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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs. Die Beleuchtungseinrichtung umfasst:
- – einen transparenten Lichtleiter mit einem Einkoppelbereich mit mindestens einer Einkoppelfläche zum Einkoppeln von Licht in den Lichtleiter und einem Auskoppelbereich zum Auskoppeln von Licht aus dem Lichtleiter durch mindestens eine Auskoppelfläche des Auskoppelbereichs hindurch und
- – mindestens eine der mindestens einen Auskoppelfläche zugeordnete Reflexionsfläche zum Reflektieren des über die mindestens eine Auskoppelfläche aus dem Lichtleiter ausgekoppelten Lichts in eine Hauptabstrahlrichtung.
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Eine derartige Beleuchtungseinrichtung ist bspw. aus der
DE 10 2008 016 764 A1 bekannt. Dabei verläuft jedoch die Hauptabstrahlrichtung des von den Reflexionsflächen reflektierten Lichts durch den Lichtleiter hindurch, so dass das reflektierte Licht den Lichtleiter durchstrahlt.
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Dies kann zu Einschränkungen hinsichtlich der Effizienz und des Wirkungsgrads der bekannten Beleuchtungseinrichtung führen, da an den Grenzflächen zwischen Lichtleiter und Luft, d. h. an den Lichteinkoppelfläche und den Lichtauskoppelflächen, fresnelsche Verluste im Bereich von mindestens 10% auftreten können, die vom Auftreffwinkel der Lichtstrahlen auf die Flächen abhängig sind. Ferner stellen die bekannten Beleuchtungseinrichtungen strenge Anforderungen an die Ausgestaltung der Lichtleiter. Insbesondere müssen in den von dem Licht zu durchdringenden Bereichen des Lichtleiters die Lichtleiterflächen parallel zueinander sein, da sonst die Richtung des hindurchtretenden Lichts aufgrund der Brechung an den Flächen verändert wird. Das bedeutet eine starke Einschränkung für mögliche Formen der Lichtleiter der bekannten Beleuchtungseinrichtungen. Schließlich kann abhängig von der Einbausituation der Beleuchtungseinrichtung bzw. des Lichtleiters der Fall eintreten, dass ein Teil des reflektierten und durch den Lichtleiter hindurch tretenden Lichts auf ein Auskoppelelement des Auskoppelbereichs trifft und in unerwünschter und unkontrollierbarer Weise abgelenkt wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Beleuchtungseinrichtung zu vermeiden. Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Beleuchtungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen, bei der die Hauptabstrahlrichtung ausgehend von der mindestens einen Reflexionsfläche weg von dem Lichtleiter gerichtet ist, so dass das an der mindestens einen Reflexionsfläche reflektierte Licht den Lichtleiter nicht durchstrahlt.
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Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass sich die genannten Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Beleuchtungseinrichtung am Besten dadurch vermeiden lassen, dass Auskoppelelemente des Auskoppelbereichs bzw. Auskoppelflächen der Auskoppelelemente und Reflexionsflächen derart relativ zueinander angeordnet und ausgerichtet sind und die Reflexionsflächen derart geformt sind, dass das von den Reflexionsflächen in Hauptabstrahlrichtung reflektierte Licht den Lichtleiter nicht durchstrahlt. Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung hat somit eine höhere Effizienz und einen besseren Wirkungsgrad, da fresnelsche Verluste an den Lichtleiterflächen aufgrund des nicht vorhandenen Durchtritts des an den Reflexionsflächen reflektierten Lichts durch den Lichtleiter weitgehend vermieden werden. Zudem können die Außenflächen des Lichtleiters beliebig zueinander verlaufen, insbesondere auch schräg zueinander, und müssen nicht – wie beim Stand der Technik – parallel zueinander verlaufen. Schließlich wird durch die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung auch eine unerwünschte und unkontrollierbare Ablenkung von an den Reflexionsflächen reflektierten und auf die Auskoppelelemente der Auskoppelbereiche treffenden Lichtstrahlen vermieden.
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Bei der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung können grundsätzlich beliebige Lichtquellen zum Aussenden des Lichts verwendet werden, das über die mindestens eine Einkoppelfläche in den Lichtleiter eingekoppelt wird. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird jedoch vorgeschlagen, dass die Beleuchtungseinrichtung mindestens eine Halbleiterlichtquelle, insbesondere mindestens eine Leuchtdiode (LED), zum Aussenden des in den Lichtleiter einzukoppelnden Lichts aufweist. Halbleiterlichtquellen, insbesondere LEDs, eignen sich besonders gut für den Einsatz in einer Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung, da sie kleinbauend, leicht, robust, energiesparend und langlebig sind. Durch die geringen Abmessungen der Halbleiterlichtquellen können diese sehr gut auch vor relativ klein dimensionierten Einkoppelflächen des Lichtleiters angeordnet werden.
