstück einer beliebigen ovalen Kurve. Die Segmente, Abschnitte oder Kurven können entweder einen stetigen Krümmungsverlauf aufweisen, oder aber sie sind zumindest teilweise durch gerade bzw. ebene Flächenabschnitte angenähert.
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Aus der
DE 10 2007 063 569 A1 ist eine Beleuchtungseinrichtung mit einer Streuscheibe bekannt, die zwei sich überlagernde Wellenstrukturen aufweist. Führungskurven der einzelnen Wellenstrukturen verlaufen in einem Winkel zueinander, so dass sich ein im Wesentlichen schachbrettartiges Muster auf der Streuscheibe ergibt. Jede Wellenstruktur für sich betrachtet besteht dabei aus Wellenbändern, die in die Richtung der Führungskurven verlaufen. Jede Wellenstruktur weist abwechselnd aufeinanderfolgende streuende und sammelnde Wellenprofile (also konkav und konvex ausgebildete Wellenprofile) auf. Die Wellenstruktur ist dabei auf der Innen- und/oder der Außenseite der Streuscheibe vorgesehen.
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Die bekannten Streuscheiben weisen den Nachteil auf, dass eine Lichtverteilung durch die Streuscheibe größer ist, als gesetzlich gefordert ist. Das bedeutet, dass eine vertikale und horizontale Streuung über den geforderten Bereich hinausgeht, was zu einer ”Verschwendung” von Licht und dazu führt, dass für die eigentliche Lichtverteilung weniger Licht zur Verfügung steht. Die Beleuchtungseinrichtung muss daher mehr Licht erzeugen als zur Erzeugung der Lichtverteilung eigentlich notwendig wäre; die Anzahl der Leuchtmittel bzw. die Leuchtstärke der Leuchtmittel muss unnötigerweise erhöht werden. Dadurch erhöhen sich die Herstellungs- und Betriebskosten. Außerdem kann mit den bekannten Streuscheiben eine geforderte Form der Lichtverteilung, die bspw. im Fall von Tagfahrlicht näherungsweise einer kreuzförmig ausgeleuchteten Lichtverteilung mit einer ausgeprägten horizontalen und vertikalen Erstreckung entspricht, höchstens ansatzweise erfüllt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Streuscheibe einer Beleuchtungseinrichtung der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass die sich nach Durchtritt durch die Streuscheibe ergebende Lichtverteilung die gesetzlichen Vorgaben an die Lichtverteilung, insbesondere für Tagfahrlicht, besser erfüllt und dabei die Herstellungs- und Betriebskosten der Beleuchtungseinrichtung gesenkt werden können.
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine Beleuchtungseinrichtung gemäß dem Patentanspruch 1 vorgeschlagen. Die optischen Elemente sind also derart ausgebildet und auf der Streuscheibe angeordnet, dass die optischen Elemente einer ersten Gruppe das durch sie hindurchtretende Licht alle in einer einzigen ersten Ebene streuen. Die optischen Elemente einer anderen Gruppe streuen das durch sie hindurchtretende Licht ebenfalls in einer einzigen Ebene, wobei diese Ebene vorzugsweise eine andere Ebene als die erste Ebene ist. Jedem der optischen Elemente ist also eine Streuung in einer genau definierten Ebene zugeordnet. Dadurch kann eine gewünschte Lichtverteilung bzw. können die dieser zugeordneten gesetzlichen Anforderungen wesentlich einfacher, genauer und besser erzielt bzw. erfüllt werden. Insbesondere erhält man eine Tagfahrlichtverteilung, indem man zwei Gruppen von optischen Elementen wählt, deren Führungskurven im Wesentlichen horizontal (erzeugt vertikale Lichtstreuung) und im Wesentlichen vertikal (erzeugt horizontale Lichtstreuung) ausgerichtet sind.
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Eine Gruppe von optischen Elementen weist eine Aneinanderreihung von optischen Elementen in vorgegebenen Abständen auf, wobei die optischen Elemente einer Gruppe parallel zu definierten Führungskurven auf der Streuscheibe angeordnet sind. In einer bevorzugten Ausführungsform verlaufen die Führungskurven in einer Draufsicht auf die Streuscheibe geradlinig. In der Draufsicht gekrümmte Führungskurven sind allerdings auch denkbar. Eine Krümmung der Streuscheibe in sich zur Anpassung der äußeren Form der Beleuchtungseinrichtung an das Design des Kraftfahrzeugs und die Form der die Beleuchtungseinrichtung umgebenden Karosserie ist denkbar, wirkt sich allerdings nicht auf den Verlauf der Führungskurven in der Draufsicht auf die Scheibe aus.
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Die optischen Elemente können derart ausgebildet und angeordnet sein, dass sie das Licht nicht in verschiedene Richtungen, sondern lediglich in einer bevorzugten Ebene, bspw. ausschließlich horizontal oder ausschließlich vertikal streuen. Im Grunde genommen kann eine Ausrichtung der durch die Ausbildung und Anordnung der optischen Elemente derselben Gruppe vorgegebenen Streuebene beliebig sein. Die Richtung der Führungskurven der optischen Elemente derselben Gruppe bestimmt dabei die Richtung der Streuebene.
