DE102011011462A1

DE102011011462A1 - Lichtleitelement mit Auskoppelstellen

Info

Publication number: DE102011011462A1
Application number: DE102011011462A
Authority: DE
Inventors: Jörg Dr. rer. nat. 89233 Moisel
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-02-17
Filing date: 2011-02-17
Publication date: 2011-08-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lichtleitelement (1) mit Auskoppelstellen (AS1 bis ASn), wobei mehrere Auskoppelstellen (AS1 bis ASn) in einer Querschnittsebene (QE) nebeneinander und entlang einer Längsschnittebene (LE) hintereinander in einer Zylindermantelfläche (A) des Lichtleitelementes (1) angeordnet sind, wobei ein Längsabstand (s2) der Auskoppelstellen (AS1 bis ASn) mit einem zunehmenden Radialabstand von einer Hauptabstrahlrichtung des Lichtleitelementes (1) zunimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lichtleitelement mit Auskoppelstellen.
Lichtleitelemente für Beleuchtungsanwendungen sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt.
Aus der EP 0 594 089 B1 ist eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer Lichtleitfaser zum Übertragen von Licht in eine vorgewählte Richtung bekannt, wobei die Beleuchtungsvorrichtung einen lichtemittierenden Bereich aufweist. Dabei weist die Lichtleitfaser in dem lichtemittierenden Bereich mehrere sich in die Faser erstreckende Reflexionsflächen auf, wobei die Reflexionsflächen eine derartige optische Qualität aufweisen, dass weniger als 20% des auf eine Reflexionsfläche auftreffenden Lichts durch die Reflexionsfläche diffus gestreut wird. Die Reflexionsflächen sind so angeordnet, dass ein Teil des entlang der Faser übertragenen und auf die Flächen auftreffenden Lichts durch innere Totalreflexion an den Flächen reflektiert wird und durch eine Seitenwand aus der Faser austritt. Die Reflexionsflächen unterscheiden sich dadurch, dass der Abstand bzw. die Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Reflexionsflächen mit zunehmender Entfernung in die vorgewählte Richtung entlang der Faser abnehmen. Weiterhin weist mindestens eine der Reflexionsflächen eine kleinere Querschnittsfläche auf als die Lichtleitfaser, so dass durch die Seitenwände der Fasern austretendes Licht im Wesentlichen gleichmäßig über den lichtemittierenden Bereich emittiert wird.
Weiterhin ist aus der DE 100 22 779 A1 ein stabförmiger Lichtleiter für eine Beleuchtungseinrichtung für Kraftfahrzeuge mit mindestens einer Stirnfläche als Lichteinkoppelfläche und einer in Richtung einer Längsachse angeordneten, quer zur Längsachse abstrahlenden Lichtaustrittsfläche bekannt. Weiterhin weist der Lichtleiter eine der Lichtaustrittsfläche gegenüberliegenden reflektierende Fläche mit lichtablenkenden Mitteln auf, wobei zwischen der Lichtaustrittsfläche und der reflektierenden Fläche mindestens eine erste defokussierende Seitenfläche angeordnet ist. Zwischen der Lichtaustrittsfläche und der reflektierenden Fläche der ersten defokussierenden Seitenfläche gegenüberliegend ist eine zweite defokussierende Seitenfläche angeordnet.
Ferner ist aus der DE 41 29 094 A1 ein langgestrecktes zylinderförmiges Lichtleitelement für eine Signalleuchte eines Kraftfahrzeugs bekannt, wobei mindestens eine Stirnfläche des Lichtleitelements als eine Lichteinkoppelfläche für das Licht einer Leuchtdiode ausgebildet ist und eine einer Lichtaustrittsfläche abgewandte Seite jedes Lichtleitelements als Prismen ausgebildete lichtablenkende Mittel aufweist. Zur Erzeugung des Lichts sind Leuchtdioden vorgesehen, wobei eine Lichtaustrittsfläche jeder Leuchtdiode in das Lichtleitelement hineinragt und eine Form der Lichteinkoppelfläche des Lichtleitelements der Form der Lichtaustrittsfläche und einer Lichtabstrahlcharakteristik der Leuchtdioden angepasst ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Lichtleitelement anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Lichtleiteelement gelöst, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Lichtleitelement, insbesondere zur Übertragung von Lichtstrahlen, weist Auskoppelstellen auf.
