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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lichtmodul einer Beleuchtungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs. Das Lichtmodul umfasst mindestens eine Halbleiterlichtquelle zum Aussenden von Licht und eine der mindestens einen Halbleiterlichtquelle zugeordnete Primäroptik zum Bündeln des von der mindestens einen Halbleiterlichtquelle ausgesandten Lichts. Die Primäroptik ist mehrstufig ausgebildet und umfasst mindestens zwei im Strahlengang hintereinander angeordnete und unterschiedlich ausgestaltete Linsenelemente. Die mindestens zwei hintereinander angeordneten Linsenelemente sind der gleichen mindestens einen Halbleiterlichtquelle zugeordnet. Die Primäroptik umfasst ein erstes Linsenelement und ein zweites Linsenelement. Das erste Linsenelement ist im Strahlengang vor dem zweiten Linsenelement angeordnet. Das erste Linsenelement umfasst einen rotationssymmetrischen Körper.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedenartige Beleuchtungseinrichtungen für Fahrzeuge bekannt. So unterscheidet man 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 der Fahrbahn vor dem Fahrzeug, insbesondere in Form von Abblendlicht, Fernlicht, Nebellicht oder beliebig anderer, bspw. adaptiver Lichtverteilungen, um jeweils die Sicht für den Fahrer zu verbessern. Scheinwerfer können als Lichtquelle mindestens eine Glühlampe, Gasentladungslampe oder Leuchtdiode (LED) aufweisen. Sie arbeiten nach einem Reflexionsprinzip, also mit einem zur Lichtquelle hin verspiegelten Reflektor, der das von der Lichtquelle ausgesandte Licht zur Erzeugung der gewünschten Lichtverteilung vor das Fahrzeug reflektiert. Alternativ arbeiten Scheinwerfer nach einem Projektionsprinzip mit zusätzlich einer Sekundäroptik (z. B. Projektions- bzw. Sammellinse), welche das von einer Primäroptik (z. B. Reflektor oder Vorsatzoptik) gebündelte Licht zur Erzeugung der gewünschten Lichtverteilung vor das Fahrzeug projiziert.
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Leuchten dienen überwiegend der Verkehrssicherheit durch Sichtbarmachung des Fahrzeugs für andere Verkehrsteilnehmer. So werden Bugleuchten im Frontbereich des Fahrzeugs beispielsweise als Positionslicht, Blinklicht oder Tagfahrlicht und Heckleuchten im Heckbereich des Fahrzeugs beispielsweise als Bremslicht, Rückleuchte oder Blinklicht eingesetzt. Seitliche Leuchten können bspw. als Seitenmarkierungslicht (sog. aktive Sidemarker) eingesetzt werden. Die Bugleuchten können dabei in einem Scheinwerfer integriert sein, sie können aber auch als separate Leuchten ausgebildet sein. Eine Leuchte kann eine oder mehrere Leuchtenfunktionen erfüllen. In einer Heckleuchte sind üblicherweise mehrere Leuchtenfunktionen integriert. Als Lichtquellen weisen Leuchten üblicherweise Glühlampen oder Leuchtdioden (LEDs) auf und arbeiten bevorzugt nach dem Reflexionsprinzip. Das hier vorgeschlagene Lichtmodul kann sowohl in einem Scheinwerfer als auch in einer Leuchte zur Realisierung einer Scheinwerfer- oder einer Leuchtenfunktion eingesetzt werden.
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Ein Lichtmodul der eingangs genannten Art ist bspw. aus der
DE 199 30 461 A1 bekannt. Dabei ist ein erstes im Strahlengang angeordnetes Linsenelement als ein Segment einer Zylinderlinse ausgebildet, das man dadurch erhält, dass man eine Zylinderlinse in einer entlang der Längsachse des Zylinders verlaufenden horizontalen Schnittebene bzw. in einer dazu parallelen Schnittebene durchtrennt. Dabei verläuft die Längsachse des Zylinderlinsensegments horizontal und senkrecht zu einer Hauptabstrahlrichtung der Halbleiterlichtquelle. Zur leichteren Erläuterung wird nachfolgend ein Koordinatensystem eingeführt, wobei eine x-Achse parallel zur Längsachse des Zylinders, eine z-Achse in der Hauptabstrahlrichtung der Halbleiterlichtquelle und eine y-Achse quer zu der xz-Ebene in die Zeichenebene der
1 der DE 199 30 461 A1 hinein verläuft. Das erste Linsenelement bündelt das von der Halbleiterlichtquelle in einen 180°-Halbraum ausgesandte Licht in der yz-Ebene und streut es in der xz-Ebene. Somit erhält man durch das erste Linsenelement in der yz-Ebene weitgehend parallele und in der xz-Ebene aufgefächerte Lichtstrahlen.
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Dem ersten Linsenelement nachgeordnet ist im Strahlengang des aus der
DE 199 30 461 A1 bekannten Lichtmoduls ferner ein zweites Linsenelement angeordnet, das eine längliche Form mit einer Fresnelstruktur auf der Lichtaustrittsseite aufweist. Eine Längsachse des zweiten Linsenelements verläuft im Wesentlichen parallel zu der Längsachse des ersten Linsenelements. Eine Längserstreckung der Fresnelstruktur verläuft im Wesentlichen quer zur Längsachse des zweiten Linsenelements. Durch das zweite Linsenelement werden die nach dem Durchtritt durch das erste Linsenelement in der xz-Ebene aufgefächerten Lichtstrahlen weitgehend parallelisiert, wobei die nach dem Durchtritt durch das erste Linsenelement in der yz-Ebene parallelisierten Lichtstrahlen weitgehend ohne Ablenkung durch das zweite Linsenelement hindurchtreten. Somit wird durch die Kombination der beiden Linsenelemente das von der Halbleiterlichtquelle ausgesandte Licht sowohl in der xz- als auch in der yz-Ebene weitgehend parallelisiert, so dass die Lichtstrahlen weitgehend parallel zur z-Achse verlaufen.