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Der Erfindung liegt die Idee zu Grunde, mehrere Gruppen von optischen Elementen derart anzuordnen, dass sich durch eine Überlagerung der einzelnen Lichtstreuungen in verschiedenen Ebenen die gewünschte horizontale und vertikale Streuung der Lichtverteilung ergibt. Die Lichtverteilung entspricht dabei nach Möglichkeit den gesetzlichen Anforderungen an die Lichtverteilung. Zur Erfüllung der gesetzlichen Vorgaben an die Lichtverteilung müssen die Krümmung der Streuscheibe an sich und deren Einbaulage in der Fahrzeugkarosserie bei der Ausrichtung und Anordnung der optischen Elemente berücksichtigt werden.
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Die optischen Elemente innerhalb derselben Gruppe sind derart ausgebildet, dass sie das durch sie hindurchtretende Licht in parallelen Ebenen streuen, die senkrecht zu den Führungskurven der Gruppe verlaufen. Gerade dadurch kann die Ausrichtung der Ebene der Streuung genau festgelegt werden.
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Gemäß einem von der Erfindung nicht umfassten Beispiel können die optischen Elemente zylindersegmentförmige Linsenelemente mit jeweils einer Zylinderachse umfassen, wobei die Zylinderachsen der Linsenelemente derselben Gruppe jeweils parallel zu den Führungskurven der Gruppe verlaufen. Dabei können die zylindersegmentförmigen Linsenelemente auf der Streuscheibe aufgebracht sein und damit konvexe Linsenelemente bilden. Im Sinne der vorliegenden Erfindung sind allerdings die Konturen der zylindersegmentförmigen Linsenelemente auf der Streuscheibe eingeprägt, so dass sich konkave Linsenelemente bilden. Der zylinderförmige Körper dient hier lediglich bei der Herstellung der Streuscheibe als Abzugskörper (Matrize).
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Trifft ein in einer Ebene senkrecht zur Zylinderachse verlaufender Lichtstrahl auf eine zylinderförmige brechende Fläche, wird er in einer Ebene senkrecht zur Zylinderachse abgelenkt. Die zylinderförmige Fläche bricht die Lichtstrahlen damit senkrecht zu den Führungskurven der Streuscheibe. Ein bspw. vertikal angeordnetes zylindrisches Linsenelement erzeugt also im Idealfall eine horizontal gestreute Verteilung, die im Wesentlichen keine vertikale Ausdehnung aufweist. Analoges gilt natürlich für ein horizontal angeordnetes zylindrisches Linsenelement, das im Idealfall nur eine vertikal gestreute Verteilung und im Wesentlichen keine horizontale Ausdehnung aufweist. Die Vorgabe, dass die optischen Elemente innerhalb derselben Gruppe derart ausgebildet und angeordnet sind, dass sie das durch sie hindurchtretende Licht lediglich in zueinander parallelen und senkrecht zur Lichtaustrittsrichtung verlaufenden Ebenen streuen gilt also streng genommen nur für idealisierte punktförmige Lichtquellen.
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Eine reale Lichtverteilung muss jedoch eine gewisse Erstreckung sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung aufweisen. Dies wird in der Praxis zum Teil automatisch dadurch erreicht, dass die Lichtquelle nicht punktuell im Brennpunkt eines Reflektors der Beleuchtungseinrichtung angeordnet sein kann. Folglich treffen nicht alle Lichtstrahlen in dem gleichen Winkel auf die Zylinderlinsen, so dass es bei vertikal angeordneten Zylinderlinsen automatisch zu einer geringen vertikalen Streuung und bei horizontal angeordneten Zylinderlinsen zu einer geringen horizontalen Streuung kommt. Dies kann noch durch bewusste Variation der Reflektorfläche, bspw. Abweichungen von einer Paraboloid- oder Ellipsoidform, unterstützt werden. Des Weiteren kann die Reflektorfläche mit Facetten versehen sein, die dazu führen, dass der Reflektor das auftreffende Licht als ein leicht kegelförmiges Lichtbündel reflektiert. Beim Auftreffen eines solchen Lichtbündels auf die zylinderförmige Fläche der Linsenelemente wird das Licht gespreizt. Vorteilhafterweise können dadurch eine geringe Deplatzierung der Lichtquelle oder eine leichte Falschausrichtung des Reflektors ausgeglichen werden, da durch die so erzeugte Breite der Lichtverteilung eventuell auftretende fehlerhafte scharfe Kanten in der Lichtverteilung verhindert werden. Außerdem wird das System robust gegen einen eventuellen Falschzusammenbau der Beleuchtungseinrichtung.
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Die optischen Elemente sind entweder ausschließlich auf einer Innenseite oder ausschließlich auf einer Außenseite der Streuscheibe angeordnet. Die einseitige Anordnung der optischen Elemente garantiert, dass ein hindurchtretender Lichtstrahl entweder auf ein optisches Element der einen Gruppe oder auf ein Element der anderen Gruppe trifft, also einer horizontalen oder einer vertikalen Streuung unterliegt. Bringt man dagegen wie im Stand der Technik die eine Gruppe optischer Elemente auf einer ersten Seite der Streuscheibe und die andere Gruppe auf einer zweiten Seite unter, unterliegen hindurchtretende Lichtstrahlen sowohl der horizontalen als auch der vertikalen Streuung, was nicht erwünscht ist. So weist die Streuscheibe immer auf einer Seite eine glatte Oberfläche auf, nur die entgegengesetzte Seite umfasst die optischen Elemente. Dies führt zu niedrigen Herstellungskosten und kann ein bestimmtes Design der Beleuchtungseinrichtung, auch im Zusammenwirken mit dem Design des Kraftfahrzeugs, unterstützen.