Die Auskoppelstellen bilden eine reflektierende Fläche des Lichtleitelementes und sind dabei in eine Zylindermantelfläche des Lichtleitelementes beispielsweise als Materialaussparungen eingebracht. An einer Stirnfläche des Lichtleitelementes werden die Lichtstrahlen mittels einer oder mehrerer Lichtquellen in das Lichtleitelement eingekoppelt. Da eine Lichtquelle je nach ihrem Öffnungswinkel eine Divergenz, d. h. eine Streuung der emittierten Lichtstrahlen aufweist, treffen die Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Einfallswinkeln auf die Auskoppelstellen, welche die auf sie eintreffenden Lichtstrahlen reflektieren und in Richtung einer Lichtaustrittsfläche ablenken, die den Auskoppelstellen gegenüberliegend im Lichtleitelement angeordnet ist. Die Lichtstrahlen treten aus der Lichtaustrittsfläche in Abhängigkeit des jeweiligen Einfallwinkels auf die Lichtaustrittsfläche mit einem Abstrahlwinkel aus der Lichtaustrittsfläche aus. Die ausgekoppelten Lichtstrahlen bilden dabei einen bestimmten Divergenzwinkel, der insbesondere eine Lichtstärkeverteilung der ausgekoppelten Lichtstrahlen beeinflusst. Vor allem bei Anwendungen für Signalleuchten in einem Fahrzeug ist die Lichtstärkeverteilung gesetzlich vorgeschrieben.
Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass mehrere Auskoppelstellen in einer Querschnittsebene nebeneinander und entlang einer Längsschnittebene hintereinander in einer Zylindermantelfläche des Lichtleitelementes angeordnet sind, wobei ein Längsabstand der Auskoppelstellen mit einem zunehmenden Radialabstand von einer Hauptabstrahlrichtung des Lichtleitelementes zunimmt.
Eine Querschnittsebene des Lichtleitelementes wird dabei längs zum Lichtleitelement aufgespannt verläuft parallel zu einer Querachse des Lichtleitelementes, wobei die Querschnittsebene einen Querschnitt des Lichtleitelementes bildet, welcher eine Krümmung aufweist. Eine Längsschnittebene wird einem Winkel von 90 Grad zur Querschnittsebene aufgespannt verläuft parallel zu einer Längsachse des Lichtleitelementes, wobei die Längsschnittebene einen Längsschnitt des Lichtleitelementes bildet, welcher gerade Kanten aufweist. D. h. das Lichtleitelement weist Eigenschaften einer Zylinderlinse auf, die zwei Ebenen mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften umfasst.
Zwischen den in einer Querschnittsebene nebeneinander angeordneten Auskoppelstellen ist ein Querabstand ausgebildet, der sich von dem ersten bis zum letzten der nebeneinander angeordneten Auskoppelstellen erstreckt. Der Querabstand bestimmt dabei maßgeblich den Divergenzwinkel der ausgekoppelten Lichtstrahlen. Wie bereits beschrieben, ist die Lichtstärke eine winkelabhängige Größe. Beispielsweise beträgt die Lichtstärke 100%, für den kleinstmöglichen Divergenzwinkel. Beispielsweise lenken die Auskoppelstellen im Lichtleitelement die Lichtstrahlen derart ab, dass sie mit dem Abstrahlwinkel Null aus dem Lichtleitelement austreten, die in der Mitte des Querabstands in einer Querschnittsebene des Lichtleitelementes angeordnet sind. Damit wird auch die Hauptabstrahlrichtung definiert, die sich entlang der Längsschnittebene erstreckt, in der die Auskoppelstellen hintereinander in einem Längsabstand angeordnet sind, die die Lichtstrahlen mit dem Abstrahlwinkel Null auskoppeln.
Der Längsabstand ist dabei als der Abstand zwischen den einzelnen, hintereinander angeordneten Auskoppelstellen definiert. Durch die Zunahme des Längsabstandes der Auskoppelstellen mit zunehmendem Radialabstand von der Hauptabstrahlrichtung nimmt auch die Lichtstärke ab.
Damit ist es in besonders vorteilhafter Weise möglich, über den Querabstand und den Längsabstand die Lichtstärkeverteilung je nach gewünschter Anwendung zu modellieren, was insbesondere bei Beleuchtungsmitteln auf Basis von Lichtleitern, wie beispielsweise Blinker, Tagfahrleuchte für ein Fahrzeug, von Vorteil ist, bei denen die Lichtstärkeverteilung gesetzlich vorgeschrieben ist. Daher ist es in besonders vorteilhafter Weise möglich, verschiedene Lichtbilder und neue Designmöglichkeiten zu erzeugen.