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Problematisch bei dem aus der
DE 199 30 461 A1 bekannten Lichtmodul ist jedoch die Abstrahlcharakteristik einer Halbleiterlichtquelle, die bewirkt, dass in der Hauptabstrahlrichtung ausgesandtes Licht in einer in einem Abstand zu dem Lichtmodul in einer Lichtaustrittsrichtung betrachtet vor diesem angeordneten Bewertungsebene die größte Intensität aufweist und die Intensität des schräg dazu in einem Abstrahlwinkel abgestrahlten Lichts mit dem Faktor Cosinus des Abstrahlwinkels abnimmt. Diese Abstrahlcharakteristik wird auch als Lambert'sche Abstrahlcharakteristik bezeichnet. Die Folge dieses Effekts ist, dass das durch die Kombination der beiden Linsenelemente gebündelte Licht zwar sowohl in der xz- als auch in der yz-Ebene weitgehend parallelisierte Lichtstrahlen erzeugt, allerdings die Lichtstärke des parallelisierten Lichts in einer Bewertungsebene über die gesamte Leuchtfläche verteilt sehr unterschiedlich ist. Insbesondere hat die Leuchtfläche ein sehr helles Zentrum und dunklere Randbereiche. Diese Inhomogenitäten bzw. Helligkeitsvariationen fallen insbesondere in x-Richtung, d. h. entlang der Längserstreckung der Linsenelemente, auf.
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Verstärkt wird dieser Effekt noch durch die relativ große Längserstreckung der Linsenelemente, die bewirken, dass in einem bestimmten Raumwinkel ausgesandte Lichtstrahlen im Zentrum der Lichtverteilung einen kleineren Bereich ausleuchten müssen, als am Rand der Lichtverteilung. Dort treffen die Lichtstrahlen schräg auf die Linsenelemente auf und müssen einen größeren Bereich ausleuchten, als die mit dem gleichen Raumwinkel auf einen zentralen Bereich auftreffenden Lichtstrahlen. Eine weitere Verstärkung dieses Effekts ergibt sich durch die mit dem Winkel, in dem die Lichtstrahlen auf die Linsenelemente auftreffen, zunehmenden Fesnelverluste.
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Die
DE 10 2006 006 635 A1 zeigt ein Lichtmodul, bei dem eine Primäroptik des Lichtmoduls zwei Linsenelemente aufweist. Die zwei Linsenelemente umfassen in Lichtaustrittsrichtung eine halbkugelige, konkav gewölbte Kondensorlinse und eine optisch in Reihe angeordnete Primärlinse, die wiederum im Wesentlichen quer zur Lichtaustrittsrichtung mindestens drei nebeneinander liegende plankonvexe, bikonvexe oder konkav-konvexe Linsen aufweist. Mantelflächenabschnitten der Primärlinsen können dabei der Form eines Ellipsoiden, eines Torus oder eines Zylinders folgen.
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Ferner sind aus dem Stand der Technik (vgl. bspw. Grundkurs Optik 1, Balthasar Reuter) Linsen bekannt, die der sog. Sinusbedingung genügen. Von diesen Linsen ist bekannt, dass sie Strahlen einer Strahlungsquelle mit lambert'schen Abstrahlcharakteristik, z. B. einer LED, parallel zur z-Achse richten und weiterhin in einer Bewertungsebene eine konstante Beleuchtungsstärke erzeugen. Diese speziellen Linsen sind derart ausgebildet, dass der pro Flächeneinheit auf die Bewertungsebene treffende Lichtstrom (die Beleuchtungsstärke) konstant ist. Die bekannte Linse hat aber auch eine Reihe von Nachteilen. Das Verhältnis der beleuchteten Fläche zu Linsendicke ist klein, das heißt, es werden dicke (schwer herstellbare) und teure Linsen benötigt, um kleine Flächen auszuleuchten. Außerdem ergibt sich der prozentuale Anteil des erfassten Lichtstroms eines lambertschen Strahlers als Quadrat des Sinus des Öffnungswinkels des von der Linse erfassten Lichtkegels. Es wird also nur ein relativ geringer Teil des von der Halbleiterlichtquelle ausgesandten Lichtstroms erfasst. Fresnelverluste beim Eintritt in und Austritt aus der Linse und einer nachgeschalteten Streuscheibe reduzieren den Wirkungsgrad weiter. Eine Vergrößerung der erfassten Öffnungswinkel würde zu einer sehr starken Zunahme der Linsendicke aber nur zu einer geringen Zunahme der ausgeleuchteten Fläche führen. Eine weitere starke Verminderung der Effektivität ergibt sich bei den bekannten Linsen, wenn (bspw. aufgrund ästhetischer Überlegungen) auf die kreisrunde Form der Linse verzichtet wird und stattdessen zum Beispiel rechteckige oder trapezförmige Bereiche ausleuchten will, da dies nur durch Entfernen entsprechender Linsenbereiche erreicht werden kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Lichtmodul mit einer Primäroptik für eine insbesondere nahezu punktförmige Lichtquelle, bspw. eine Leuchtdiode, zu schaffen, wobei das Lichtmodul im Wesentlichen parallelisiertes Licht mit einer über die gesamte ausgeleuchtete Fläche einer Bewertungsebene konstanten und damit homogenen Beleuchtungsstärkeverteilung aussenden soll. Ferner soll die Primäroptik wenig Bauraum benötigen und kostengünstig herstellbar sein.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ausgehend von dem Lichtmodul der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass das zweite Linsenelement der Primäroptik durch Translation eines Ellipsenabschnitts gebildet ist und eine Lichtaustrittsfläche des ersten Linsenelements in einer, vorzugsweise in jeder Schnittebene, welche die Rotationsachse des ersten Linsenelements umfasst, einen Ellipsenabschnitt bildet. Die Primäroptik ist dabei als Vorsatzoptik für die mindestens eine Halbleiterlichtquelle ausgebildet.