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Alternativ zu zylindersegmentförmigen Linsenelementen können auch torusabschnittsförmige Linsenelemente mit jeweils einer Mittelachse (Torusachse) verwendet werden, wobei die Mittelachsen der Linsenelemente jeweils derselben Gruppe senkrecht zu den Führungskurven der Gruppe verlaufen. Eine solche Beleuchtungseinrichtung ist jedoch nicht von der vorliegenden Erfindung umfasst. Wählt man dabei den Torusradius entsprechend groß, so nähert sich in einem eingegrenzten Wirkbereich das torusabschnittsförmige Linsenelement der Form des zylindersegmentförmigen Linsenelements an. Die technischen Merkmale und Vorteile von torusabschnittsförmigen Linsenelementen sind mit denen der zylindersegmentförmigen Linsenelemente vergleichbar. Eine Auswahl zwischen den beiden Ausführungsformen kann in Abhängigkeit von herstellungstechnischen sowie von designtechnischen Gesichtspunkten getroffen werden. Es ist auch denkbar, auf einer Streuscheibe sowohl eine Gruppe zylindersegmentförmiger Linsenelemente als auch eine Gruppe torusabschnittsförmiger Linsenelemente zu verwenden.
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Der Grund für die Verwendung von Toruslinsen ist die geringe Verbreiterung des Streubildes im Vergleich zur Verwendung von Zylinderlinsen. Toruslinsen können also alternativ zum Beispiel zur Belegung des Reflektors mit Facetten verwendet werden. Da die Verbreiterung nur sehr gering sein soll (etwa 2°), ist der große Torusradius groß im Vergleich zum kleinen Torusradius und zur Länge des ausgeschnittenen Flächenelements zu wählen.
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Besonders vorteilhaft ist es, dass mindestens zwei Gruppen von optischen Elementen an der Streuscheibe vorgesehen sind, wobei die Führungskurven von zwei Gruppen bevorzugt orthogonal zueinander verlaufen. Selbstverständlich können die Führungskurven der beiden Gruppen bei Bedarf auch in einem von 90° abweichenden Winkel zueinander angeordnet sein. Eine Wahl des entsprechenden Winkels hängt von der zu erzeugenden Lichtverteilung und den entsprechenden kundenspezifischen oder gesetzlichen Anforderungen an die Lichtverteilung ab. Insbesondere durch den orthogonalen Verlauf der bevorzugt zylindersegmentförmigen Linsenelemente auf der Streuscheibe, die jeweils Licht in einer vertikalen oder alternativ in einer horizontalen Ebene streuen, kann die gesetzlich geforderte und im Wesentlichen kreuzförmig ausgestaltete Lichtverteilung eines Tagfahrlichts realisiert werden. Auch andere Lichtverteilungen lassen sich dadurch besonders einfach und ohne großen Aufwand realisieren.
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Um den gesetzlich geforderten Anforderungen an die erzeugte Lichtverteilung möglichst nahe zu kommen, die innerhalb der Lichtverteilung auch noch unterschiedliche Lichtstärkewerte vorsieht, sind neben den bisher genannten Ausgestaltungsmöglichkeiten der Linsenelemente in der Streuscheibe der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung verschiedene zusätzliche Maßnahmen denkbar, die als ”Stellschraube” dienen und die Lichtverteilung und/oder die Lichtstärke beeinflussen können. Die verschiedenen Maßnahmen verändern im Wesentlichen jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination miteinander die Position und Abmessungen der durch das Licht der Lichtquelle angestrahlten Fläche der optischen Elemente.
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So können bspw. konkav ausgebildete optische Elemente in definierten Teilbereichen (bspw. in einer Gruppe von optischen Elementen) der Streuscheibe gleich tief in die Streuscheibe eingelassen sein, während in anderen Teilbereichen der Streuscheibe die Einlasstiefe davon abweicht. Auch kann die Einlasstiefe bei Bedarf über die Längserstreckung der optischen Elemente, also in Richtung parallel zu den Führungskurven, variieren. Bei konvex ausgebildeten optischen Elementen gilt gleiches für die Höhe des über die Oberfläche der Streuscheibe hervorstehenden Teils der optischen Elemente. Die Grenzkontur zwischen den optischen Elementen der verschiedenen Gruppen ergibt sich als Schnitt der streuenden Flächen der beiden Gruppen. Denkbar ist allerdings auch, dass die optischen Elemente gruppenweise bspw. in schachbrettartigen Zellen alternierend auf der Streuscheibe angeordnet sind.
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Eine weitere Variationsmöglichkeit, die als „Stellschraube” genutzt werden kann, ist bspw. ein Abstand der optischen Elemente innerhalb derselben Gruppe. Der Abstand einer ersten Gruppe kann sich vom Abstand der optischen Elemente einer anderen Gruppe unterscheiden. Die Abstände zwischen den optischen Elementen derselben Gruppe können dabei auch so klein bemessen sein, dass benachbarte optische Elemente direkt aneinandergrenzen.
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Eine weitere Variationsmöglichkeit, die als „Stellschraube” genutzt werden kann, ist bspw. eine Breite der optischen Elemente, wobei als Breite die Erstreckung der optischen Elemente quer zu ihrer Führungskurve verstanden wird. Die Breite der optischen Elemente kann innerhalb derselben Gruppe und/oder oder von Gruppe zu Gruppe variieren. Es ist sogar denkbar, dass die Breite eines optischen Elements über seine Längserstreckung variiert.