Weiterhin ermöglicht das Lichtleitelement vor allem eine Erhöhung der Effizienz, insbesondere eine Vermeidung von Streuverlusten der Beleuchtungsmittel. Daraus folgend ist eine geringe Menge an Lichtquellen und/oder eine geringe Lichtleistung der Lichtquellen erforderlich, um die gewünschte Lichtstärkeverteilung zu erzeugen. Somit ist die gewünschte Lichtstärkeverteilung besonders effizient und daher kostengünstig realisierbar.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1A schematisch ein Lichtleitelement in einer perspektivischen, halbtransparenten Ansicht,
1B schematisch eine Seitenansicht des Lichtleitelementes gemäß 1A und einen Verlauf eines in das Lichtleitelement eingekoppelten Lichtstrahls,
1C schematisch eine Seitenansicht des Lichtleitelementes gemäß 1A mit einer Auskoppelstelle in einer ersten Ausführungsform und einen Verlauf eines in das Lichtleitelement eingekoppelten Lichtstrahls bei einer Anordnung der Auskoppelstelle,
2A schematisch einen Querschnitt des Lichtleitelements gemäß 1A mit einer Auskoppelstelle in einer zweiten Ausführungsform,
2B schematisch den Querschnitt des Lichtleitelementes mit der Auskoppelstelle gemäß 2A und einen Verlauf der ausgekoppelten Lichtstrahlen,
3A schematisch das Lichtleitelement gemäß 1A mit einer transparent dargestellten vertikalen Ebene,
3B schematisch das Lichtleitelement gemäß 1A mit einer transparent dargestellten horizontalen Ebene,
4A schematisch das Lichtleitelement gemäß 1A in einer perspektivischen, halbtransparenten Ansicht, mit einer Auskoppelstelle in einer dritten Ausführungsform,
4B schematisch das Lichtleitelement mit der Auskoppelstelle gemäß 4A und den Verlauf des eingekoppelten und ausgekoppelten Lichtstrahlen in Seitenansicht,
4C einen Querschnitt des Lichtleitelementes mit der Auskoppelstelle gemäß 4A und den Verlauf der ausgekoppelten Lichtstrahlen,
4D schematisch das Lichtleitelement gemäß 4A und einen Verlauf des ausgekoppelten Lichts sowie ein von den ausgekoppelten Lichtstrahlen erzeugtes Lichtbild,
5A schematisch eine Konstruktion eines Querschnitts für ein erfindungsgemäßes Lichtleitelement,
5B schematisch den Querschnitt eines erfindungsgemäßen Lichtleitelements und einen Verlauf der ausgekoppelten Lichtstrahlen bei der Anordnung von fünf Auskoppelstellen gemäß der dritten Ausführungsform im Lichtleitelement,
5C schematisch eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Lichtleitelements mit einer Vielzahl von Auskoppelstellen gemäß der dritten Ausführungsform,
6A schematisch das erfindungsgemäße Lichtleitelement mit einer Auskoppelstelle gemäß der dritten Ausführungsform und einen Verlauf der eingekoppelten und ausgekoppelten Lichtstrahlen,
6B schematisch eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Lichtleitelementes mit drei sich in ihrem Prismenwinkel unterscheidenden Auskoppelstellen gemäß der dritten Ausführungsform, und
7 schematisch eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Lichtleitelementes mit einer Auskoppelstelle gemäß der dritten Ausführungsform und einen Verlauf beidseitig in das Lichtleitelement eingekoppelter Lichtstrahlen und den Verlauf der ausgekoppelten Lichtstrahlen.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1A zeigt schematisch ein Lichtleitelement 1 in einer perspektivischen, halbtransparenten Ansicht.
Das Lichtleitelement 1 ist insbesondere zum Betrieb einer Beleuchtungsvorrichtung eines Fahrzeugs, vorzugsweise eines Fahrtrichtungsanzeigers und/oder einer Tagfahrleuchte vorgesehen.
Das Lichtleitelement 1 ist stabförmig mit einem Durchmesser D ausgebildet. Dabei besteht das Lichtleitelement 1 aus einem Kern K mit einer optischen Brechzahl n1, der von Luft umgeben ist. Der Kern K dient zum Übertragen eines oder mehrerer Lichtstrahlen L, wie es in 1B gezeigt ist.
Der Lichtstrahl L wird von einer Stirnfläche SF des Lichtleitelements 1 mittels einer oder mehrerer nicht näher dargestellter Lichtquellen in den Kern K des Lichtleitelementes 1 eingekoppelt. Da die optische Brechzahl der umgebenden Luft niedriger ist als die optische Brechzahl n1 des Kerns K, wird der Lichtstrahl L durch Totalreflexion an der Grenzschicht von Kern K zu Zylindermantelfläche A entlang einer Längsachse LA des Lichtleitelementes 1 übertragen.