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Der Lichtleiter der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung kann grundsätzlich jede beliebige Form aufweisen. Das gilt insbesondere für die Ausgestaltung der Lichtleiterflächen, da – wie gesagt – das von den Reflexionsflächen reflektierte Licht nicht mehr durch den Lichtleiter hindurchstrahlt und somit die Form des Lichtleiters ohne Rücksicht auf mögliche Brechungen und/oder Ablenkungen von hindurchtretendem Licht gewählt werden kann. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird jedoch vorgeschlagen, dass der Lichtleiter plattenförmig oder stabförmig ausgebildet ist. Ferner kann der Lichtleiter gerade oder gebogen ausgebildet sein. Vorzugsweise ist der Lichtleiter derart gebogen, dass er der Form einer Kraftfahrzeugkarosserie, in welche die Beleuchtungseinrichtung mit dem Lichtleiter eingebaut ist, oder der Form eines Scheinwerfers, insbesondere einer Abdeckscheibe des Scheinwerfers, in den der Lichtleiter eingebaut ist, folgt.
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Der Lichtleiter der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung kann bspw. als ein langgestreckter Stab mit einem runden, ovalen, rechteckigen oder beliebig anderem Querschnitt ausgebildet sein, der sich entlang einer Vorderseite eines Scheinwerfers unmittelbar hinter der Abdeckscheibe des Scheinwerfers quer über die gesamte Breite des Scheinwerfers oder zumindest einen Teil davon erstreckt. Insbesondere ist der Lichtleiter an einer Unterseite oder einer Oberseite des Scheinwerfers angeordnet und verläuft entlang einem unteren bzw. oberen Rand der Abdeckscheibe. Um bei Kraftfahrzeugen mit einem besonders flachen und windschnittigen Frontbereich einer möglichen Pfeilung der Scheinwerfer, insbesondere der Abdeckscheibe eines Scheinwerfers, zu folgen, ist der Lichtleiter bei in das Kraftfahrzeug eingebauter Beleuchtungseinrichtung vorzugsweise an dem zu einer Fahrzeugaußenseite hin gerichteten Ende nach hinten gebogen. Ferner ist es denkbar, dass der Lichtleiter der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung ringförmig ausgebildet ist und bspw. eine Projektionslinse oder einen Reflektor eines Lichtmoduls des Scheinwerfers außen umgibt.
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Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung mit dem Lichtleiter dient zur Realisierung einer beliebigen Beleuchtungsfunktion in einem Front- oder Heckbereich eines Kraftfahrzeugs, aber auch seitlich des Fahrzeugs. Die Beleuchtungsfunktion kann eine Leuchtenfunktion, aber auch eine Scheinwerferfunktion sein. Als Leuchtenfunktion kann durch die Beleuchtungseinrichtung bspw. ein Positionslicht, ein Tagfahrlicht, ein Blinklicht, ein Rücklicht, ein Bremslicht, ein Nebelrücklicht, ein Rückfahrlicht oder ein Sidemarker-Licht realisiert werden. Als Scheinwerferfunktion kann bspw. ein Abblendlicht, ein Stadtlicht, ein Landstraßenlicht, ein Autobahnlicht, ein Fernlicht, ein Nebellicht oder eine beliebig andere adaptive Scheinwerferfunktion realisiert werden.
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Der Einkoppelbereich des Lichtleiters umfasst mindestens eine Einkoppelfläche, die bspw. eine Stirnfläche des Lichtleiters sein kann. Die als Einkoppelfläche dienende Stirnfläche kann entweder eben oder in einer beliebig anderen Form zur Verbesserung der Einkopplung der von der Lichtquelle ausgesandten Lichtstrahlen in den Lichtleiter ausgebildet sein. Denkbar ist bspw. eine zylindersegmentförmige oder kugelsegmentförmige, konkave oder konvexe Wölbung der Einkoppelfläche. Ferner wäre es denkbar, die Einkoppelfläche mit einer optisch wirksamen Struktur zu versehen, bspw. mit der Struktur einer Fresnellinse oder mit einer Mikrostrukturierung.
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Das in den Lichtleiter eingekoppelte Licht wird mittels Totalreflexion an den äußeren Grenzflächen des Lichtleiters entlang der Längsachse des Lichtleiters weiter geleitet. Lichtstrahlen, die dabei auf ein Auskoppelelement des Auskoppelbereichs treffen, werden zumindest teilweise aus dem Lichtleiter ausgekoppelt und verlassen diesen über eine Auskoppelfläche des Auskoppelelements. Dabei ist besonders vorteilhaft, wenn die Auskoppelflächen der Auskoppelelemente im Wesentlichen senkrecht zu der entsprechenden (unmittelbar angrenzenden) Außenfläche des Lichtleiters, d. h. zu den Grenzflächen des Lichtleiters, ausgerichtet ist. Die Auskoppelflächen können eben oder in einer beliebigen anderen Form ausgebildet sein, um das Auskoppeln des Lichts besonders effizient zu gestalten und um ein Auskoppeln des Lichts in eine gewünschte Auskoppelrichtung sicherzustellen. Insbesondere ist es denkbar, dass die Auskoppelfläche zylindersegmentförmig oder kugelsegmentförmig konkav oder konvex gewölbt ausgebildet ist. Ferner ist es denkbar, auf der Auskoppelfläche lichtablenkende Elemente vorzusehen, bspw. eine Fresnelstruktur oder eine Mikrostrukturierung oder andere Strukturen.