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Eine weitere Variationsmöglichkeit, die als „Stellschraube” genutzt werden kann, ist bspw. die Form der optischen Elemente im Querschnitt zu den entsprechenden Führungskurven. Als variable Form der optischen Elemente kann bspw. der Krümmungsradius der Zylinderfläche von Zylinderlinsensegmenten betrachtet werden. Die Form kann innerhalb eines optischen Elements entlang dessen Längserstreckung, von optischem Element zu optischem Element derselben Gruppe oder von optischem Element einer Gruppe zu optischem Element einer anderen Gruppe variieren.
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Zusammenfassend ist also ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung die in besonderer Weise ausgestaltete Streuscheibe einer Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung, auf die vorzugsweise parallele Lichtstrahlen treffen. Zum annähernd Parallelisieren der Lichtstrahlen ist zwischen der Lichtquelle und der Streuscheibe ein Reflektor, insbesondere ein Parabolreflektor, angeordnet. Alle optischen Elemente sind zylindrisch ausgebildet und sind auf derselben Seite der Streuscheibe angeordnet.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden 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.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
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2 eine Teilansicht einer Streuscheibe einer aus dem Stand der Technik bekannten Beleuchtungseinrichtung;
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3 eine stark vereinfachte Darstellung einer durch die Beleuchtungseinrichtung aus 2 erzeugbaren Lichtverteilung auf einem in einem Abstand zu der Beleuchtungseinrichtung in Lichtaustrittsrichtung angeordnetem Messschirm;
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4 und 5 eine Soll- und eine Ist-Lichtverteilung, sowie eine korrespondierende Lichtstärke, wie sie mit einer aus dem Stand der Technik bekannten Beleuchtungseinrichtung erzeugt wird;
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6 eine Darstellung einer Lichtverteilung, wie sie mit einer anderen aus dem Stand der Technik bekannten Beleuchtungseinrichtung erzeugt wird;
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7 eine Darstellung einer Soll-Lichtverteilung und verschiedenen Ist-Lichtverteilungen für Tagfahrlicht, wie sie mit einer anderen aus dem Stand der Technik bekannten Beleuchtungseinrichtung erzeugt wird;
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8 eine detaillierte, dreidimensionale Darstellung einer Soll-Lichtverteilung mit der korrespondierenden Lichtstärke für Tagfahrlicht;
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9 eine perspektivische Teilansicht einer Streuscheibe einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung;
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10 eine vergrößerte Darstellung der Streuscheibe aus 9;
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11 eine dreidimensionale Darstellung der räumlichen Lichtkomponenten eines von einer Streuscheibe einer aus dem Stand der Technik bekannten Beleuchtungseinrichtung gestreuten Lichtstrahls in einem karthesischen Koordinatensystem;
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12 eine dreidimensionale Darstellung der räumlichen Lichtkomponenten eines von einer Streuscheibe einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung gestreuten Lichtstrahls in einem karthesischen Koordinatensystem;
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13–20 verschiedene Ausführungsformen einer Streuscheibe einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung;
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21 eine weitere Ausführungsform einer Streuscheibe, die jedoch nicht von der vorliegenden Erfindung umfasst ist.
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1 zeigt – stark vereinfacht – eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung 10 für ein Kraftfahrzeug. Die Beleuchtungseinrichtung 10 kann als ein Scheinwerfer oder als eine Leuchte ausgebildet sein und umfasst ein Gehäuse 12, das in einer Lichtaustrittsrichtung 11 eine Lichtaustrittsöffnung aufweist, die mit einer lichtdurchlässigen Abdeckscheibe 14 verschlossen ist. Die Abdeckscheibe 14 ist als eine Streuscheibe ausgebildet, das heißt an der Streuscheibe 14 sind optische Elemente zum Streuen von hindurchtretendem Licht angeordnet (in 1 nicht dargestellt). Auf die Ausgestaltung der Streuscheibe 14, insbesondere der optischen Elemente 22, wird weiter unten noch detailliert eingegangen. Die Streuscheibe 14 ist vorzugsweise aus transparentem Kunststoff ausgebildet, jedoch ist auch eine Herstellung aus Glas denkbar.
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Die Beleuchtungseinrichtung 10 weist im Innern eine als Reflektor 16 ausgestaltete Primäroptik auf, in deren Brennpunkt eine Lichtquelle 18 angeordnet ist. Die Lichtquelle 18 ist bspw. als eine Glühlampe ausgebildet, könnte aber auch mindestens eine Halbleiterlichtquelle, z. B. eine LED, umfassen. Im Falle einer LED als Lichtquelle ist die Primäroptik vorzugsweise als eine Vorsatzoptik ausgebildet, die vorzugsweise aus einem transparenten Kunststoffmaterial gefertigt ist und Licht durch Brechung an einer Lichteinkoppelfläche und/oder einer Lichtauskoppelfläche sowie durch Totalreflexion an Grenzflächen der Vorsatzoptik bündelt.
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2 zeigt eine Streuscheibe 14 einer aus dem Stand der Technik bekannten Beleuchtungseinrichtung. Die Streuscheibe 14 besteht aus einem plattenförmigen Körper 20, der eben oder der Form der umgebenden Fahrzeugkarosserie folgend gewölbt ausgebildet sein kann. Auf beiden Seiten der Platte 20 (an der Innen- und Außenseite) sind zylindersegmentförmige und konvex ausgebildete optische Elemente 22 angeordnet. Der Übersichtlichkeit wegen ist in 2 auf beiden Seiten jeweils nur ein optisches Element 22 dargestellt. Tatsächlich können aber mehrere optische Elemente 22 auf jeder Seite der Platte 20 angeordnet sein. Die optischen Elemente 22 auf den beiden Seiten der Streuscheibe 14 sind orthogonal zueinander angeordnet. Die einzelnen optischen Elemente 22 können dabei in Längserstreckung beabstandet oder bevorzugt direkt angrenzend auf der Streuscheibe 14 angeordnet sein.