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Der Erfindung liegt die Idee zu Grunde, die physikalische Lehre des bekannten plankonvexen Linsenelements zur Erzeugung einer konstanten und homogenen Beleuchtungsstärke in die Primäroptik des erfindungsgemäßen Lichtmoduls derart einzubringen, dass durch eine geeignete Anordnung der beiden Linsenelemente sowie deren erfindungsgemäße Ausgestaltung bei gleichzeitiger Beibehaltung der konstanten und homogenen Beleuchtungsstärke dünnere und damit leichtere Linsenelemente in dem Lichtmodul verwendet werden können. Ziel der Erfindung ist deshalb, dass sich die beiden in einem Strahlengang des Lichts hintereinander angeordneten Linsenelemente optisch wirksam ergänzen, so dass das Lichtmodul im Wesentlichen parallelisiertes Licht mit einer konstanten und homogenen Beleuchtungsstärke über die gesamte Lichtaustrittsfläche aussendet. Die Beleuchtungsstärke ist dabei als Quotient aus einem einfallenden Lichtstrom pro festgelegter Anstrahlfläche definiert. Das von der Primäroptik ausgesandte Licht soll anschließend für einen Betrachter von außen, beispielsweise an einer Streuscheibe des Lichtmoduls, an jeder Stelle gleich hell leuchten. Das erfindungsgemäße Lichtmodul erzeugt bevorzugt Leuchtenfunktionen im Bug-, Heck- oder Seitenbereich eines Kraftfahrzeugs. Die beiden Linsenelemente sind dabei einfach aufgebaute Elemente aus transparentem Material, beispielsweise aus Kunststoff oder Glas, die kostengünstig, mit sehr feinen Toleranzen, hergestellt werden können.
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Das erfindungsgemäße Lichtmodul zeichnet sich dadurch aus, dass das erste Linsenelement ein Rotationskörper (Rotationsachse vorzugsweise parallel zu der y-Achse eines Koordinatensystems) ist, dessen Querschnitt in jeder Schnittebene, welche die Rotationsachse enthält, eine konvex gewölbte Seite und eine näherungsweise ebene Seite aufweist. Die gewölbte Seite bildet die Lichtaustrittsfläche der Linse. Die Lichtaustrittsfläche wird vorzugsweise durch eine Rotation eines elliptischen Querschnitts um die Rotationsachse gebildet. Die Lichtaustrittsfläche ist in der Schnittebene vorzugsweise ellipsenabschnittsförmig oder einem Ellipsenabschnitt ähnlich ausgebildet. In der xz-Ebene oder einer dazu parallelen Schnittebene hat die Lichtaustrittsfläche vorzugsweise die Form eines Kreisabschnitts. Im Mittelpunkt des Kreisabschnitts, d. h. parallel zur Rotationsachse, ist vorzugsweise die Halbleiterlichtquelle angeordnet. Die in der Schnittebene betrachtet ebene oder nahezu ebene Seite des ersten Linsenelements bildet eine Lichteintrittsfläche.
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Die von der Halbleiterlichtquelle ausgesandten lambertschen Lichtbündel werden an der näherungsweise ebenen Lichteintrittsfläche des ersten Linsenelements gebrochen, durchlaufen dann die Linse und werden beim Verlassen des ersten Linsenelements an deren gewölbten Lichtaustrittsfläche erneut gebrochen, und zwar derart, dass sie anschließend parallel zueinander (in jeder beliebigen Schnittebene, welche die Rotationsachse enthält) verlaufen. In jedem der parallelen Lichtbündel wird derselbe Lichtstrom transportiert. Betrachtet man das Lichtmodul in Richtung der y-Achse, erfahren die Strahlen beim Durchtritt durch das erste Linsenelement keinerlei Ablenkung, da die Strahlen immer senkrecht auf die Eintritts- und Austrittsflächen des ersten Linsenelements treffen. In dieser Blickrichtung bleibt also die lambert'sche Charakteristik erhalten.
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Das zweite Linsenelement weist wiederum eine nahezu ebene (oder nur leicht konvex oder konkav gewölbte) Lichteintrittsfläche auf. Der Querschnitt ist in y-Richtung betrachtet ein Ellipsenabschnitt oder hat die Form eines ellipsenähnlichen Abschnitts. Im Mittelpunkt des Ellipsenabschnitts ist vorzugsweise die Halbleiterlichtquelle angeordnet. Anders als das erste Linsenelement entsteht das zweite Linsenelement nicht durch Rotation, sondern durch Translation des Querschnitts in y-Richtung. Durch das zweite Linsenelement werden die räumlichen, durch das erste Linsenelement im jeweiligen Schnitt, der die y-Achse umfasst, bereits parallelgerichteten Lichtbündel in der xz-Ebene parallel gerichtet.
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Insgesamt erreicht man also durch das Zusammenwirken der beiden Linsen, dass alle Lichtstrahlen parallel zur z-Achse verlaufen und dass pro Flächeneinheit auf einem Beurteilungsschirm derselbe Lichtstrom auftrifft, was wiederum bedeutet, da Lichtstrom pro Flächeneinheit gleich Beleuchtungsstärke gilt, dass die Beleuchtungsstärke auf dem Beurteilungsschirm konstant ist.