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Die Auskoppelelemente der Auskoppelbereiche sind vorzugsweise quaderförmig, würfelförmig, kugelsegmentförmig, zylindersegmentförmig oder sägezahnförmig ausgebildet. Bei einem kugel- oder zylindersegmentförmig ausgestalteten Auskoppelelement ist es offensichtlich, dass die Auskoppelfläche nur in unmittelbarer Nähe zu der Außenseite (Grenzfläche) des Lichtleiters, auf der das Auskoppelelement angeordnet ist, senkrecht zu der Außenseite bzw. der Grenzfläche ausgerichtet sein kann. Mit zunehmendem Abstand von der Außenseite bzw. der Grenzfläche des Lichtleiters wird die Neigung der Auskoppelfläche bzgl. der Flächenerstreckung der Außenseite bzw. der Grenzfläche immer kleiner. Die Ausrichtung einer kugel- oder zylindersegmentförmigen Auskoppelfläche relativ zu der Flächenerstreckung der Außenseite bzw. Grenzefläche des Lichtleiters kann also abhängig vom Abstand zu der Außenseite bzw. Grenzefläche zwischen 90° und 0° variieren.
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Es ist denkbar, dass einer der Reflexionsflächen mehrere Auskoppelelemente bzw. mehrere Auskoppelflächen zugeordnet sind. Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird jedoch vorgeschlagen, dass jeweils mindestens einem der Auskoppelelemente eine der Reflexionsflächen zugeordnet ist. Vorteilhafterweise ist jeweils genau einem der Auskoppelelemente eine separate Reflexionsfläche zugeordnet. Besonders bevorzugt ist jeweils genau einer Auskoppelfläche eines Auskoppelelements eine separate Reflexionsfläche zugeordnet. Die Reflexionsflächen sind Bestandteil eines Reflektorelements. Das Reflektorelement ist als ein von dem Lichtleiter separates Bauteil ausgebildet. Es kann aus Kunststoff oder Metall gefertigt sein, wobei eine Oberfläche des Reflektorelements poliert oder mit einer spiegelnden Beschichtung versehen wird, um die Reflexionsfläche zu bilden. Ferner ist es denkbar, dass mehrere funktional getrennte Reflexionsflächen, die in räumlicher Nähe zueinander angeordnet sind, integraler Bestandteil eines einzigen gemeinsamen Reflektorelements sind. Es ist sogar denkbar, dass alle Reflektorelemente einer Beleuchtungseinrichtung als ein einziges, separat handhabbares Bauteil ausgebildet sind. Dieses Bauteil mit den Reflektorelementen ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass keine Hinterschnitte entstehen, so dass die Ausgestaltung einer Spritzgussform vereinfacht sowie ein Entformen des Bauteils aus einer Spritzgussform erleichtert wird. Durch das Zusammenfassen aller Reflektorelemente in einem einzigen Bauteil kann die Montage der Beleuchtungseinrichtung, insbesondere die Positionierung und Befestigung der Reflexionsflächen relativ zu den Lichtauskoppelflächen der Auskoppelelemente, deutlich vereinfacht und beschleunigt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Auskoppelelemente auf verschiedenen, vorzugsweise auf drei aneinandergrenzenden Außenseiten eines Lichtleiters mit rechteckigem oder quadratischem Querschnitt angeordnet sind. Bei einem Lichtleiter mit dreieckigem Querschnitt könnten Auskoppelelemente auf den beiden Schenkeln des Dreiecks angeordnet sein. Bei einem Lichtleiter mit rundem oder ovalem Querschnitt könnten Auskoppelelemente auf der gewölbten Umfangsfläche an drei Stellen bspw. um 90° oder etwas weniger versetzt zueinander angeordnet sein oder an zwei Stellen in einem beliebigen Winkel zwischen < 180° und 10° zueinander versetzt angeordnet sein. Dementsprechend sind dann auf den verschiedenen Außenseiten des Lichtleiters auch den Auskoppelelementen bzw. den Auskoppelflächen zugeordnete Reflexionsflächen angeordnet. Dabei kann am Beispiel eines stabförmig ausgebildeten Lichtleiters das in diesen eingekoppelte Licht auf drei Seiten ausgekoppelt und von allen Reflexionsflächen in eine gemeinsame Hauptabstrahlrichtung reflektiert werden. Selbstverständlich wäre es auch denkbar, dass die Reflexionsflächen das Licht in unterschiedliche Hauptabstrahlrichtungen reflektieren. Durch die Anordnung von Auskoppelelementen auf mehreren Seiten des Lichtleiters ergibt sich eine besonders effiziente und gegenüber den Abmessungen des Lichtleiters großflächige Abstrahlung des ausgekoppelten Lichts.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die mindestens eine Reflexionsfläche eine Paraboloidform aufweist. Alternativ kann die Reflexionsfläche auch eine von einer Paraboloidform abweichende Form aufweisen. Insbesondere ist es denkbar, dass die Reflexionsfläche gebildet wird, indem ausgehend von einer Grundform, die bspw. ein Paraboloid ist, mehrere diskrete Punkte der Grundform derart variiert werden, dass eine gewünschte resultierende Lichtverteilung der Beleuchtungseinrichtung möglichst gut erzielt wird. Je mehr Punkte der Reflexionsfläche bestimmt werden, desto genauer kann die gewünschte Lichtverteilung erzielt werden. Eine Punkt-für-Punkt berechnete Reflexionsfläche wird als Freiform-Reflexionsfläche bezeichnet. Ein Freiform-Reflektor kann mittels geeigneter Computerprogramme (sog. ray-tracing Programme) berechnet werden. Die mindestens eine Reflexionsfläche kann zumindest bereichsweise mit Facetten versehen sein. Die einzelnen Facetten können durch Knicke, Kanten oder Stufen auf der Reflexionsfläche sichtbar sein oder aber bündig ineinander übergehen, so dass die einzelnen Facetten mit bloßem Auge nicht erkennbar sind. Die Auskoppelfläche der Auskoppelelemente ist vorzugsweise in einem Brennpunkt, im Bereich einer Brennpunktwolke (bei einem Freiformreflektor) oder in einer Brennebene der zugeordneten Reflexionsfläche angeordnet.