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3 zeigt eine stark vereinfachte Darstellung einer durch die Beleuchtungseinrichtung aus 2 erzeugbaren Soll-Lichtverteilung 24 auf einem in einem Abstand zu der Beleuchtungseinrichtung in Lichtaustrittsrichtung 11 angeordnetem Messschirm. Die Soll-Lichtverteilung 24 umfasst einen Bereich entlang einer horizontalen Achse HH von ca. ±8° und vertikal einen Bereich entlang einer vertikalen Achse VV von ca. ±5°. Die Soll-Lichtverteilung 24 weist eine Rechteckform auf. Innerhalb des Rechtecks herrscht eine normierte Lichtstärke von 1, außerhalb des Rechtecks ist die Lichtstärke undefiniert, sie könnte bspw. 0 sein. Ziel der durch die Beleuchtungseinrichtung und deren Streuscheibe erzeugbaren Lichtverteilung ist, die dargestellte Soll-Lichtverteilung 24 möglichst genau zu erzielen.
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Die 4 und 5 zeigen die in 3 dargestellte Soll-Lichtverteilung 24 und eine durch die Beleuchtungseinrichtung und deren aus dem Stand der Technik bekannte Streuscheibe erzielbare Ist-Lichtverteilung 25, sowie eine korrespondierende Lichtstärkeverteilung L. Die aus dem Stand der Technik bekannte Streuscheibe ist bspw. mit sphärischen Linsen als optische Elemente 22 bestückt. 4 zeigt die Soll-Lichtverteilung 24 und die Ist-Lichtverteilung 25 entlang der horizontalen Achse HH mit der entsprechenden korrespondierenden Lichtstärke L, 5 zeigt die vertikale Lichtverteilung entlang der vertikalen Achse VV mit der entsprechenden korrespondierenden Lichtstärke L. Beide Figuren zeigen einerseits, dass die Ist-Lichtverteilung 25 größer ist als nötig, also Soll-Lichtverteilung 24 räumlich überragt (vgl. Bezugszeichen 26). Außerdem wird eine Lichtstärke L erzeugt, die insbesondere im Zentrum (horizontal = 0° und vertikal = 0°) durch eine gewisse Bauchigkeit in der Kurvencharakteristik größer ist als gefordert (vgl. Bezugszeichen 28). Dies führt zu einer Vergeudung von Ressourcen und damit zu unnötig hohen Kosten bei der Herstellung und dem Betrieb der bekannten Beleuchtungseinrichtung 10.
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6 zeigt eine Darstellung einer Lichtverteilung, wie sie mit einem weiteren Ausführungsbeispiel der aus dem Stand der Technik bekannten Streuscheibe 14 erzeugt wird (ebenfalls stark vereinfacht). Hätte die Streuscheibe 14 auf einer Seite optische Elemente 22 für eine horizontale Streuung und würde man auf optische Elemente 22 für die vertikale Streuung auf der entgegengesetzten Seite verzichten, ergäbe sich eine in 6 gestrichelt dargestellte Ist-Lichtverteilung 30. Fügt man die optischen Elemente 22 für eine vertikale Streuung auf der entsprechenden Seite der Streuscheibe 14 hinzu, ergibt sich insgesamt eine recht gut an eine gewünschte Soll-Lichtverteilung 32 angenäherte Ist-Lichtverteilung 34. Die Verluste durch die Bauchigkeit in der Kurvencharakteristik werden dabei im Wesentlichen vermieden (nicht dargestellt).
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7 zeigt eine Darstellung einer gesetzlich vorgegebenen Soll-Lichtverteilung 36 und verschiedenen Ist-Lichtverteilungen für Tagfahrlicht, wie sie mit einer anderen aus dem Stand der Technik bekannten Beleuchtungseinrichtung erzeugt wird. Die Soll-Lichtverteilung 36 weist die Form eines Kreuzes auf. Innerhalb des Kreuzes sei die minimale Lichtstärke = 1, außerhalb = 0. Die Ist-Lichtverteilung 30 aus 6, erzeugt durch die horizontalstreuenden optischen Elemente 22 allein, ist wieder gestrichelt dargestellt, die Ist-Lichtverteilung 34, die durch die horizontal und vertikal streuenden optischen Elemente 22 erzeugt wird, ist strichpunktiert dargestellt. Die Darstellung zeigt, dass es mit einem System aus dem Stand der Technik nicht möglich ist, die kreuzförmige Lichtverteilung 36 zu erreichen, wie sie gesetzlich gefordert ist. Vielmehr ergibt sich immer eine rechteckige Lichtverteilung 34. Die bauchige (gepunktet gezeichnete) Lichtverteilung 25 von 4 und 5 nähert sich der kreuzförmigen Lichtverteilung 36 noch am besten an, weist aber auch deutliche Defizite auf.