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Die Lichtaustrittsfläche des ersten Linsenelements bildet – wie gesagt – in Schnittebenen, welche die Rotationsachse des ersten Linsenelements umfassen einen Ellipsenabschnitt oder einen ellipsenähnlichen Abschnitt. In der xz-Ebene oder in einer dazu parallelen Projektionsebene bildet die Lichtaustrittsfläche des ersten Linsenelements dagegen einen Kreisabschnitt. Die Lichtaustrittsfläche des zweiten Linsenelements bildet – wie gesagt – in der Projektionsebene einen Ellipsenabschnitt. Eine solche Anordnung kann dazu dienen, um optische Eigenschaften, die durch die Anordnung und Ausgestaltung des ersten Linsenelements auf einer Bewertungsfläche zunächst nur in einer Ebene wie gewünscht wirken, durch das zweite, um 90° versetzt angeordnete Linsenelement auch in einer Ebene senkrecht zur ersten Ebene wirken.
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Für die Erfindung ist es vorteilhaft, wenn sich die Ellipsenachsen einer ersten Ellipse, von der der erste Ellipsenabschnitt ein Teil ist, in einem ersten Schnittpunkt schneiden, und dass sich die Ellipsenachsen einer zweiten Ellipse, von der der zweite Ellipsenabschnitt ein Teil ist, in einem zweiten Schnittpunkt schneiden, wobei der erste und der zweite Schnittpunkt deckungsgleich sind. Um den gewünschten optischen Effekt zur Erlangung der konstanten und homogenen Beleuchtungsstärkeverteilung besonders genau und zuverlässig zu erreichen, ist es besonders vorteilhaft, dass die den mindestens zwei hintereinander angeordneten Linsenelementen zugeordnete mindestens eine Halbleiterlichtquelle in dem gemeinsamen Schnittpunkt der Ellipsenachsen der ersten und der zweiten Ellipse angeordnet ist. Die Halbleiterlichtquelle ist dabei bevorzugt eine puntkförmige Lichtquelle und kann zum Beispiel als Leuchtdiode (LED) ausgebildet sein.
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Ferner weist das erste Linsenelement vorteilhafterweise einen tunnelartigen Durchbruch auf, dessen Wandung eine Lichteintrittsfläche des ersten Linsenelements bildet. Dabei ist die Wandung in der xz-Ebene betrachtet bevorzugt halbkreisförmig ausgebildet. Auf einer Bodenfläche, über der der tunnelartige Durchbruch angeordnet ist, ist mittig die mindestens eine dem ersten Linsenelement zugeordnete Halbleiterlichtquelle angeordnet. Die Halbleiterlichtquelle strahlt ein kegelförmig ausgebildetes Lichtbündel (gemäß Lambert'scher Abstrahlcharakteristik) aus, wobei die Ausgestaltung und Anordnung des tunnelartigen Durchbruchs dafür sorgt, dass die ausgesandten Lichtstrahlen in der xz-Ebene und dazu parallelen Ebenen, d. h. in Richtung der y-Achse betrachtet, immer senkrecht auf die Lichteintrittsfläche treffen.
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Vorteilhafterweise ist das erste Linsenelement in einem Radialschnitt, der die y-Achse umfasst, ellipsenabschnittsförmig ausgebildet. Zur Justierung eines Brechungswinkels der Lichtstrahlen kann die Lichteintrittsfläche des ersten Linsenelements leicht konkav oder konvex gewölbt sein. Ferner ist vorteilhaft, dass das zweite Linsenelement die Form eines Zylindersegments mit nahezu elliptischem (elliptischem oder ellipsenähnlichem) Querschnitt aufweist, das man dadurch erhält, dass man eine Zylinderlinse mit nahezu elliptischem Querschnitt in einer entlang der Längsachse des Zylinders verlaufenden horizontalen Schnittebene (z. B. xy-Ebene) bzw. in einer dazu parallelen Schnittebene durchtrennt. Dabei verläuft die Längsachse des Zylinderlinsensegments mit nahezu elliptischem Querschnitt horizontal, parallel zu der y-Achse und senkrecht zu einer Hauptabstrahlrichtung der Halbleiterlichtquelle. Ferner verläuft die Längsachse des Zylinderlinsensegments parallel zur Längserstreckung des tunnelartigen, zylindersegmentförmigen Durchbruchs des ersten Linsenelements. Auch hier kann zur Justierung eines Brechungswinkels der Lichtstrahlen die Lichteintrittsfläche des zweiten Linsenelements leicht konkav oder konvex gewölbt sein.
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Weiterhin ist vorteilhaft, dass innerhalb der Primäroptik mehrere erste und zweite Linsenelemente in einer Reihe nebeneinander oder in mehreren Reihen und Spalten matrixähnlich angeordnet sind, wobei jeweils einer Kombination eines ersten und eines zweiten Linsenelements mindestens eine Halbleiterlichtquelle zugeordnet ist. Dadurch kann die Form bzw. die ausgeleuchtete Fläche der Primäroptik an eine beliebige Größe und Form einer Lichtaustrittfläche des Lichtmoduls angepasst werden. So kann die Lichtaustrittfläche ohne Effizienzverlust beispielsweise auch viereckig ausgebildet sein, was einem modernen Design eher entgegenkommt als herkömmliche runde Lichtaustrittflächen.