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Schließlich wird gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, dass die Beleuchtungseinrichtung ein im Strahlengang des durch die Reflexionselemente reflektierten Lichts angeordnetes optisches Element aufweist. Das optische Element umfasst beispielsweise eine Streuscheibe, die das hindurchtretende Licht in mindestens einer gewünschten Richtung streut. Besonders bevorzugt ist, wenn das optische Element ein Lichtleitelement umfasst, in welches zumindest ein Teil des durch die Reflexionselemente reflektierten Lichts einkoppelt, das eingekoppelte Licht in dem Lichtleitelement mittels Totalreflexion zu einer Auskoppelfläche des Lichtleitelements gelangt und die Auskoppelfläche des optischen Elements mit Streuelementen zum Streuen des durch die Auskoppelfläche hindurchtretenden Lichts in mindestens einer gewünschten Richtung versehen ist. Ein solches Lichtleitelement ist bspw. hohlzylinderförmig ausgebildet und weist vorzugsweise einen kreisringförmigen Querschnitt auf. Dabei bildet eine der ringförmigen Grundflächen den Lichteinkoppelbereich und die gegenüberliegende Grundfläche den Lichtauskoppelbereich.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Dabei kann die vorliegende Erfindung die angegebenen Merkmale und Vorteile entweder einzeln oder in einer beliebigen Kombination miteinander aufweisen. Es zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung gemäß einer erste bevorzugten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht;
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2 die Beleuchtungseinrichtung aus 1 in einer Seitenansicht;
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3 die Beleuchtungseinrichtung aus 1 in einer Draufsicht;
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4 die Beleuchtungseinrichtung aus 1 in einer Frontalansicht;
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5 eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht;
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6 die Beleuchtungseinrichtung aus 5 in einer Seitenansicht;
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7 die Beleuchtungseinrichtung aus 5 in einer Draufsicht;
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8 die Beleuchtungseinrichtung aus 5 in einer Frontalansicht;
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9 eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform;
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10 die Beleuchtungseinrichtung aus 9 in einer Detailansicht;
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11 ein Teil einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform;
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12 die Beleuchtungseinrichtung aus 11 mit Reflexionsflächen;
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13 die Beleuchtungseinrichtung aus 12 mit einem in Hauptabstrahlrichtung der Reflexionsflächen angeordneten hohlzylinderförmigen optischen Element;
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14 die Beleuchtungseinrichtung aus 13 mit beispielhaft eingezeichneten Lichtstrahlverläufen; und
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15 die Beleuchtungseinrichtung aus 14 in einer Detailansicht.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Die Beleuchtungseinrichtung kann in einem eigenen Gehäuse, vorzugsweise aus Kunststoff, angeordnet sein, oder aber in einem Gehäuse eines Kraftfahrzeugscheinwerfers angeordnet sein. Die Beleuchtungseinrichtung 1 kann zur Erzeugung einer beliebigen Leuchtenfunktion, bspw. Positionslicht, Tagfahrlicht oder Blinklicht, oder zur Erzeugung einer beliebigen Scheinwerferfunktion, bspw. Abblendlicht, Stadtlicht, Landstraßenlicht, Autobahnlicht, Fernlicht, Nebellicht oder einer beliebigen anderen dynamischen oder adaptiven Lichtfunktion, ausgebildet sein. Die Beleuchtungseinrichtung 1 kann aber auch in einem Gehäuse einer Fahrzeugheckleuchte angeordnet sein. Dabei könnte die Beleuchtungseinrichtung 1 bspw. ein Rücklicht, ein Bremslicht, ein Rückfahrlicht, ein Nebelschluss, ein Blinklicht oder eine beliebig andere Leuchtenfunktion erzeugen. Falls die Beleuchtungseinrichtung 1 ein separates Gehäuse aufweist, kann sie an einer beliebigen Stelle im Front-, Heck oder Seitenbereich eines Kraftfahrzeugs angeordnet sein. Bei im Seitenbereich des Fahrzeugs angeordneter Beleuchtungseinrichtung 1 kann diese bspw. ein Sidemarker-Licht erzeugen. Es ist sogar denkbar, dass die Beleuchtungseinrichtung 1 zur Erzeugung mehrerer unterschiedlicher Scheinwerfer- oder Leuchtenfunktionen ausgebildet ist (z. B. Positionslicht und Tagfahrlicht; Sidemarker-Licht und Blinklicht; Rücklicht und Bremslicht etc.). Diese können bspw. durch Variation eines Betriebsstroms von Lichtquellen der Beleuchtungseinrichtung 1 erzeugt werden.