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8 zeigt eine dreidimensionale Darstellung der gesetzlich vorgegebenen Soll-Lichtverteilung 36 mit der korrespondierenden Lichtstärke für Tagfahrlicht, also eine detaillierte Darstellung der kreuzförmigen Lichtverteilung 36 aus 7. 8 zeigt in einer xy-Ebene eine detaillierte, dreidimensionale Darstellung der Soll-Lichtverteilung 36 mit der korrespondierenden Lichtstärke für Tagfahrlicht auf der z-Achse. Eine Draufsicht auf das dreidimensionale Gebilde 36 in der xy-Ebene zeigt die Form der Lichtverteilung 36, die im Wesentlichen kreuzförmig ausgebildet ist (vgl. Verteilung 36 in 7); eine Höhe des dreidimensionalen Gebildes 36 (z-Achse) zeigt die korrespondierende Lichtstärke. Die Lichtverteilung 36 in 8 weist eine entlang der x-Achse verlaufenden horizontalen Breite bis max. ±20° und eine entlang der y-Achse verlaufenden vertikalen Breite bis max. ±10° auf (die Linien des Rasters in der xy-Ebene haben einen Abstand von 5°).
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Außerdem zeigen in 8 von dem dreidimensionalen Gebilde 36 nach oben abragende Linien 42 eine gemessene Lichtstärke einer mit einer Streuscheibe 14 einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung 10 erzeugten Lichtverteilung 36 an gesetzlich vorgegebenen Messpunkten. Die Ist-Lichtstärke ist zwar in allen Messpunkten größer als die geforderte Soll-Lichtstärke, aber die ganzheitliche Soll-Vorgabe des dreidimensionalen Gebildes 36 und damit die gesetzliche Vorgabe wird hinreichend gut erfüllt.
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Um eine solche Lichtverteilung 36 mit der entsprechenden korrespondierenden Lichtstärke zu erreichen, ist die Streuscheibe 14 der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung 10 entsprechend ausgebildet. 9 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Streuscheibe 14 einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung 10. Die Streuscheibe 14 umfasst den lichtdurchlässigen, plattenförmigen Körper 20, der auf einer Seite eben ausgebildet ist; auf der gegenüberliegenden Seite weist der plattenförmige Körper 20 eine Profilierung aus konkav ausgebildeten optischen Elementen 22 auf. Die ebene Seite der Streuscheibe 14 könnte in einer weiteren Ausführungsform auch zusätzlich Prismen aufweisen (in 9 nicht dargestellt). Eine Benennung einer Außen- oder Innenseite der Streuscheibe 14 ist für die Erfindung unwesentlich. Der plattenförmige Körper 20 kann auch zumindest in Teilbereichen gekrümmt sein, damit er der äußeren Form der Beleuchtungseinrichtung 10 angepasst ist.
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Die optischen Elemente 22 sind als Abdrücke von zwei zylindersegmentförmigen Abzugskörpern 42 und 44 (Matrizen) hergestellt, von denen in 9 der besseren Übersichtlichkeit wegen jeweils nur einer dargestellt ist. Neben einer hier gezeigten kreisförmigen Querschnittsform der zylindersegmentförmigen optischen Elemente 22 sind auch parabelförmige Formen oder Teilstücke beliebiger ovaler Kurven oder Splinekurven ohne Wendepunkt möglich. Die Form des Querschnitts (Kreis, Parabel, Ellipse, Oval, Polygon, etc.) definiert, wie die Lichtstärke innerhalb der horizontalen Erstreckung der Streuung bei vertikaler Führungskurve verteilt ist bzw. innerhalb der vertikalen Erstreckung bei horizontaler Führungskurve. Dies ist von besonderer Bedeutung, da die gesetzlichen Verteilungen in der Regel ein zentrales Maximum aufweisen und die Lichtstärke zu großen Winkeln hin abfällt. Immer wenn in dem vorliegenden Text von Zylindersegmenten die Rede ist, bedeutet dies keine Beschränkung auf Kreiszylindersegmente, sondern umfasst stets auch beliebig andere Querschnitte, wie bspw. parabel- oder ellipsenförmige oder in sonstiger Weise geformte Querschnitte.
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Alle zylindersegmentförmigen Abzugskörper 42 oder 44 zusammen bilden eine Gruppe von Abzugskörpern mit gleichartigen Merkmalen. Auch mehr als zwei Gruppen von zylindersegmentförmigen Abzugskörpern können auf der Streuscheibe 14 angeordnet sein. Jede Gruppe der zylindersegmentförmigen Abzugskörper 42 und 44 kann dabei identisch ausgeführt sein, sie kann sich aber auch in der äußeren Form, Länge und Breite, sowie in der Querschnittsform der Abzugskörper 42 und 44 unterscheiden. Die Abzugskörper 42 und 44 der beiden Gruppen sind linear ausgebildet und sind innerhalb einer Gruppe entlang gedachter Führungskurven (in 9 nicht dargestellt) parallel zueinander angeordnet. Die Abzugskörper 42 und 44 sind orthogonal zueinander angeordnet. Die zwei Ausführungsformen der Abzugskörper 42 und 44 könnten allerdings auch in einem anderen Winkel zueinander angeordnet sein und/oder könnten auch entlang gekrümmter Führungskurven verlaufen (nicht dargestellt).
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Die optischen Elemente 22 auf der Streuscheibe 14 könnten auch konvex ausgebildet sein, d. h. dass diskrete Zylindersegmente Teil der Streuscheibe 14 sind und erhaben von einer Seite der Streuscheibe 14 abragen (nicht dargestellt). Es ist möglich, dass eine Gruppe der Abzugskörper konvex und die andere konkav ausgebildet ist.