Ein Einfallswinkel α des Lichtstrahls L der als der Winkel zwischen dem auf die Zylindermantelfläche A auftreffenden Lichtstrahls L muss größer als ein Grenzwinkel θ_c sein, damit der Lichtstrahl L vollständig reflektiert wird. Der Grenzwinkel θ_c lässt sich mithilfe des snelliusschen Brechungsgesetzes folgendermaßen berechnen: θ = arcsin( n2 / n1)
Zur Ablenkung des im Lichtleitelement 1 durch Totalreflexion eingeschlossenen Lichtstrahls L ist eine Auskoppelstelle AS in die Zylindermantelfläche A eingebracht. Die Auskoppelstelle AS ist dabei insbesondere als ein in 4A näher dargestelltes Reflexionsprisma ausgebildet.
Die als Reflexionsprisma ausgebildete Auskoppelstelle AS ist als Materialaussparung in der Zylindermantelfläche A des Lichtleitelements 1 ausgebildet und wird vorzugsweise in einem Gussverfahren zur Herstellung des Lichtleitelements 1 mittels eines in einer Gussform angeordneten Formelements erzeugt oder nachträglich mittels Heißprägen in das Lichtleitelement 1 eingebracht.
Die Auskoppelstelle AS lenkt den Lichtstrahl L derart um, dass der Einfallswinkel α kleiner als der Grenzwinkel θ_c ist, womit der Lichtstrahl L aus dem Lichtleitelement 1 mit einem Abstrahlwinkel β austritt.
Die Fläche, an dem der Lichtstrahl L austritt, wird als Lichtaustrittsfläche L1 bezeichnet.
Insbesondere für Signalleuchten wie Tagfahrleuchten, Blinkleuchten und Fernlicht sind kleine Abstrahlwinkel β erwünscht. Beispielsweise sollte der Abstrahlwinkel β bei Fernlicht maximal 5 Grad in horizontaler Richtung und 5 Grad in vertikaler Richtung betragen. Zusätzlich ist ein Lichtstärkeverlauf für alle Funktionen von Signalleuchten und Scheinwerfern gesetzlich vorgeschrieben.
Der Abstrahlwinkel β wird dabei wesentlich von der Auskoppelstelle AS und deren Ausführungsform beeinflusst.
2A zeigt schematisch einen Querschnitt des Lichtleitelements 1 mit einer Auskoppelstelle AS gemäß einer Ausführungsform aus der EP 0 594 089 B1 mit einer Eindringtiefe t und einer Basisfläche, wobei sich die Basisfläche entlang einer Querschnittsebene QE des Lichtleitelementes 1 erstreckt.
Die Breite der Basisfläche der Auskoppelstelle AS, d. h. die Ausdehnung der Basisfläche der Auskoppelstelle AS entlang der Querschnittsebene QE des Lichtleitelementes 1, die in 3A näher dargestellt ist, führt geometrisch bedingt zu einem großen Divergenzwinkel γ der Lichtstrahlen L im Lichtleitelement 1, wie es beispielhaft in 2B dargestellt ist.
Der Divergenzwinkel γ ist dabei ein Maß für die Divergenz der Lichtstrahlen L, wobei die Divergenz angibt, wie stark die Lichtstrahlen L gestreut werden.
Ferner wird der Divergenzwinkel γ durch eine Divergenz der Lichtquelle und einer Linsenwirkung der Zylindermantelfläche A zusätzlich beeinflusst.
Dabei ist ein erstes Ziel, für die bereits genannten Anwendungen des Lichtleitelements 1 den Divergenzwinkel γ der ausgekoppelten Lichtstrahlen L so klein wie möglich zu halten, damit die aus dem Lichtleitelement 1 ausgekoppelten Lichtstrahlen L möglichst genau in die gesetzlich vorgeschriebenen Bereichen leuchten, d. h. die Lichtstrahlen L sollen mit einer möglichst hohen Effizienz leuchten.
Ein zweites Ziel ist es, Lichtstärkeverteilungen ϕ1, ϕ2 der aus dem Lichtleitelement 1 austretenden Lichtstrahlen L sowohl in einer Querschnittsebene QE als auch in einer Längsschnittebene LE so zu gestalten, dass einerseits die gesetzlichen Bestimmungen erfüllt werden und andererseits möglichst wenig Verluste entstehen.
Dabei ist es wichtig, dass das Lichtleitelement 1 die Eigenschaften einer Zylinderlinse aufweist. D. h. das Lichtleitelement 1 weist zwei Ebenen QE, LE auf, die grundsätzlich unterschiedliche optische Eigenschaften aufweisen.
