DE102011090197B4

DE102011090197B4 - Lichtleiter für eine Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung

Info

Publication number: DE102011090197B4
Application number: DE102011090197.3A
Authority: DE
Inventors: Hubert Zwick; Hermann Kellermann
Original assignee: Automotive Lighting Reutlingen GmbH
Current assignee: Marelli Automotive Lighting Reutlingen Germany GmbH
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2011-12-30
Publication date: 2015-06-25
Anticipated expiration: 2031-12-31
Also published as: DE102011090197A1

Abstract

Anordnung eines Lichtleiters und einer Lichtquelle, wobei der Lichtleiter (14) eine Lichteintrittsfläche (12) und eine Umlenkfläche (22) aufweist, welche Umlenkfläche (22) dazu eingerichtet ist, über die Lichteintrittsfläche (12) eingekoppeltes und auf die Umlenkfläche (22) einfallendes Licht der Lichtquelle in eine Hauptausbreitungsrichtung (16) umzulenken, mit der das Licht im Lichtleiter (14) nach der Umlenkung propagiert, wobei ein erster Winkel (23), den das Lot (22.n) der Umlenkfläche für jeden ihrer Punkte, auf den Strahlen (26) des eingekoppelten Lichtes einfallen, mit jedem in diesem Punkt einfallenden Lichtstrahl des Lichtes bildet, mindestens genauso groß ist, wie ein zweiter Winkel (25), den dieser Lichtstrahl (26) mit der Normalen (19.n) einer logarithmischen Spirale (19) bildet und der mindestens so groß ist, wie der Grenzwinkel der internen Totalreflektion des Lichtleiters, wobei die Lichtquelle eine Leuchtdiode (2) ist, wobei die erste optisch aktive Fläche, auf die die von dem Chip der Leuchtdiode (2) ausgehenden Lichtstrahlen (50, 52) treffen, die Lichteintrittsfläche ist, wobei die Lichteintrittsfläche eine ebene Fläche ist, wobei die Leuchtdiode in Bezug auf die Lichteintrittsfläche so angeordnet ist, dass vom Chip der Leuchtdiode ausgehende Strahlen an der die Lichteintrittsfläche bildenden Grenzfläche des Lichtleiters zur umgebenden Luft so gebrochen werden, dass sie scheinbar von einem Ursprungspunkt ausgehen, der dem Pol (20) der Spirale entspricht, und wobei eine Lichteintrittsfläche (12) des Lichtleiters parallel zu der Hauptausbreitungsrichtung (16) des Lichtes im Lichtleiter nach erfolgter Umlenkung ausgerichtet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung eines Lichtleiters und einer Lichtquelle, wobei der Lichtleiter eine Lichteintrittsfläche und eine Umlenkfläche aufweist, welche Umlenkfläche dazu eingerichtet ist, über die Lichteintrittsfläche eingekoppeltes und auf die Umlenkfläche einfallendes Licht der Lichtquelle in eine Hauptausbreitungsrichtung umzulenken, mit der das Licht im Lichtleiter nach der Umlenkung propagiert, wobei ein erster Winkel, den das Lot der Umlenkfläche für jeden ihrer Punkte, auf den Strahlen des eingekoppelten Lichtes einfallen, mit jedem in diesem Punkt einfallenden Lichtstrahl des Lichtes bildet, mindestens genauso groß ist, wie ein zweiter Winkel, den dieser Lichtstrahl mit der Normalen einer logarithmischen Spirale bildet und der mindestens so groß ist, wie der Grenzwinkel der internen Totalreflektion des Lichtleiters. Eine solche Anordnung ist aus der US 4 631 642 A bekannt. Aus der FR 2 806 049 A1 ist ein vierarmiger transparenter Körper bekannt. Die vier Arme besitzen einen zylindrischen Querschnitt und ein gemeinsames Ende, an dem eine Lichtaustrittsfläche liegt. Jeder Arm besitzt an seinem dem gemeinsamen Ende abgewandten Ende eine Lichteintrittsfläche, die eine Bildmaske trägt. Licht einer Lichtquelle wird jeweils durch einen Reflektor gebündelt und als paralleles Licht durch die Maske in den jeweiligen Arm eingekoppelt. Je nach dem, welche Lichtquelle eingeschaltet ist, erscheint das Bild der von ihr beleuchteten Bildmaske auf der Lichtaustrittsfläche. Innerhalb der Arme erfährt das eingekoppelte Licht eine interne Totalreflektion. Die reflektierende Fläche ist dabei entweder eben oder sie weist eine Krümmung entsprechend einer logarithmischen Spirale auf.