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Die optischen Elemente 22 werden in 9 durch das Profil des Abzugskörpers 42 als Rillen 46 auf einer Seite der Streuscheibe 14 gebildet, das bedeutet, die optischen Elemente 22 sind konkav ausgebildet. Die einzelnen Rillen 46 grenzen direkt aneinander. An den Kanten der Rillen 46 sind Abdrücke 48 von den orthogonal verlaufenden Profilen des Abzugskörpers 44 zu erkennen. Bei den durch die Abzugskörper 42 und 44 erzeugten optischen Elementen 22 handelt es sich also um miteinander verschnittene gekreuzte Zylinder. In einem ersten Schritt werden alle Abzugskörper 42 in die Platte eingeprägt, wodurch man eine im Querschnitt aus Bögen, bspw. aus Kreisbögen, zusammengesetzte Struktur erhält. In einem zweiten Schritt werden alle Abzugskörper 44 in diese Struktur eingeprägt. Wenn die Abzugskörper 44 niedriger sind oder weniger tief eingeprägt werden als die Abzugskörper 42, „beschädigen” sie nur die erhöhten Bereiche (nahe dem Zusammentreffen der Kreisbögen der ersten Struktur), wodurch sich die in den 9 und 13 bis 16 gezeigten optischen Elemente ergeben.
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Zwischen einem durch die Abzugskörper 44 gebildeten Wellental zum nächsten weist die Streuscheibe 14 einen Abstand auf. Das bedeutet, dass die Abzugskörper 44 (im Gegensatz zum Abzugskörper 42) bei der Herstellung der Streuscheibe 14 beabstandet angeordnet sind (vgl. 10). Eine Eindringtiefe der beiden Ausführungsformen der Abzugskörper 42 und 44 ist unterschiedlich. So dringt der Abzugskörper 44 weniger tief in die Streuscheibe 14 ein, wie der Abzugskörper 42. Dies kann entweder durch einen Radius oder der Breite (kurze Erstreckung des Abzugskörpers) des Zylindersegments erreicht werden.
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Um eine gewünschte Lichtverteilung mit der Streuscheibe 14 zu erreichen, wird bspw. die Querschnittsform des als Rille 46 ausgebildeten optischen Elements 22, das bspw. für eine horizontale Streuung vorgesehen ist und entlang einer Horizontalen unterschiedlich hohe Werte der Lichtstärke erreichen muss (vgl. 8), in beispielsweise mehrere Teilstücke bspw. a 5° aufteilt. Jedem Bereich der gewünschten Lichtverteilung wird ein Teilstück in der Rille 46 zugeordnet. Dabei werden vorzugsweise große Streuwinkel am Rand der Rille 46, kleine Streuwinkel in der Mitte der Rille 46 zugeordnet. Dadurch ergibt sich insgesamt eine Form, die dem Querschnitt einer Linse nahe kommt. Dann wird jedes dieser Teilstücke so geneigt, dass er den zugeordneten Bereich der gewünschten Lichtverteilung beleuchtet, also den für die Lichtverteilung benötigten Strahlungswinkel erreicht. Eine Neigungsachse verläuft dabei parallel zu einer Achse der Rille 46. Die den Neigungswinkeln der Lichtverteilung zugeordneten Helligkeiten erreicht man dadurch, dass man die Breite der Bereiche auf der Rille 46 variiert. Ein breiter Bereich erzeugt mehr Licht, ein schmalerer Bereich erzeugt weniger Licht. Anschließend wird analog für die vertikale Lichtverteilung vorgegangen.
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Bei konvex ausgebildeten optischen Elementen 22 gilt ein analoges Verfahren, wobei die Rille 46 durch Zylindersegmente ersetzt wird.
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Die Streuscheibe 14 zeichnet sich besonders dadurch aus, dass die optischen Elemente 22 derart ausgebildet sind, dass sie je nach Anordnung entweder eine Streuung nur in einer horizontalen Ebene oder nur in einer vertikalen Ebene erzeugen. Die 11 und 12 zeigen zur näheren Erläuterung in einer dreidimensionalen Darstellung die entsprechenden räumlichen Lichtkomponenten in einem Koordinatensystem, wobei die Koordinate z die Lichtaustrittsrichtung 11, die Koordinate x bspw. die horizontale Erstreckung und die Koordinate y bspw. die vertikale Erstreckung darstellt. 11 zeigt dabei die Gegebenheiten im Stand der Technik, 12 zeigt die Gegebenheiten zur Streuscheibe 14 der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung 10. Das System in der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung 10 funktioniert deshalb (vgl. 12), weil jeder Lichtstrahl in Lichtaustrittsrichtung 11 (also parallel zu z), der auf die Streuscheibe 14 trifft, dort aufgrund der Brechung dort eine Ablenkung erfährt, die abhängig vom Winkel zwischen dem Lichtstrahl und der Flächennormalen des optischen Elements 22 ist. Nach der Winkeländerung beim Brechen bewegt sich der Lichtstrahl in einer Ebene, die durch den ankommenden Strahl und die Flächennormale definiert ist. Da er entweder an einer Stelle auftrifft, an der die Normale neben der z-Komponente nur eine x-Komponente oder an einer Stelle auftrifft, an der die Normale neben der z-Komponente nur eine y-Komponente aufweist, bedeutet dies, dass der Lichtstrahl sich nach der Brechung entweder in der z-Ebene oder in der yz-Ebene ausbreitet, also nur zwei räumliche Komponenten aufweist.