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In Bezug auf eine Herstellung der Primäroptik ist vorteilhaft, dass mehrere erste Linsenelemente des Lichtmoduls einstückig ausgebildet sind und/oder dass mehrere zweite Linsenelemente einstückig ausgebildet sind. Es ist natürlich auch möglich, dass alle ersten und zweiten Linsenelemente in einem Stück ausgebildet sind und eine integrale, gemeinsame Primäroptik bilden. Dadurch kann einerseits einfach und schnell eine korrekte räumliche Zuordnung der Primäroptik zu der mindestens einen Halbleiterlichtquelle gewährleistet werden, es sind keine zusätzlichen Bauteile, sowie deren Montage und Justierung nötig. Anderseits kann die gesamte Primäroptik in einem Arbeitsgang gefertigt und als ein Bauteil einfach gehandhabt werden, bspw. während der Montage des Lichtmoduls. Auch eine ordnungsgemäße Befestigung der Primäroptik an einem Trägerelement, welches die mindestens eine Halbleiterlichtquelle trägt, ist mit einfachen Mitteln möglich.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Figuren. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale im Rahmen der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung vorgesehen sein können.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
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1 ein aus dem Stand der Technik bekanntes Lichtmodul mit einer punktförmigen Lichtquelle und einigen beispielhaft eingezeichneten Strahlenverläufen;
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2 eine Abstrahlcharakteristik eines Lambert'schen Strahlers;
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3 ein aus dem Stand der Technik bekanntes Linsenelement, das die Sinusbedingung erfüllt, in einer Seitenansicht;
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4 eine Draufsicht auf das Linsenelement aus 3;
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5 eine von dem Linsenelement aus 3 oder 4 erzeugte Beleuchtungsstärkeverteilung;
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6 ein erfindungsgemäßes Lichtmodul in einer perspektivischen Ansicht gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
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7 das Lichtmodul aus 6 in einer Seitenansicht;
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8 eine Primäroptik des Lichtmoduls aus 6 oder 7 in einer xz-Ebene und in einer yz-Ebene mit beispielhaft eingezeichneten Strahlenverläufen;
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9 eine Schnittansicht durch ein erstes Linsenelement des Lichtmoduls entlang einem Schnitt IX-IX aus 7 mit beispielhaft eingezeichneten Strahlenverläufen; und
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10 ein erstes Linsenelement der Primäroptik des erfindungsgemäßen Lichtmoduls in einer perspektivischen Ansicht.
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Durch die technisch fortschreitende Entwicklung von Halbleiterlichtquellen, können beispielsweise Leuchtdioden (LEDs) mittlerweile Licht in beliebigen Farben und auch mit großen Lichtstärken erzeugen. Dies ermöglicht einen vielfältigen Einsatz solcher Lichtquellen auch in Beleuchtungseinrichtungen für Kraftfahrzeuge. Die Leuchtdioden sind baulich sehr klein ausgebildet, so dass sie in ihrer Wirkung im Wesentlichen idealisierten physikalischen Gesetzen folgen, in denen von einer nahezu punktförmig ausgebildeten Lichtquelle ausgegangen wird.
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Eine Anwendung auf der Basis dieser physikalischen Gesetzmäßigkeiten ermöglicht einen breiten Handlungsspielraum zur optimalen Gestaltung und Wirkung von Beleuchtungseinrichtungen, die mit Leuchtdioden ausgestattet sind.
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Eine punktförmige Lichtquelle, wie bspw. eine Halbleiterlichtquelle 10, insbesondere eine Leuchtdiode, leuchtet auf einer, in einem Abstand zu der Lichtquelle 10 angeordneten Bewertungsebene 18, bspw. einem Messschirm, eine bestimmte Fläche aus. Dabei erscheint das Zentrum der ausgeleuchteten Fläche heller als die Randbereiche. Dies wird an Hand von 1 näher erläutert. 1 zeigt die Leuchtdiode 10, von der beispielhaft zwei kegelförmige Lichtbündel 12 und 14 erzeugt werden. Das erste Lichtbündel 12 verläuft im Wesentlichen parallel zu einer Hauptabstrahlrichtung 10' der Leuchtdiode 10. Das weitere Lichtbündel 14 wird in einem Abstrahlwinkel θ ≠ 0 schräg zur Hauptabstrahlrichtung 10' abgestrahlt. Ein Öffnungswinkel des ersten Lichtbündels 12 ist mit μ und ein Öffnungswinkel des weiteren Lichtbündels 14 ist mit β bezeichnet. Betrachtet werden zwei Bereiche der Breite a in der Bewertungsebene 18, wobei ein mittlerer Bereich von dem ersten Lichtbündel 12 mit dem Öffnungswinkel μ und ein Randbereich von dem weiteren Lichtbündel 14 mit dem Öffnungswinkel β erzeugt wird. Da β < μ gilt, wird der äußere Bereich mit weniger Licht bestrahlt und erscheint einem Betrachter somit dunkler.
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Dieser rein geometrische Effekt wird durch die Verwendung einer Leuchtdiode, die eine Lambert'sche Abstrahlcharakteristik aufweist, verstärkt. Eine Beschreibung dieser Charakteristik erfolgt anhand der 2. Eine Leuchtdiode sendet üblicherweise Licht in einen 180°-Halbraum mit einer Lambert'schen Abstrahlcharakteristik aus. Diese wird anhand der 2 näher erläutert. Die Leuchtdiode ist mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Eine Hauptabstrahlrichtung der Lichtquelle 10 ist mit 10' bezeichnet. Die Lichtstärke (Strahlungsleistung der Lichtquelle 10 pro Raumwinkel θ) I(θ) des von der Lichtquelle 10 ausgesandten Lichts ist als ein mit gestrichelter Linie eingezeichneter Kreis veranschaulicht. Die größte Lichtstärke Imax weist das in Hauptabstrahlrichtung 10' ausgesandte Licht auf. Zu den Rändern der ausgeleuchteten Fläche hin nimmt die Lichtstärke I(θ) in Abhängigkeit von dem Abstrahlwinkel θ bezogen auf die Hauptabstrahlrichtung 10' ab. Dabei nimmt die Lichtstärke I(θ) mit dem Faktor des Cosinus des Abstrahlwinkels θ ab (I(θ) = Imax·cos(θ)). In 2 ist die Lichtstärke als Vektor dargestellt und zeigt bei größer werdendem Abstrahlwinkel Θ einen geringeren Lichtstärkewert I.
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Eine weitere Verstärkung dieses Effekts ergibt sich in der Praxis durch die mit dem Winkel, in dem die Lichtstrahlen auf eine Grenzfläche treffen, zunehmenden Fresnel-Verluste.