Dabei zeigt die 3A eine Querschnittsebene QE, welche senkrecht zum Lichtleitelement 1 aufgespannt wird und parallel zu einer Querachse QA des Lichtleitelementes 1 verläuft. Die Querschnittsebene QE bildet einen weitgehend kreisrunden Querschnitt des Lichtleitelementes 1.
3B zeigt eine Längsschnittebene LE, welche in einem Winkel von 90 Grad zur Querschnittsebene QE aufgespannt wird und parallel zu einer Längsachse LA des Lichtleitelements 1 verläuft. Die Längsschnittebene LE bildet einen Längsschnitt mit geraden Kanten.
4A zeigt ein Lichtleitelement 1 in einer perspektivischen, halbtransparenten Ansicht. Zur Ablenkung der im Lichtleitelement 1 durch Totalreflexion eingeschlossenen Lichtstrahlen L ist als Auskoppelstelle AS ein Reflexionsprisma mit einem Firstwinkel χ vorgesehen. Das Reflexionsprisma verläuft dabei nicht über die gesamte Breite des Lichtleitelements 1, was in 4C gut zu erkennen ist.
Die Basisbreite der Auskoppelstelle AS, welche sich über den Querschnitt des Lichtleitelementes 1 erstreckt, ist dabei so klein, wie es eine verwendete Produktionstechnik erlaubt.
Die Basisbreite ist vorzugsweise kleiner als eine Firsthöhe h der als Reflexionsprisma ausgebildeten Auskoppelstelle AS, so dass der in der 2B gezeigte Divergenzwinkel γ so klein wie möglich gehalten wird.
Die Divergenzwinkel ϕ1, ϕ2 der Lichtstrahlen L werden in den 4B und 4C gezeigt.
Dabei zeigt die 4B eine Seitenansicht des Lichtleitelementes 1, wobei drei Lichtstrahlen L mit jeweils einem unterschiedlichen Abstrahlwinkel β aus dem Lichtleitelement 1 austreten. Der Divergenzwinkel ϕ1 gibt hier die maximale Breite der räumlichen Verteilung der Lichtstärke in der Längsschnittebene LA an.
4C zeigt einen Querschnitt des Lichtleitelementes 1 gemäß 4A, wobei drei weitere Lichtstrahlen L mit jeweils einem unterschiedlichen Austrittswinkel β aus dem Lichtleitelement 1 austreten. Dabei treffen die Lichtstrahlen L im Gegensatz zu den Lichtstrahlen L in 4B auf eine gekrümmte Oberfläche, wodurch der Winkel der Lichtstärkeverteilung ϕ2 kleiner ist als der Winkel der Lichtverteilung ϕ1, was durch die kleineren Abstrahlwinkel β bedingt ist. Der Divergenzwinkel ϕ2 gibt hier die maximale Breite der räumlichen Verteilung der Lichtstärke in der Querschnittsebene LA an.
Ein durch Lichtstrahlen L erzeugtes, beispielhaftes Lichtbild in einer Umgebung des Lichtleitelementes 2 ist in 4D dargestellt. Zu erkennen ist, dass die Lichtstärke eine winkelabhängige Größe ist. Die Lichtstärke ist im Zentrum des Lichtbildes, also in einer Hauptabstrahlrichtung des Lichtleitelementes 1, am höchsten und nimmt mit zunehmendem, radialem Abstand vom Zentrum ab.
Um die Lichtstärkeverteilung L(ϕ2) in der Querschnittsebene QE bestimmen zu können, ist eine Anordnung von mehreren Auskoppelstellen AS1 bis ASn vorgesehen, wie es in den 5B und 5C dargestellt ist.
Die 5A und 5B zeigen das Lichtleitelement 1 mit einem Querschnitt eines „Ideal-Eies” sowie einen Verlauf der ausgekoppelten Lichtstrahlen L.
Die Form des Querschnitts des Lichtleiterelementes 1 weist eine Ellipse E1 auf. Insbesondere eine Hüllkurve HK1 einer ersten Halbellipse E1.1 der Ellipse E1 weist eine derartige Form auf. Die Ellipse E1 setzt sich dabei aus der ersten Halbellipse E1.1 und einer zweiten Halbellipse E1.2 zusammen, wobei die beiden Halbellipsen E1.1 spiegelsymmetrisch zu einer Nebenachse N1 ausgebildet sind.
Eine Form der Hüllkurve HK1 der Halbellipse E1.1 wird beschrieben durch folgende Gleichung:
mit den normierten Koordinaten:

x: = Breite,
y: = Höhe und
K: = Kegelschnittkonstante.