Lichtleiter sind transparente Festkörper, in denen dort propagierendes Licht interne Totalreflexionen an sogenannten Transportwänden des Lichtleiters erfährt.
Dies unterscheidet Lichtleiter zum Beispiel von Linsen, die auch transparente Festkörper sind. Bei Linsen erfolgen Richtungsänderungen des Lichtes in der Regel nur durch die an der Lichteintrittsfläche und der Lichtaustrittsfläche erfolgende Brechung, aber nicht durch interne Totalreflexionen. Eine Zwischenstellung zwischen Lichtleitern und Linsen nehmen sogenannte Vorsatzoptiken aus Licht leitendem Material ein. Diese dienen in Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtungen in der Regel dazu, Licht einer Halbleiterlichtquelle zu fokussieren oder zu parallelisieren, wobei ein zentraler Bereich des in die Vorsatzoptik eingekoppelten Lichtes die Vorsatzoptik wie eine Linse durchläuft, also beim Lichteintritt und Lichtaustritt je einmal gebrochen wird, während ein peripherer Bereich des eingekoppelten Lichtbündels zusätzlich noch eine oder mehrerer interne Totalreflexionen an seitlichen Grenzflächen der Vorsatzoptik erfährt.
Ein Lichtleiter der eingangs genannten Art weist eine Lichteintrittsfläche und eine Umlenkfläche auf, die dazu eingerichtet ist, über die Lichteintrittsfläche eingekoppeltes und auf die Umlenkfläche einfallendes Licht umzulenken.
Dies gilt für Licht, welches sich von einem Ort auszubreiten scheint, der außerhalb des Lichtleiters im Lichtweg vor der Lichteintrittsfläche gerade dort liegt, wo eine punktförmige Lichtquelle dasselbe Lichtbündel erzeugen würde, wenn das Licht keine Brechung an der Lichteintrittsfläche erfahren würde.
In der Realität erfährt das Licht natürlich eine Brechung beim Übergang von der optisch dünneren Luft, die eine reale Lichtquelle umgibt, zu dem optisch dichteren Lichtleitermaterial.
Ein solcher Lichtleiter, bei dem das Licht längs einer Hauptausbreitungsrichtung des Lichtes im Lichtleiter transportiert wird und bei dem das Licht vor der an der Umlenkfläche erfolgenden Umlenkung zunächst eingekoppelt wird, ist per se bekannt.
In der Regel erfolgt die Einkopplung über eine Stirnfläche des Lichtleiters. Die Umlenkfläche ist in der Regel ein Flächenelement in einer Transportfläche des Lichtleiters, das gegenüber der Transportfläche so verkippt ist, dass dort einfallendes Licht steil auf eine Transportwand umgelenkt wird, so dass es aufgrund des steilen Lichteinfalls dort keine interne Totalreflexion mehr erfährt, sondern ausgekoppelt wird.
Die Einkopplung über die Stirnfläche geht mit einer Reihe von Nachteilen einher, die im Einzelnen weiter unten noch näher erläutert werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe eines Lichtleiters, der diese Nachteile nicht oder allenfalls nur in einem verringerten Ausmaß aufweist.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dieser unterscheidet sich von dem eingangs genannten Stand der Technik dadurch, dass die Lichtquelle eine Leuchtdiode ist, dass die erste optisch aktive Fläche, auf die die von dem Chip der Leuchtdiode ausgehenden Lichtstrahlen treffen, die Lichteintrittsfläche ist, dass die Lichteintrittsfläche eine ebene Fläche ist und dass eine Lichteintrittsfläche des Lichtleiters parallel zu der Hauptausbreitungsrichtung des Lichtes im Lichtleiter nach erfolgter Umlenkung ausgerichtet ist.
Es wird also eine Anordnung eines Lichtleiters und einer Lichtquelle vorgestellt, der eine Lichteintrittsfläche und eine Umlenkfläche besitzt. Die Umlenkfläche ist dazu eingerichtet, Licht der Lichtquelle, das auf die Umlenkfläche einfällt, in eine vorbestimmte Hauptausbreitungsrichtung des Lichtes umzulenken.