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Die oben genannten Gesetzmäßigkeiten beziehungsweise geometrischen Gegebenheiten führen dazu, dass die Erzeugung einer homogenen, über die gesamte ausgeleuchtete Fläche konstanten Beleuchtungsstärke mittels einer punktförmigen Lichtquelle, wie beispielsweise einer Leuchtdiode, sehr problematisch ist. Dabei ist die Realisierung einer Homogenität der Lichtverteilung bei Beleuchtungseinrichtungen für Kraftfahrzeuge besonders wichtig, da die Homogenität einer Lichtverteilung als Qualitätsmerkmal bei Kunden gilt.
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Die 3 und 4 sind Abbildungen von einem aus dem Stand der Technik bekannten Linsenelement 20, mit dessen Hilfe aus dem von einer punktförmigen Lichtquelle, zum Beispiel einer Leuchtdiode 10, ausgesandten Licht eine Fläche mit einer homogenen Beleuchtungsstärkeverteilung (vgl. 5) ausgeleuchtet werden kann. 3 zeigt schematisch eine Seitenansicht des Linsenelements 20 mit den entsprechenden Abmessungen, damit das Linsenelement 20 der Sinusbedingung genügt. 4 zeigt eine Draufsicht auf das Linsenelement 20, die durch Rotation des Querschnitts aus 3 um die Θ (theta) = 0°-Achse erzeugt wird. 5 zeigt den Beleuchtungsstärkeverlauf der durch das Linsenelement 20 erzeugten Lichtverteilung (pro Flächeneinheit auf die Bewertungsfläche 18 treffender Lichtstrom). Das Linsenelement 20 ist – wie 3 zeigt – plankonvex ausgebildet. Aus der Draufsicht aus 4 geht hervor, dass das Linsenelement 20 einen runden Umfang bzw. Querschnitt aufweist.
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Die Leuchtdiode 10 ist in einem Abstand l zu der Lichteintrittsfläche des Linsenelements 20 angeordnet. Ein Radius r der Lichteintrittsfläche entspricht in diesem Beispiel der Länge l des Abstandes der Leuchtdiode 10 zum Linsenelement 20. Aus den identischen Längen l und r ergibt sich, dass ein nutzbarer Abstrahlwinkel Θ der Leuchtdiode 10 etwa 45° beträgt. Zur Erzeugung der homogenen Beleuchtungsstärke E muss eine Dicke d des Linsenelements 20 in Relation zum Radius r der Lichteintrittsfläche des Linsenelements 20 und zum maximal nutzbaren Abstrahlwinkel Θ stehen. Die maximale Dicke d des Linsenelements 20 errechnet sich aus der Gleichung: d = r·sin(Θ)
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Ein Linsenelement, das diese Gesetzmäßigkeit erfüllt, erzeugt aus dem von einer punktförmigen Lichtquelle ausgesandten Licht eine Lichtverteilung mit im Wesentlichen homogener, konstanter Verteilung der Beleuchtungsstärke E über nahezu die gesamte Abstrahlfläche des Linsenelements 20, wie es 5 zeigt. Diese gleichmäßige, homogene Lichtverteilung ergibt sich auch aus der Draufsicht aus 4 auf eine mit Licht durchstrahlte Linse 20.
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Für eine Anwendung dieser bekannten Linse in der Praxis bedeutet das, dass für brauchbare Abstrahlwinkel Θ das Verhältnis von d zu r immer recht klein ausfällt, so dass relativ zum Radius r die max. Dicke d des Linsenelements 20 überproportional groß ausfällt. Es ergibt sich deshalb immer ein dickes, schweres und unhandliches Linsenelement 20. Außerdem weist eine solche Anordnung einen schlechten Wirkungsgrad auf, da nur ein Teil des von der Leuchtdiode 10 ausgesandten Lichtstroms nutzbar ist. Der nutzbare Lichtstrom berechnet sich aus: Nutzbarer Lichtstrom = Max. Lichtstrom·sin(Θ)2
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Im in 3 dargestellten Beispiel beträgt der nutzbare Lichtstrom also nur etwa 50% des maximal möglichen Lichtstroms. Fresnel-Verluste an einer Ein- und Austrittsfläche des Linsenelements 20 und – sofern vorhanden – an einer im Strahlengang angeordneten nachgeschalteten Streuscheibe reduzieren den Wirkungsgrad in der Praxis auf höchstens 40%. Eine starke Verminderung der Effektivität ergibt sich auch dadurch, wenn man zum Beispiel aufgrund ästhetischer Überlegungen auf die runde Umfangs- bzw. Querschnittsform des Linsenelements 20 verzichtet und statt dessen zum Beispiel rechteckige oder trapezförmige Bereiche, also viereckige Bereiche, ausleuchten will.
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Die oben genannten Nachteile kann ein erfindungsgemäßes Lichtmodul 22 überwinden, das Teil einer Beleuchtungseinrichtung (z. B. Scheinwerfer oder Leuchte) eines Kraftfahrzeugs sein kann. 6 zeigt das erfindungsgemäße Lichtmodul 22 in einer perspektivischen Ansicht. Es kann in einem Scheinwerfer und/oder in einer Leuchte eingesetzt werden und dient zur Realisierung einer Scheinwerfer- oder Leuchtenfunktion, zum Beispiel zur Realisierung eines Positionslichts oder eines Bremslichts. 7 zeigt das Lichtmodul 22 in einer Seitenansicht.