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Die Beleuchtungseinrichtung 1 weist in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel einen geraden und platten- bzw. stabförmigen Lichtleiter 2 mit einem rechteckigen Querschnitt auf. Der Lichtleiter 2 ist aus einem transparentem Material, bspw. Glas oder Kunststoff, gefertigt. Außerdem umfasst die Beleuchtungseinrichtung 1 eine als Halbleiterlichtquelle, insbesondere als Leuchtdiode (LED), ausgebildete Lichtquelle 3 auf. Die Lichtquelle 3 könnte auch mehrere LEDs, insbesondere mehrere neben- bzw. übereinander matrixangeordnete LEDs (sog. LED-Array), oder eine LED mit mehreren LED-Chips (sog. multi-chip LED) aufweisen. Ferner könnte die Lichtquelle 3 auch andere Arten von Lichtquellen, bspw. eine Glühlampe, eine Gasentladungslampe oder eine Lichtauskoppelfläche eines weiteren Lichtleiters aufweisen.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine Oberseite des Lichtleiters 2 als ein Auskoppelbereich 4 ausgebildet. Der Auskoppelbereich 4 umfasst mehrere, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel fünf, in einem Abstand zueinander angeordnete Auskoppelelemente 5 auf. Die Auskoppelelemente 5 sind vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der Lichtleiter 2 und in einem Stück mit diesem gefertigt, so dass sie als integraler Bestandteil des Lichtleiters 2 bezeichnet werden können. Die Auskoppelelemente 5 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel würfelförmig ausgebildet. Jedem der Auskoppelelemente 5 ist eine Reflexionsfläche 6 zugeordnet. Die Reflexionsflächen 6 sind in einem festen definierten Bezug zu den Auskoppelelementen 5 in der Beleuchtungseinrichtung 1 angeordnet.
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Eine der Stirnflächen des Lichtleiters 2 ist als ein flächenförmiger Lichteinkoppelbereich, also als eine Lichteintrittsfläche 7, ausgebildet. Zumindest ein Teil des von der LED 3 ausgesandten Lichts wird über die Lichteinkoppelfläche 7 in den Lichtleiter 2 eingekoppelt. Zu diesem Zweck kann die Lichteinkoppelfläche 7 eben oder in beliebiger Weise, bspw. kugelsegmentförmig oder zylindersegmentförmig konkav oder konvex gewölbt sein. Ferner kann die Lichteinkoppelfläche 7 mit beliebigen optisch wirksamen Elementen, bspw. einer Fresnelstruktur oder einer Mikrostruktur, versehen sein, um Einkoppelverluste zu reduzieren. Darüber hinaus ist es denkbar, dass das von der LED 3 ausgesandte Licht zunächst gebündelt wird, bevor es in den Lichtleiter 2 eingekoppelt wird. Zum Bündeln des von der LED 3 ausgesandten Lichts kann bspw. eine Vorsatzoptik (nicht dargestellt) aus einem transparenten Material mit totalreflektierenden Eigenschaften verwendet werden. Zumindest ein Teil des von der LED 3 ausgesandten Lichts wird über eine Lichteinkoppelfläche in die Vorsatzoptik eingekoppelt, zumindest ein Teil des eingekoppelten Lichts wird an äußeren Grenzflächen der Vorsatzoptik totalreflektiert und das eingekoppelte Licht dann über eine Lichtauskoppelfläche der Vorsatzoptik in Richtung der Lichteinkoppelfläche 7 des Lichtleiters 2 ausgesandt. Die Vorsatzoptik bündelt das von der LED 3 ausgesandte Licht mittels Brechung an der Lichteinkoppel- und der Lichtauskoppelfläche sowie mittels Totalreflexion an den äußeren Grenzflächen der Vorsatzoptik.
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Das über die Lichteinkoppelfläche 7 in den Lichtleiter 2 eingekoppelte Licht wird in dem Lichtleiter 2 durch Totalreflexion an den äußeren Grenzflächen des Lichtleiters 2, also an den Wandungen an der Ober- und Unterseite 8 des Lichtleiters 2 sowie an den seitlichen Wandungen 9 des Lichtleiters 2, durch den Lichtleiter 2 hindurchgeleitet. Diejenigen der in dem Lichtleiter 2 mittels Totalreflexion weitergeleiteten Lichtstrahlen, die auf eines der Auskoppelelemente 5 treffen, werden über eine Auskoppelfläche 10 des Auskoppelelements 5 in Richtung der zugeordneten Reflexionsfläche 6 aus dem Lichtleiter 2 ausgekoppelt. Die Auskoppelflächen 10 verlaufen im Wesentlichen senkrecht zu der Flächenerstreckung der Licht leitenden Oberseite 8 (Grenzfläche) des Lichtleiters 2.
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Das über die Auskoppelflächen 10 ausgekoppelte Licht tritt in einem (maximal) 90°-Halbkegel aus den Auskoppelelementen 5 aus, wobei eine ebene Fläche des Lichtkegels parallel auf der lichtleitenden Oberseite 8 des Lichtleiters 2 aufliegt. Die Menge des an einem Auskoppelelement 5 ausgekoppelten Lichts kann durch die Größe des Auskoppelelements 5 sowie durch die Anzahl der Auskoppelelemente 5 pro Längeneinheit vorgegeben werden. Die Richtung des ausgekoppelten Lichtkegels kann durch die Form der Auskoppelelemente 5, insbesondere durch die Ausgestaltung der Auskoppelflächen 10, bestimmt werden. So ist es bspw. denkbar, dass die Auskoppelflächen 10 nicht eben, sondern bspw. kugelsegmentförmig oder zylindersegmentförmig konkav oder konvex gewölbt sind. Ferner ist es denkbar, dass die Auskoppelflächen 10 mit einer optisch wirksamen Struktur, bspw. mit Fresnellinsen-Elementen oder einer Mikrostruktur, versehen sind.