Die Umlenkfläche zeichnet sich dadurch aus, dass ihr Lot für jeden ihrer Punkte, auf den Licht der Lichtquelle einfällt, mit dem dort einfallenden Licht einen Winkel bildet, der größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion des Lichtleiters. Darüber hinaus ist der Winkel auch größer als oder gleich dem Winkel zwischen einer Polgeraden einer bestimmten logarithmischen Spirale und dem Lot.
Das Lichtbündel zeichnet sich dadurch aus, dass es sich von einem Ursprungspunkt Punkt aus auszubreiten scheint, der im Lichtweg vor der Lichteintrittsfläche und damit außerhalb des Lichtleiters liegt. Der Pol der logarithmischen Spirale liegt in der Hauptausbreitungsrichtung des an der Umlenkfläche umgelenkten Lichtes hinter dem Ursprungspunkt. Bei einer als punktförmig zu betrachtenden Lichtquelle liegt der Pol bevorzugt in dem Ursprungspunkt. Bei Lichtquellen, deren Lichtaustrittsfläche nicht mehr als punktförmig betrachtet werden kann, liegt der Pol bevorzugt hinter dem Ursprungspunkt. Dadurch wird sichergestellt, dass auch Strahlen von Rändern der Lichtaustrittsfläche noch interne Totalreflexionen an der Umlenkfläche erfahren und daher nicht unerwünscht ausgekoppelt werden.
Die logarithmische Spirale hat die Eigenschaft, dass sich der Abstand von Punkten auf der Spirale zu dem auch als Pol bezeichneten Ursprungspunkt der Spirale mit jeder Umdrehung um denselben Faktor vergrößert. Jede Gerade durch den Pol schneidet die Spirale stets unter dem gleichen Winkel. Aus diesem Grund wird die logarithmische Spirale auch gleichwinklige Spirale genannt.
Dadurch, dass der erste Winkel, den das Lot der Umlenkfläche für jeden ihrer Punkte, auf den Strahlen des Lichtbündels einfallen, mit dem in diesem Punkt einfallenden Lichtstrahl bildet, mindestens genauso groß wie ein zweiter Winkel, den dieser Lichtstrahl mit der Normalen einer logarithmischen Spirale bildet, deren Pol in dem Punkt liegt und der mindestens so groß wie der Grenzwinkel der internen Totalreflexion des Lichtleiters ist, erfährt dieses Licht an der Umlenkfläche interne Totalreflexionen. Dies gilt für alle Lichtstrahlen, die sich von einem Ursprungspunkt aus auszubreiten scheinen, der in der Hauptausbreitungsrichtung des an der Umlenkfläche umgelenkten Lichtes im oder vor dem Pol der logarithmischen Spirale befinden.
Diese logarithmische Spirale ist nämlich genauso definiert, dass dann, wenn die Umlenkfläche eine durch diese Spirale definierte Kontur aufweist, bereits an einer solchen Umlenkfläche nur interne Totalreflexionen für das so definierte Licht auftreten. Dabei bildet die Spirale, deren Normale mit einem solchen Lichtstrahl einen zweiten Winkel einschließt, der genau dem Grenzwinkel der internen Totalreflexion entspricht, gewissermaßen eine Grenzspirale. Umlenkflächen, deren Normale mit diesem Lichtstahl einen kleineren Winkel einschließen, würden Licht durch Transmission auskoppeln lassen, was die angestrebte Funktion als Umlenkfläche beeinträchtigen würde.
Andererseits würden an jeder Umlenkfläche, deren Normale mit diesem Licht einen größeren Winkel als den Grenzwinkel der internen Totalreflexion einschließt, ausschließlich interne Totalreflexionen auftreten, was erwünscht ist. Je größer der genannte Winkel im Vergleich zum Grenzwinkel ist, desto ausgedehnter müsste auch der Lichtleiter sein, um ein vorgegebenes Lichtbündel definiert umzulenken. Die Erfindung erlaubt also insbesondere einen Entwurf von Lichtleitern, die keine durch unerwünschte Transmission an einer Umlenkfläche bedingten Verluste hervorrufen, wobei andererseits übermäßig dicke Lichtleiter, mit denen sich solche Verluste ebenfalls vermeiden lassen, auch vermieden werden können.
Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Lichteintrittsfläche des Lichtleiters parallel zu der Hauptausbreitungsrichtung des Lichtes im Lichtleiter nach erfolgter Umlenkung ausgerichtet ist.
Bevorzugt ist auch, dass die logarithmische Spirale in Polarkoordinaten durch Gleichungen der Form r = r₀·exp(a·φ) mit positiven reellen Zahlen r₀ und a beschrieben wird.
Ferner ist bevorzugt, dass der Faktor a im Exponenten der Exponentialfunktion gleich dem Tangens des Grenzwinkels der Totalreflexion ist.
Bevorzugt ist auch, dass der Pol der logarithmischen Spirale um wenigstens eine halbe Länge einer das in den Lichtleiter einzukoppelnde Licht emittierenden Lichtquelle hinter dem Ursprungspunkt liegt.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass als Umlenkfläche eine Fläche verwendet wird, die von einer logarithmischen Spirale definiert wird, deren Schnittwinkel mit den vom Pol der logarithmischen Spirale kommenden Strahlen größer oder gleich dem Grenzwinkel der Totalreflexion sind.
Bevorzugt ist auch, dass eine Fläche als Umlenkfläche verwendet wird, die von den Lichtstrahlen unter einem günstigeren Winkel getroffen wird, als dem, unter dem sie eine Grenzspirale treffen würden, an der gerade noch eine interne Totalreflexion erfolgt, wobei unter einem günstigeren Winkel hier ein interne Totalreflexionen begünstigender Winkel, also ein größerer Winkel verstanden wird.
Ferner ist bevorzugt, dass als Umlenkfläche eine Fläche verwendet wird, die sich durch eine Kombination solcher Flächen ergibt.
Bevorzugt ist auch, dass eine Stirnfläche des Lichtleiters als Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters dient und der Umlenkfläche gegenüber liegt, wobei die Umlenkfläche und die Lichtaustrittsfläche durch zwischen ihnen liegende Transportflächen voneinander getrennt sind.
Ferner ist bevorzugt, dass der Lichtleiter in seiner Fläche wenigstens eine Öffnung aufweist, die eine zusätzliche Berandung des Lichtleiters erzeugt und von der ein Teil als Umlenkfläche ausgestaltet ist, die dazu eingerichtet ist, über die Lichteistrittsfläche eingekoppeltes und auf die Umlenkfläche einfallendes Licht einer Lichtquelle, das sich von einem Ursprungspunkt aus auszubreiten scheint, in eine Hauptausbreitungsrichtung umzulenken, mit der das Licht im Lichtleiter nach der Umlenkung propagiert, wobei ein erster Winkel, den das Lot der Umlenkfläche für jeden ihrer Punkte, auf den Strahlen des eingekoppelten Lichtes einfallen, mit jedem in diesem Punkt einfallenden Lichtstrahl des Lichtes bildet, mindestens genauso groß ist wie ein zweiter Winkel, den dieser Lichtstrahl mit der Normalen einer logarithmischen Spirale bildet, deren Pol in der Hauptausbreitungsrichtung in dem Ursprungspunkt oder hinter dem Ursprungspunkt liegt und der mindestens so groß ist wie der Grenzwinkel der internen Totalreflexion des Lichtleiters.