Bei dem Lichtleitelement 1 verläuft der Lichtstrahl L vollständig in diesem, d. h. in einem optischen Medium mit nur einer Grenzfläche. Daraus folgt, dass sich die Kegelschnittkonstante K gemäß
aus einem Brechungsindex n ergibt.
Die große Halbachse gHA1 und die kleine Halbachse kHA1 ergeben sich gemäß (K + 1)·x² = 1 [3] und
Das Lichtleitelement 1 ist aus Polymethylmethacrylat (kurz: PMMA), auch bekannt als Acrylglas oder Plexiglas, gebildet. Polymethylmethacrylat weist einen Brechungsindex n von 1,49 auf. Bei einem derartigen Brechungsindex n ergibt sich für die große Halbachse gHA1 gHA1 = y_max = 1,82 [5] und für die kleine Halbachse kHA1 kHA1 = x_max = 1,349. [5]
Eine Brennweite f der Hüllkurve HK1 der Halbellipse E1.1 ergibt sich aus f = n / n–1 [6] mit normierten Koordinaten für n = 1,49 bei Polymethylmethacrylat zu f = 3,041. [7]
Hierbei wurde mit dimensionslosen Größen gerechnet, da es nur auf die Verhältnisse der Zahlenwerte zueinander ankommt. Die durch Extrusion der aus der Hüllkurve HK1 gebildeten Linsenoberfläche bildet eine im Abstand der Brennweite f von f = 3,041 befindliche Brennlinie ohne sphärische Aberration ab. Die Hüllkurve HK1 wird zu einer geschlossenen Linie ergänzt durch eine zweite Hüllkurve HK2.
Die zweite Hüllkurve HK2 ergibt sich besonders vorteilhaft durch eine zweite Halbellipse E2.1, deren große Halbachse gHA2 der kleinen Halbachse kHA1 der ersten Halbellipse E1.1 entspricht. Das heißt, die kleine Nebenachse N1 der ersten Halbellipse E1.1 ist genauso groß wie eine große Halbachse H2 der zweiten Halbellipse E2.1, so dass die kleine Nebenachse N1 und die große Halbachse H2 identisch sind.
Die kleine Halbachse kHA2 der zweiten Halbellipse E2.1 ergibt sich aus der Forderung, dass die Brennlinie den oben berechneten Abstand der Brennweite f von f = 3,041 zur Linsenfläche hat: kHA2 = f – y_max = 3,041 – 1,820 = 1,221. [8]
Daraus folgend ist ein Verhältnis der großen Halbachse gHA1 der ersten Halbellipse E1.1 zu der kleinen Halbachse kHA1 der ersten Halbellipse E1.1 zu der kleinen Halbachse kHA2 der zweiten Halbellipse E2.1 1,818 zu 1,349 zu 1,221.
Die äußere Form des sich ergebenden Querschnitts des Lichtleitelements 1 ergibt somit kein symmetrisches Oval. Vielmehr bildet die Hüllkurve HK2 der zweiten Halbellipse E2.1 eine stumpfe flache Seite, die Hüllkurve HK1 der ersten Halbellipse E1.1 hingegen eine spitze Seite, so dass sich ein „eiförmiger” Querschnitt ausbildet.
Mit dem gleichen Verfahren lassen sich auch Querschnitte für andere geeignete Materialien mit anderen Brechungsindizes berechnen. Insbesondere ergeben sich für Polycarbonat (PC) folgende Werte (Werte für PMMA zu leichteren Zuordnung mit angegeben):

Material Brechzahl Brennweite kHA1 gHA1 kHA2

PMMA 1,490 3,041 1,349 1,820 1,221

PC 1,586 2,706 1,288 1,660 1,046
In einem stumpfen Ende des „Ideal-Eies” sind die Auskoppelstellen AS1 bis AS5 in einer Querschnittsebene QE des Lichtleitelementes nebeneinander angeordnet. Ein Querabstand s1 zwischen Auskoppelstellen AS1 bis AS5 ergibt dabei bei einer gegebener Brennweite f einen Divergenzwinkel γ der aus dem Lichtleitelement 1 austretenden Lichtstrahlen L. Beispielsweise ergibt sich bei einem Querabstand s1 von s = 0,96 und einer Brennweite f von f = 2,706 ein Divergenzwinkel γ von γ = 20°. Der Lichtstrahl L der Auskoppelstelle AS3, welcher mit einem Abstrahlwinkel β von β = 0 Grad aus dem Lichtleitelement 1 austritt, definiert die Hauptabstrahlrichtung, wobei sich die Hauptabstrahlrichtung entlang einer Längsschnittebene LE erstreckt, wie es in 5B zu erkennen ist.