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Das Lichtmodul 22 weist ein Trägerelement 24 auf, auf dem eine Platine 26 zur Anordnung, Befestigung und elektrischen Kontaktierung von Leuchtdioden 10 angeordnet ist. Das Trägerelement 24 kann auf einem Kühlkörper (nicht dargestellt) des Lichtmoduls 22 angeordnet sein oder selbst den Kühlkörper bilden. Die Platine 26 kann elektrische Leiterbahnen aufweisen und kann mit elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen bestückt sein. Die Platine 26 kann somit eine Ansteuerschaltung für das Lichtmodul 22 bzw. die Leuchtdioden 10 bilden. In 6 ist ein Koordinatensystem zur Erleichterung der Erläuterungen eingezeichnet. Eine Hauptabstrahlrichtung 27 der Leuchtdioden 10 verläuft parallel zu einer z-Achse des Koordinatensystems. Das Trägerelement 24 sowie die Platine 26 erstrecken sich in einer xy-Ebene.
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Im Strahlengang des von den Leuchtdioden 10 ausgesandten Lichts ist eine zweistufig ausgebildete Primäroptik 28 angeordnet. Diese umfasst auf der Platine 26 angeordnete rotationssymmetrische erste Linsenelemente 30 und im Strahlengang den ersten Linsenelementen 30 nachgeordnete zweite Linsenelemente 36, die ebenfalls an der Platine 26 angeordnet sind. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit drei Leuchtdioden 10 verfügt das Lichtmodul 22 über jeweils drei erste Linsenelemente 30 und zweite Linsenelemente 36. Bei mehr oder weniger als den drei Leuchtdioden 10 können auch entsprechend mehr oder weniger Linsenelemente 30, 36 vorgesehen sein. Vorzugsweise ist jeder Leuchtdiode 10 eine Kombination von erstem Linsenelement 30 und zweiten Linsenelement 36 zugeordnet. Selbstverständlich wäre es denkbar, dass die Linsenelemente 30, 36 auf dem Trägerelement 24 statt auf der Platine 26 angeordnet sind.
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Die ersten Linsenelemente 30 sind jeweils als Rotationskörper ausgebildet, deren Rotationsachsen parallel zur y-Achse durch die Abstrahlflächen der ihnen jeweils zugeordneten Leuchtdioden 10 verläuft. Ein Querschnitt durch den Rotationskörper 30 in einer beliebigen Schnittebene, welche die Rotationsachse enthält, ist in 9 dargestellt. Die Linsenelemente 30 weisen jeweils einen tunnelartigen, zylindersegmentförmigen Durchbruch 32 auf, dessen Längsachse parallel zu der y-Achse, vorzugsweise deckungsgleich zu der Rotationsachse verläuft. Durch den tunnelartigen Durchbruch 32 ist eine Lichteintrittsfläche 33 des ersten Linsenelements 30 gebildet. Die Lichteintrittsfläche 33 kann dabei in einer beliebigen Schnittebene, welche die Rotationsachse enthält, leicht konkav oder konvex gewölbt ausgebildet sein.
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Die Oberfläche des Linsenelements 30 stellt eine Lichtaustrittsfläche 34 des Linsenelements 30 dar. Sie ergibt sich durch Rotation eines elliptischen Querschnitts um eine Rotationsachse, die parallel zu der y-Achse durch die Abstrahlfläche der LEDs 10 verläuft. Die Lichtaustrittsfläche 34 weist in einem beliebigen Schnitt parallel zur xz-Ebene, d. h. in der Projektionsebene, die senkrecht zu der Rotationsachse des ersten Linsenelements 30 verläuft, die Form eines Abschnitts eines Kreisumfangs 35 auf (vgl. 8), wobei die Leuchtdiode 10 vorzugsweise im Mittelpunkt des Kreisabschnitts angeordnet ist. In einer beliebigen, die Rotationsachse umfassenden Schnittebene hat das erste Linsenelement 30 die Form eines Ellipsenabschnitts oder eines ellipsenähnlichen Abschnitts. Aufgrund der rotationssymmetrischen Ausgestaltung des ersten Linsenelements 30 hat die Lichtaustrittsfläche 34 in der xz-Ebene die erwähnte Kreisabschnittsform und in der yz-Ebene sowie in allen übrigen die Rotationsachse umfassenden Schnittebenen die erwähnte Ellipsenabschnittsform.
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Im Strahlengang des von den ersten Linsenelementen 30 über die Lichtaustrittsflächen 34 ausgesandten Lichts sind die zweiten Linsenelemente 36 angeordnet. Jedes der zweiten Linsenelemente 36 ist wie die ersten Linsenelemente 30 funktional einer der Leuchtdioden 10 zugeordnet. Das zweite Linsenelement 36 stellt im Wesentlichen einen prismatischen Körper dar, den man dadurch erhält, dass man einen Zylinder mit ellipsenförmigem oder ellipsenähnlichem Querschnitt entlang einer zu der xy-Ebene parallelen Schnittebene aufschneidet. Eine Längserstreckung des zweiten Linsenelements 36 verläuft parallel zu der y-Achse und damit parallel zu der Längserstreckung des tunnelartigen Durchbruchs 32 des ersten Linsenelements 30.
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Eine Lichteintrittsfläche 38 des zweiten Linsenelements 36 ist der Lichtaustrittsfläche 34 des entsprechenden ersten Linsenelements 30 zugewandt und im Wesentlichen eben ausgebildet. Sie kann aber auch in einer Schnittebene parallel zur xz-Ebene oder zur yz-Ebene leicht konkav oder konvex gewölbt sein. Eine Lichtaustrittsfläche 40 des zweiten Linsenelements 36 entspricht in einer Schnittebene parallel zur xz-Ebene einem Ellipsenabschnitt 37 (vgl. 8), wobei die Leuchtdiode 10 vorzugsweise auch im Schnittpunkt der beiden Ellipsenachsen der Ellipse 37 angeordnet ist. Bei den beiden Ellipsen 35 und 37 handelt es sich um zwei unterschiedlich geformte, aber konzentrische Ellipsen, wobei die Schnittpunkte der jeweiligen Ellipsenachsen deckungsgleich sind und die Position der Leuchtdiode 10 definieren (vgl. 8). Die Lichtaustrittfläche 40 des zweiten Linsenelements 36 stellt gleichzeitig die Lichtaustrittsfläche der Primäroptik 28 dar.