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Beim Stand der Technik (vgl. 11) wird der Lichtstrahl, bspw. im Fall von sphärischen Linsen, an einer Stelle der optischen Elemente 22 auftreffen, deren Normalen neben der z-Komponente eine x- und eine y-Komponente aufweisen (Nxyz). Die Richtung des Lichtstrahls weist somit nach der Brechung an der Streuscheibe 14 alle drei räumlichen Komponenten auf. Dies bedeutet aber, dass sich insgesamt eine wie in 4 und 5 dargestellte bauchige Lichtverteilung ergibt. Weist die Streuscheibe 14 aus dem Stand der Technik an beiden Seiten der Streuscheibe zylindersegmentförmige optische Elemente 22 auf (vgl. 2), wird der Lichtstrahl zuerst in die eine bspw. x-Richtung und anschließend in die andere, bspw. y-Richtung abgelenkt. Auch hier weist anschließend die Richtung des austretenden Lichtstrahls nach der Brechung an der Streuscheibe 14 alle drei Komponenten (Nxyz) auf.
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Die 13 bis 20 zeigen Ausführungsbeispiele der Streuscheibe 14 aus der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung 10 jeweils in einer Frontalsicht (Draufsicht). Die 13 bis 16 zeigen dabei eine Streuscheibe 14 mit jeweils den gleichen optischen Elementen 22 in vertikaler und horizontaler Richtung. Durch angedeutete Führungskurven 54 ist ersichtlich, dass die beiden Gruppen der optischen Elemente 22 orthogonal zueinander versetzt sind. Der Abstand der optischen Elemente 22 zur Erzeugung der Struktur 48 mit den miteinander verschnittenen, gekreuzten Zylindern wurde von 13 bis 16 schrittweise verringert. In 13 ist der Abstand zwischen den einzelnen optischen Elementen 22 der Struktur 48 noch relativ groß, so dass der Anteil der optischen Elementen 22 der wellenförmigen Struktur 48 auf der Streuscheibe 14 noch relativ klein ist. Die Streuscheibe 14 erzeugt also auch nur einen kleinen Anteil Licht in der entsprechenden Ebene. In 16 dagegen existiert kein Abstand mehr zwischen den einzelnen optischen Elementen 22 der Struktur 48 und die Eindringtiefe der Abzugskörper wurde gegenüber der Streuscheibe 14 von 15 noch weiter erhöht, so dass der Anteil der optischen Elementen 22 der Struktur 48 auf der Streuscheibe 14 sehr hoch ist. Die Streuscheibe 14 von 16 erzeugt also einen sehr großen Anteil Licht in der entsprechenden Ebene.
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Die 17a und 17b zeigen eine ähnliche Anordnung wie in 16 dargestellt ist. Jedoch ist hier der Abstand zwischen den Rillen 46 vergrößert, so dass mittig in der Rille 46 zusätzlich sphärische Linsen 50 in einem gewissen Abstand angeordnet werden können. Aus 17b ist ersichtlich, dass zusätzlich auf einer Gegenseite zur Anordnung der optischen Elemente 22 Prismen 52 angeordnet sind.
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18 zeigt eine Ausführungsform der Streuscheibe 14 ähnlich zu 14. Jedoch sind hier die Abstände zwischen den einzelnen Rillen 46 verkleinert. Die beiden Gruppen von optischen Elementen 22 sind orthogonal zueinander ausgerichtet, was die angedeuteten Führungskurven 54 verdeutlichen.
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19 zeigt eine Ausführungsform der Streuscheibe 14 ähnlich zu 18. Jedoch sind die Gruppen der optischen Elemente 22 hier nicht orthogonal zueinander angeordnet, wie die Führungskurven 54 zeigen. Der Winkel beträgt beispielhaft ca. 65°.
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20 zeigt eine Streuscheibe mit drei Gruppen von optischen Elementen 22. Die Ausrichtung der Gruppen ist mit Hilfe der Führungskurven 54, 54' und 54'' verdeutlicht. Es ist ersichtlich, dass zwei Gruppen von optischen Elementen 22, gemäß der Führungskurven 54' und 54'' orthogonal zueinander angeordnet sind. Eine dritte Gruppe ist gemäß der Führungskurve 54 um ca. 25° zu den beiden zuvor genannten Gruppen verdreht.
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21 zeigt eine weitere Ausführungsform der Streuscheibe 14, die jedoch nicht von der vorliegenden Erfindung umfasst ist. Die Streuscheibe 14 von 21 weist als Torusabschnitte 56 ausgebildete optische Elemente 22 auf, wobei jeweils drei Torusabschnitte 56 parallel eng aneinander angeordnet sind. Dabei sind einerseits die drei Torusabschnitte 56 horizontal ausgerichtet. Andererseits sind angrenzend dazu drei Torusabschnitte vertikal ausgerichtet, so dass sich ein schachbrettartiges Muster auf der Streuscheibe 14 ergibt. Die Torusabschnitte 56 weisen einen so großen Torusradius (ein Torus hat einen kleinen und einen großen Radius) auf, dass ihre Wirkfläche auf der Streuscheibe 14 zylindersegmentartigen Elementen ähnelt. Die optischen Elemente 22 verschneiden sich zu einem schachbrettartigen Muster. Die Breite der Lichtverteilung wird in diesem Fall durch das Verhältnis großer Torusradius/Länge des Torusabschnitts bestimmt.