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Jedem Auskoppelelement 5 ist eine eigene Reflexionsfläche 6 zugeordnet. Die Reflexionsflächen 6 sind in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel als Paraboloide ausgebildet. Die als virtuelle Lichtquellen dienenden Auskoppelflächen 10 der Auskoppelelemente 5 liegen jeweils im Brennpunkt des zugeordneten paraboloidförmigen Reflektors 6, wodurch die Reflexionsfläche 6 das auf sie treffende Licht in einer Hauptabstrahlrichtung 12 in etwa parallel zu einer Rotationsachse des Paraboloiden abstrahlt. In dem dargestellten Beispiel verlaufen die Hauptabstrahlrichtungen 12 der einzelnen Reflexionselemente 6 parallel zueinander, so dass eine Hauptabstrahlrichtung 16 der gesamten Beleuchtungseinrichtung 1 parallel zu den einzelnen Hauptabstrahlrichtungen 12 verläuft. Es ist deutlich zu erkennen, dass die in Hauptabstrahlrichtung reflektierten Lichtstrahlen 11 nicht mehr den Lichtleiter 2 durchdringen, sondern weg von diesem gerichtet sind. Durch Variation der Reflektorgeometrie oder durch eine auf die Reflexionsfläche 6 aufgebrachte Facettierung können beliebige, insbesondere auch gesetzlich vorgegebene Lichtverteilungen durch eine Überlagerung der von den einzelnen Reflexionsflächen 6 reflektierten Teil-Lichtbündel erzeugt werden.
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Die 2 bis 4 zeigen weitere Ansichten der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung aus 1. Dabei sind identische Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet.
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In 5 ist ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung 1 gezeigt. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel der 1 bis 4 hat der Lichtleiter 2 keinen rechteckigen, sondern einen quadratischen Querschnitt. Ferner umfasst der Auskoppelbereich 4 des Lichtleiters 2 nicht nur einen Teil der Wandung 8 an der Oberseite des Lichtleiters 2, sondern auch die Wandungen 9 zu beiden Seiten des Lichtleiters 2. Das bedeutet, dass bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der 5 Lichtauskoppelelemente 5 nicht nur auf der Wandung 8 der Oberseite des Lichtleiters 2, sondern auch auf den Wandungen 9 zu beiden Seiten des Lichtleiters 2 angeordnet sind. In 5 sind die auf der zum Betrachter gerichteten Seite 9 des Lichtleiters 2 angeordneten Auskoppelelemente mit dem Bezugszeichen 5' bezeichnet. Die auf der vom Betrachter weg gerichteten Seite 9 des Lichtleiters 2 angeordneten Auskoppelelemente sind mit dem Bezugszeichen 5'' bezeichnet, jedoch in 5 nicht dargestellt, da sie von dem Lichtleitelement 2 verdeckt sind. Die Auskoppelelemente 5'' sind jedoch in den 7 und 8 dargestellt.
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Jedem der Lichtleitelemente 5, 5', 5'' ist eine eigene Reflexionsfläche 6, 6', 6'' zugeordnet. Dabei sind die nebeneinander angeordneten Reflexionsflächen 6, 6', 6'' vorzugsweise zu einem einzigen, gemeinsamen Reflektorelement 13 zusammengefasst. Die Reflexionsflächen 6, 6', 6'' eines Reflektorelements 13 gehen vorzugsweise bündig ineinander über. Zwischen den einzelnen Reflexionsflächen 6, 6', 6'' eines Reflektorelements 13 können aber auch Knicke, Kanten oder Stufen ausgebildet sein. Auch in diesem Ausführungsbeispiel sind die Reflexionsflächen 6, 6', 6'' vorzugsweise als Paraboloide ausgebildet, wobei diese vorzugsweise parallel zueinander verlaufende Rotationsachsen aufweisen. Die von den Reflexionsflächen 6, 6', 6'' reflektierten Lichtstrahlen 11 verlaufen vorzugsweise parallel zueinander in Richtung 12. Die von den verschiedenen Reflektorelementen 13 (jeweils mit Reflexionsflächen 6, 6', 6'') reflektierten Lichtstrahlen 11 verlaufen ebenfalls alle im Wesentlichen parallel zueinander und parallel zur Richtung 12, so dass die Hauptabstrahlrichtung 16 der Beleuchtungseinrichtung 1 ebenfalls parallel zu der Richtung 12 verläuft. Die Reflexionsflächen 6, 6', 6'' der verschiedenen Reflektorelemente 13 haben vorzugsweise die gleichen Brennweiten. Sie können sich aber hinsichtlich ihrer Brennpunkte auch voneinander unterscheiden, insbesondere die Reflexionsflächen 6, 6', 6'' desselben Reflektorelements 13.