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Die drei dargestellten zweiten Linsenelemente 36 sind zu einer gemeinsamen Baugruppe miteinander verbunden, d. h. als ein integrales Bauteil ausgebildet. Auch die ersten Linsenelemente 30 können – anders als in den Figuren gezeigt – zu einer gemeinsamen Baugruppe miteinander verbunden und als ein integrales Bauteil ausgebildet sein. Es wäre sogar denkbar, dass alle ersten und zweiten Linsenelemente 30 und 36 ein integrales Bauteil bilden, so dass die gesamte Primäroptik 28 als ein einziges Bauteil ausgebildet ist.
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Die aus der Lichtaustrittsfläche 40 des zweiten Linsenelements 36 austretenden Lichtstrahlen gelangen anschließend auf eine Streuscheibe 42. Bei einer Verwendung des Lichtmoduls 22 als Funktion in einem Scheinwerfer ist der Streuscheibe 42 eine Scheinwerferabdeckscheibe vorgelagert, bei Verwendung als selbstständige Leuchte, beispielsweise in einer Heckleuchte, wird in der Regel das Lichtmodul 22 von einem separaten Gehäuse mit eigener Abdeckscheibe umschlossen. Es ist aber auch denkbar, dass die Streuscheibe 42 die Abdeckscheibe des Scheinwerfers oder der Leuchte oder einen Teil der Abdeckscheibe bildet.
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Mit Hilfe der 8, 9 und 10 soll die Funktion und Arbeitsweise der Primäroptik 28 erläutert werden. 8 zeigt beispielhaft eingezeichnete Strahlenverläufe in der Primäroptik 28, links in der xz-Ebene betrachtet und rechts in der yz-Ebene betrachtet. 9 zeigt einen in 7 angedeuteten Schnitt entlang einer Linie IX-IX durch das erste Linsenelement 30, wobei die Schnittebene die y-Achse umfasst. 10 zeigt beispielhaft einen Lichtstrahlenverlauf in dem ersten Linsenelement 30 in einer perspektivischen Darstellung.
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Die von der Leuchtdiode 10 ausgesandten Lambert'schen Lichtbündel 44 werden an der Lichteintrittsfläche 33 des ersten Linsenelements 30 gebrochen, durchlaufen das Linsenelement 30 und werden beim Verlassen des ersten Linsenelements 30 an der Lichtaustrittsfläche 34 erneut gebrochen. Die Lichtbündel 44 werden derart gebrochen, dass sie nach dem Verlassen des ersten Linsenelements 30 in einer Schnittebene, welche die Rotationsachse umfasst, parallel zueinander verlaufen. Wie aus 9 ersichtlich, sind alle Lichtbündel 44 nach der zweiten Brechung gleich dick, obwohl die ursprünglich von der Leuchtdiode 10 abgestrahlten Lichtbündel 44 einen nach außen zunehmenden Öffnungswinkel aufweisen. Somit gibt es in den Schnittebene keine Helligkeitsunterschiede mehr. In jedem der parallelen Lichtbündel wird derselbe Lichtstrom transportiert. Betrachtet man das erste Linsenelement 30 in der y-Richtung, erfahren die Lichtstrahlen keinerlei Ablenkung in der xz-Ebene, da die Strahlen immer senkrecht auf die Eintrittsfläche 33 und die Austrittsfläche 34 treffen. In dieser Blickrichtung bleibt also die Lambert'sche Charakteristik erhalten. Insgesamt ergibt sich also am ersten Linsenelement 30 die in 10 am Beispiel in einigen Schnittebenen, die die Rotationsachse enthalten, perspektivisch dargestellte Abstrahlcharakteristik, die in dieser Form anschließend auf die Lichteintrittsfläche 38 des zweiten Linsenelements 36 trifft.
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In der xz-Ebene der 8 betrachtet, ähnelt die Form des zweiten Linsenelements 36 der Form des Schnitts -IX-IX des ersten Linsenelements 30, der in 9 dargestellt ist. Damit ist auch die Arbeitsweise des zweiten Linsenelements 36 in der xz-Ebene betrachtet die gleiche, wie sie zu 9 für die Schnittebene IX-IX beschrieben wurde. Durch das zweite Linsenelement 36 werden die räumlichen, durch das erste Linsenelement 30 im jeweiligen Schnitt bereits parallelgerichteten Bündel in der xz-Ebene parallel gerichtet. Nach dem Austritt aus dem zweiten Linsenelement 36 über die Lichtaustrittsfläche 40 verlaufen somit alle Lichtstrahlen parallel zu der z-Achse. Ebenso transportiert entsprechend der 9 wiederum jedes Lichtbündel 44 auch in der xz-Ebene denselben Lichtstrom. Die durch das zweite Linsenelement 36 erzeugte Beleuchtungsstärkeverteilung ist damit sowohl in der xz-Ebene als auch in der yz-Ebene im Wesentlichen konstant.
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Insgesamt erreicht man also durch das Zusammenwirken der beiden Linsenelemente 30 und 36 der Primäroptik 28 des erfindungsgemäßen Lichtmoduls 22, dass alle aus der Primäroptik 28 austretenden Lichtstrahlen 44 parallel zur z-Achse verlaufen und dass pro Flächeneinheit auf der Bewertungsebene 18 derselbe Lichtstrom auftrifft, was wiederum bedeutet, dass die von dem Lichtmodul 22 erzeugte Beleuchtungsstärkeverteilung auf dem Bewertungsschirm 18, beziehungsweise auf der Streuscheibe 42, homogen und über die Fläche konstant ist.