In 5C ist das Lichtleitelement 1 in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. In die Zylindermantelfläche A des Lichtleitelements 1 ist eine Vielzahl von Auskoppelstellen AS1 bis ASn eingebracht, wobei die Auskoppelstellen AS1 bis ASn gemäß der in 5A dargestellten Anordnung eingebracht sind.
Vorzugsweise nimmt ein Längsabstand s2 der Auskoppelstellen AS1 bis ASn mit einem zunehmenden Radialabstand von der Hauptabstrahlrichtung, welche sich entlang der Längsschnittebene LE erstreckt, zu. Dadurch wird in die entsprechende Abstrahlrichtung weniger Licht abgestrahlt. Mit diesem einfachen Ansatz kann die Lichtstärkeverteilung L(θ) über die Zahl der AS pro Längeneinheit genau maßgeschneidert werden
Die Lichtstrahlen L werden an der Stirnfläche SF so eingekoppelt, dass sich divergente Strahlenbündel innerhalb des Lichtleitelements 1 bilden und somit jede der Auskoppelstellen AS1 bis ASn mit Lichtstrahlen L beaufschlagt werden. Damit wird eine Schattenbildung in Richtung der Lichtausdehnung hinter den Auskoppelstellen AS1 bis ASn vermieden.
Zwischen den in einer längs zum Lichtleitelement 1 verlaufenden Achse mit der Auskoppelstelle AS1 und zwischen den in einer längs zum Lichtleitelement 1 verlaufenden Achse mit der Auskoppelstelle AS5 liegenden weiteren Auskoppelstellen ist der Querabstand s1 ausgebildet, so dass der Divergenzwinkel γ der aus dem Lichtleitelement 1 austretenden Lichtstrahlen L realisiert wird.
Daraus ist zu erkennen, dass der Divergenzwinkel γ genau durch den Querabstand s1 der Auskoppelstellen AS1 bis AS5 zueinander definierbar ist.
Die winkelabhängige Lichtstärke in dieser Querschnittsebene QE ergibt sich vorzugsweise durch die Dichte der in dieser Ebene angeordneten Auskoppelstellten AS1 bis AS5, d. h. Zahl pro Längeneinheit. Beispielsweise beträgt die Lichtstärke bei einem Divergenzwinkel γ von γ = 0 Grad 100%, bei einem Divergenzwinkel γ von γ = 10 Grad 70% und bei einem Divergenzwinkel γ von γ = 20 Grad ca. 20%.
Dies trifft insbesondere dann zu, wenn ein Messabstand deutlich größer als die Länge des Lichtleitelementes 1 ist (Fernfeld). Da der Messabstand größer als 10 Meter ist, ist diese Erforderung damit erfüllt.
Mittels der oben beschriebenen Anordnung der Auskoppelstellen AS1 bis ASn ist es besonders bevorzugt möglich, die Lichtstärkeverteilung ϕ2 der ausgekoppelten Lichtstrahlen L insbesondere in der Querschnittsebene QE des Lichtleitelementes 1 zu bestimmen.
Alternativ dazu können auch aufeinanderfolgende Auskoppelstellen AS1 bis ASn leicht zueinander versetzt sein.
6A zeigt das Lichtleitelement 1 mit einer Auskoppelstelle AS1 in Seitenansicht.
Der Divergenzwinkel γ in dieser Ebene ergibt sich im Wesentlichen aus der Divergenz der Lichtstrahlen L im Lichtleitelement 1 selbst sowie aus der Brechung an der Grenzfläche der Zylindermantelfläche A zur Umgebung des Lichtleitelementes 1, die in der Längsschnittebene LE keine Krümmung aufweist.
Um die Lichtstärkeverteilung ϕ1 in der Längsschnittebene LE zu bestimmen, ist in 6B gezeigt, wie man die Lichtstärkeverteilung ϕ2 mittels verschiedener Firstwinkel χ bestimmen kann. Die Zahl der als Reflexionsprismen verwendeten Auskoppelstellen AS1 bis ASn mit ihrem jeweiligen Firstwinkel χ bestimmt somit die relative Lichtstärke in eine Richtung.
Allerdings ist dabei zu beachten, dass eine Vielzahl unterschiedlicher als Reflexionsprismen ausgebildete Auskoppelstellen AS1 bis ASn verwendet werden müssen, was einer einfachen und kostengünstigen Herstellung eines Lichtleitelementes 1 widerspricht.