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Die 6 bis 8 zeigen das zweite Ausführungsbeispiel der 5 in verschiedenen Ansichten. Identische Bauteile sind auch hier mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Eine weitere (nicht dargestellte) Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann darin bestehen, dass eine gewünschte resultierende Lichtverteilung der Beleuchtungseinrichtung 1 nicht ausschließlich durch die Geometrie oder einer Facettierung der Reflexionsflächen 6 bzw. 6, 6', 6'' erzeugt wird, sondern durch eine im Strahlengang der reflektierten Lichtstrahlen 11 angeordnete Streuscheibe, die eine Streuung des reflektierten Lichts 11 in mindestens eine Richtung, bspw. in horizontaler Richtung, bewirkt.
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In 9 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei ist der Lichtleiter 2 vorzugsweise gebogen ausgebildet. Die Lichtquelle 3, vorzugsweise in Form einer LED, liegt links unten am Lichtleiter 2 gegenüber einer als Lichteinkoppelfläche 7 ausgebildeten Stirnseite des Lichtleiters 2. Das in den Lichtleiter 2 eingekoppelte Licht wird von dem gebogenen Lichtleiter 2 mittels Totalreflexion an den Grenzflächen bzw. Wandungen 8, 9 des Lichtleiters 2 nach rechts oben transportiert. Der Lichtleiter 2 hat über seine Längserstreckung betrachtet, ausgehend von der Einkoppelfläche 7 aus einen zunehmenden Durchmesser, so dass die gewölbten Außenseiten 8 (die Seite, auf der der Auskoppelbereich 4 mit den Auskoppelelementen 5 ausgebildet ist, und die gegenüber liegende Seite) nicht parallel zueinander verlaufen.
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Die Auskoppelelemente 5 sind bei der gezeigten Ausführungsform auf einer gewölbten Außenseite 8 des Lichtleiters 2 angeordnet. Die Auskoppelelemente 5 haben vorzugsweise jeweils die Form eines liegenden Prismas, also einen in einem Längsschnitt durch den Lichtleiter 2 dreieckigen bzw. sägezahnförmigen Querschnitt. Die prismaförmigen Auskoppelelemente 5 sind derart auf der Außenseite 8 des Lichtleiters 2 angeordnet, dass eine Lichtauskoppelfläche 10 im Wesentlichen senkrecht zu einer Flächenerstreckung bzw. einer Tangentialebene der Außenseite 8 angeordnet ist (vgl. 10). „Im Wesentlichen senkrecht” bedeutet, dass die Auskoppelflächen 10 nicht genau senkrecht zu der Flächenerstreckung bzw. der Tangentialebene der Außenseite 8 angeordnet sein müssen, sondern dass Abweichungen von einigen Winkelgrad aus der Senkrechten durchaus möglich sind. Entscheidend ist, dass das ausgekoppelte Licht auf die zugeordnete Reflexionsfläche 6 trifft und von dieser in einer von dem Lichtleiter 2 weg gerichteten Hauptabstrahlrichtung 12 reflektiert wird. Der Vorteil der im Querschnitt dreieckigen bzw. sägezahnförmigen Auskoppelelemente 5 besteht darin, dass sie im Rahmen der Herstellung leichter entformt werden können und aufgrund der gegenüber der Lichtauskoppelfläche 10 vorhandenen schrägen Wand näher unter die angrenzende Reflexionsfläche 6 geschoben werden können. Die Ausgestaltung der Auskoppelelemente 5 mit dreieckigem bzw. sägezahnförmigen Querschnitt erlaubt also eine dichtere Anordnung der einzelnen Auskoppelelement-Reflektor-Einheiten 5, 6 im Auskoppelbereich 4 der gewölbten Außenfläche 8 des Lichtleiters 2.
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Die Reflexionsflächen 6 sind vorzugsweise facettiert ausgebildet. Die einzelnen Reflexionsflächen 6 können unterschiedlich ausgebildet sein. Insbesondere ist es möglich, dass die Reflektorachsen der verschiedenen Reflexionselemente 6 nicht alle parallel zueinander verlaufen. Das bedeutet, dass auch die Hauptabstrahlrichtungen 12 der verschiedenen Reflexionsflächen 6, von denen in 9 einige ausgewählte beispielhaft eingezeichnet sind, nicht alle parallel zueinander verlaufen. In der Summe ergibt sich jedoch durch Überlagerung der durch die einzelnen Reflexionsflächen 6 reflektierten Lichtstrahlen 11 ein resultierendes Gesamtlichtbündel der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung 1, das die Beleuchtungseinrichtung 1 in einer Gesamt-Hauptabstrahlrichtung 16 verlässt.
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In 10 ist ein Ausschnitt der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung 1 aus 9 gezeigt. Dabei kann man deutlich erkennen, dass jeweils zwei Auskoppelelemente 5, 5' nebeneinander angeordnet sind und Licht jeweils auf eine eigene Reflexionsfläche 6, 6' senden. Jeweils die nebeneinander angeordneten Reflexionsflächen 6, 6' sind zu einem gemeinsamen Reflektorelement 13 zusammengefasst.
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Die in den 9 und 10 gezeigte dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist mit ihrem gebogenen Lichtleiter 2 besonders vorteilhaft, da sie einer Pfeilung, wie sie in modernen Scheinwerfern von Fahrzeugen mit flacher, stromlinienförmiger Frontpartie häufig gegeben ist, folgen kann. Ferner erfolgt die Abstrahlung des Lichts in Richtung 12 insbesondere in einem unteren Bereich des Lichtleiters 2 in der Nähe der Lichtquelle 3 in einem Winkel von etwa 90° zu einer Lichtleitrichtung, die von der Lichtquelle 3 links unten entlang dem Lichtleiter 2 nach rechts oben verläuft. Dies wäre mit herkömmlichen, aus dem Stand der Technik bekannten Lichtleitern nicht möglich. Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung 1 aus den 9 und 10 ermöglicht somit Lösungen für all diejenigen Fälle, in denen die LED 3 (inklusive Elektronik, Platine und Kühlkörper) aufgrund mangelnden Bauraums nicht rechts oben an der anderen Stirnseite des Lichtleiters 2 angeordnet werden kann.
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Die
13 bis
15 zeigen eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung
1. Die
11 und
12 zeigen zum Zwecke einer besseren Erläuterung des weiteren Ausführungsbeispiels nur Teile der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung
1. Bei diesem Ausführungsbeispiel verläuft der Lichtleiter
2 kreisringförmig und weist einen im Wesentlichen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt auf. Ferner umfasst der Lichtleiter
2 eine sogenannte Y-Verzweigung
17, wobei an einem Arm der Y-Verzweigung
17 die LED
3 angeordnet ist und Licht in eine als Lichteinkoppelfläche
7 ausgebildete Stirnfläche des Arms abstrahlt. Eine solche Y-Verzweigung
17 des Lichtleiters
2 ist an sich aus der
DE 10 2008 021 290 A1 bekannt. Bezüglich der Ausgestaltung und der Funktionsweise des Lichtleiters
2 mit der Y-Verzweigung
17 gemäß der Ausführungsform der
13 bis
15 wird ausdrücklich auf diese Druckschrift Bezug genommen.
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Das über die Einkoppelfläche 7 am Arm der Y-Verzweigung 17 in den Lichtleiter 2 eingekoppelte Licht wird in dem kreisringförmigen Lichtleiter 2 mittels Totalreflexion transportiert. An einer Oberseite 8 des Lichtleiters 2 ist eine Vielzahl zueinander beabstandeter Auskoppelelemente 5 angeordnet. Die Auskoppelelemente 5 sind vorzugsweise würfelförmig ausgebildet. Zumindest ein Teil des in den Lichtleiter 2 eingekoppelten Lichts wird über die Auskoppelelemente 5 ausgekoppelt und trifft anschließend auf eine dem jeweiligen Auskoppelelement 5 zugeordnete Reflexionsfläche 6 (vgl. 12). In 11 sind die Reflexionsflächen 6 zur besseren Sichtbarmachung der Auskoppelelemente 5 nicht eingezeichnet.
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Wie anhand der 12 gut zu erkennen ist, sind die Reflexionsflächen 6 alle an einem kreisringförmigen Element 19 angeordnet und befestigt, welches als ein Teil in den Lichtleiter 2 eingesetzt werden kann und dann entlang der Innenseite 9 des Lichtleiters 2 verläuft. Die Reflexionsflächen 6 weisen vorzugsweise die Form eines Paraboloids oder eine davon geringfügig abweichende Freiform auf. Die Rotationsachsen der paraboloidförmigen oder paraboloidähnlichen Reflexionsflächen 6 verlaufen vorzugsweise parallel zu einer Rotationsachse 18 des Lichtleiters 2. Die Auskoppelelemente 5 bzw. deren Auskoppelflächen 10 sind jeweils in einem Brennpunkt, einer Brennpunktwolke bzw. einer Brennebene des jeweiligen, ihnen zugeordneten Reflexioinsfläche 6 angeordnet, so dass das Licht nach Verlassen der Reflexionsflächen 6 parallel zur Rotationsachse 18 des Lichtleiters 2 gebündelt ist.
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Oberhalb der Reflexionsflächen 6 und in einem Abstand zu der Oberseite 8 des Lichtleiters 2 ist ein weiteres hohlzylinderförmiges Lichtleitelement 14 angeordnet. Die von den Reflexionsflächen 6 reflektierten vorzugsweise parallelen Lichtstrahlen 11 werden über eine an der Unterseite des Lichtleitelements 14 angeordnete Lichteinkoppelfläche (nicht gezeigt) in das Lichtleitelement 14 eingekoppelt. Das eingekoppelte Licht wird in dem weiteren Lichtleiter 14 mittels Totalreflexion zu einer oberen Kreisringfläche 15 geleitet, die als Lichtauskoppelfläche dient. Die Lichtauskoppelfläche 15 des weiteren Lichtleitelements 14 ist mit Streuelementen in Form von Zylinderlinsen versehen, so dass das in das Lichtleitelement 14 eingekoppelte Licht beim Übergang von dem Lichtleitermaterial in die Umgebungsluft gebrochen wird. Auf diese Weise kann das aus dem Lichtleitelement 14 ausgekoppelte Licht zur Erzeugung einer vorgegebenen Lichtverteilung der Beleuchtungseinrichtung 1 gezielt umgeformt werden.
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In 14 ist eine Gesamtansicht des vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung mit beispielhaft eingezeichneten Strahlverläufen dargestellt. 15 zeigt einen Ausschnitt des vierten Ausführungsbeispiels aus 14 im Detail mit beispielhaft eingezeichneten Strahlverläufen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008016764 A1 [0002]
- DE 102008021290 A1 [0050]