In vielen für das automobile Umfeld wichtigen Fällen ist die geforderte Abstrahlcharakteristik mehr oder weniger gaußförmig. Dies entspricht in erster Näherung ungefähr der in den meisten Anwendungsfällen gegebenen Lambertschen Abstrahlcharakteristik einer Leuchtdiode. D. h. der Divergenzwinkel γ entspricht bereits weitgehend der geforderten Lichtstärkeverteilungen ϕ1, ϕ2. Um die genauen Funktionen, wie beispielsweise Taglicht oder Fernlicht, zu erfüllen, muss der Divergenzwinkel γ allerdings noch gestreckt oder gestaucht werden.
Insbesondere aus Effizienzgründen ist es vorteilhaft, den Divergenzwinkel γ im Lichtleitelement 1 so klein wie möglich zu halten. Man kann einfach berechnen, dass sonst bereits an der Auskoppelstelle AS der Grenzwinkel θ_c der Totalreflexion verletzt wird und das Licht somit verloren geht. Daher muss der Divergenzwinkel γ in den meisten Fällen gestreckt werden.
Im Fall einer beidseitigen Einkopplung von Lichtstrahlen L über die Stirnflächen des Lichtleitelementes 1 sollte der Firstwinkel χ kleiner als 90 Grad sein, so dass sich die aus den entgegen gesetzten Richtungen kommenden Lichtstrahlen L überkreuzen und sich somit der effektive Divergenzwinkel γ verdoppeln lässt.
Bezugszeichenliste

1: Lichtleitelement
A: Zylindermantelfläche
AS, AS1 bis AS5: Auskoppelstellen
BP: Brennpunkt
D: Durchmesser
E1: Ellipse
E1.1: Halbellipse
E1.2: Halbellipse
E2.1: Halbellipse
gHA1: große Halbachse
gHA2: große Halbachse
H1: Hauptachse
H2: Hauptachse
HK1: Hüllkurve
HK2: Hüllkurve
K: Kern
kHA1: kleine Halbachse
kHA2: kleine Halbachse
L: Lichtstrahlen
L1: Lichtaustrittsfläche
LA: Längsachse
LE: Längsschnittebene
N1: kleine Nebenachse
QA: Querachse
QE: Querschnittsebene
SF: Stirnfläche
f: Brennweite
h: Firsthöhe
n1, n2: optische Brechzahlen
s1: Querabstand
s2: Längsabstand
t: Eindringtiefe
α: Einfallswinkel
β: Abstrahlwinkel
χ: Firstwinkel
ϕ1, ϕ2: Lichtstärkeverteilungen Divergenzwinkel
γ: Divergenzwinkel
θc: Grenzwinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0594089 B1 [0003, 0048]
DE 10022779 A1 [0004]
DE 4129094 A1 [0005]

Claims

Lichtleitelement (1) mit Auskoppelstellen (AS1 bis ASn), dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Auskoppelstellen (AS1 bis ASn) in einer Querschnittsebene (QE) nebeneinander und entlang einer Längsschnittebene (LE) hintereinander in einer Mantelfläche (A) des Lichtleitelementes (1) angeordnet sind, wobei ein Längsabstand (s2) der Auskoppelstellen (AS1 bis ASn) mit einem zunehmenden Radialabstand von einer Hauptabstrahlrichtung des Lichtleitelementes (1) zunimmt.
Lichtleitelement (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Auskoppelstellen (AS1 bis ASn) jeweils als ein Reflexionsprisma ausgebildet sind.
Lichtleitelement (1) nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die als Reflexionsprismen ausgebildeten Auskoppelstellen (AS1 bis ASn) jeweils einen Firstwinkel (χ) von größer als 90 Grad aufweisen.
Lichtleitelement (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die entlang einer Längsschnittebene (LE) hintereinander angeordneten Auskoppelstellen (AS1 bis ASn) in ihren Firstwinkel (χ) verschieden ausgebildet sind.
Lichtleitelement (1) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Querschnitt, der sich aus zwei Halbellipsen (E1.1, E2.1) zusammensetzt, wobei eine Nebenachse (N1) der ersten Halbellipse (E1.1) genauso groß wie eine Hauptachse (H2) einer zweiten Halbellipse (E2.1) ist, wobei die Halbellipsen (E1.1, E2.1) derart angeordnet sind, dass die Nebenachse (N1) der ersten Halbellipse (E1.1) die Hauptachse (H2) der zweiten Halbellipse (E2.1) bildet, wobei eine große Halbachse (gHA1) der ersten Halbellipse (E1.1) größer als eine kleine Halbachse (kHA2) der zweiten Halbellipse (E2.1) ist.