Weitere Vorteile ergeben sich aus Unteransprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
1 einen bekannten Lichtleiter zusammen mit einer Leuchtdiode;
2 eine bekannte Anordnung eines flächigen Lichtleiters und mehrerer Leuchtdioden;
3 eine weitere, ebenfalls bekannte Alternative zur Anordnung aus der 2;
4 den Einfluss der Form einer Lichteintritts-Stirnfläche eines Lichtleiters auf den eingekoppelten Lichtstrom;
5 zeigt eine erste Anordnung einer Leuchtdiode vor einer Stirnfläche eines Lichtleiters;
6 zeigt eine aufgrund von Lagetoleranzen leicht veränderte Anordnung der Leuchtdiode vor dem Lichtleiter;
7 die Lage einer Lichteintrittsfläche des Lichtleiters relativ zu einer Hauptausbreitung des Lichtes im Lichtleiter bei einer bevorzugten Ausgestaltung;
8 eine logarithmische Spirale;
9 eine solche Spirale und zwei von ihrem Pol ausgehende Strahlen;
10 den Lichtleiter aus der 7 mit einer Umlenkfläche, die durch die Spirale aus der 9 berandet wird;
11 den Lichtleiter aus der 10 zusammen mit Lichtstrahlen einer nicht punktförmigen Lichtquelle;
12 einen Vergleich einer von einer Spirale und einer von einer Parabel berandeten Umlenkfläche;
13 eine der 12 entsprechende Anordnung mit einer ebenen Umlenkfläche;
14 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lichtleiters;
15 einen Vertikalschnitt durch eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lichtleiters im Bereich der Lichteinkopplung und Umlenkung;
16 eine Draufsicht und eine Schrägansicht eines längs einer Geraden extrudierten Lichtleiters;
17 eine Draufsicht und eine Schrägansicht eines längs einer Parabel extrudierten Lichtleiters;
18 eine Draufsicht und eine Schrägansicht eines Lichtleiters, der durch Rotation um eine Achse erzeugt wird;
19 einen vertikalen Schnitt durch den Einkoppelbereich des an einer Parabel entlang gezogenen Lichtleiters aus 17;
20 den Gegenstand der 19, wobei ein Teil des Lichtleitervolumens entfernt worden ist.
21 eine Draufsicht und eine Schrägansicht eines Lichtleiters, der durch Extrudieren eines Vertikalschnitts entlang zweier, gegeneinander verdrehter Parabeln erzeugt wird;
22 einen flächigen Lichtleiter, bei dem mehrere Umlenkflächen aneinander anschließend nebeneinander liegen;
23 eine weitere Ausgestaltung eines flächigen Lichtleiters; und
24 eine Anordnung eines Lichtleiters mit einer Zuleitung aus Licht leitendem Material.
Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Figuren jeweils gleiche oder zumindest ihrer Funktion nach gleiche Elemente.
1 zeigt einen bekannten Lichtleiter 1, durch dessen Stirnfläche das Licht, das von einer Leuchtdiode 2 als Lichtquelle abgestrahlt wird, in den Lichtleiter eindringt, um dort durch interne Totalreflexionen an den als Transportflächen 3 dienenden seitlichen Grenzflächen weitergeleitet zu werden. Die als Lichteintrittsfläche dienende Stirnfläche ist dabei parallel zu der Hauptausbreitungsrichtung 4 des eingekoppelten Lichtes im Lichtleiter angeordnet.
2 zeigt eine auch als bekannt vorausgesetzte Anordnung eines flächigen Lichtleiters 5, der eine gekrümmte Lichteintrittsfläche 6 aufweist, und mehrere Leuchtdioden 2.
Soll durch diese Lichteintrittsfläche das Licht mehrerer (hier drei) Leuchtdioden eingekoppelt werden, so können diese Leuchtdioden nicht mehr auf einer gemeinsamen ebenen und starren Platine angeordnet werden. Stattdessen könnte jede Leuchtdiode mit einer eigenen Platine 7 gekoppelt werden. Die Verwendung mehrerer einzelner Platinen führt jedoch zu einer unerwünscht hohen Zahl von Teilen und elektrischen und mechanischen Verbindungen, was die Fehleranfälligkeit erhöht und auch die Produktionskosten nach oben treibt.
Als Alternative zu einer Verwendung von mehreren einzelnen Platinen kann auch eine flexible Leiterplatte verwendet werden, auf der alle Leuchtdioden angeordnet sind.
Flexible Platinen sind jedoch im Vergleich zu starren und ebenen Platinen teurer und schlechter handhabbar.
3 zeigt eine weitere bekannte Alternative. Durch eine Verwendung seitlich abstrahlender Leuchtdioden 8 kann eine einzelne starre und ebene Platine 9 zu Befestigung und elektrischen Kontaktierung der Leuchtdioden verwendet werden. Leuchtdioden weisen eine Lötfläche auf, mit der sie auf der Platine befestigt werden. Bei solchen seitlich abstrahlenden Leuchtdioden ist der Licht emittierende Chip so ins Gehäuse eingefügt, dass der Lichtaustritt aus einer zur Lötfläche benachbarten Fläche erfolgt. Bei sogenannten Standard-Leuchtdioden sitzt der Chip in der Fläche, die der Lötfläche der Leuchtdiode gegenüber liegt. Da seitlich abstrahlende Leuchtdioden selten verwendet werden, ist die Vielfalt verfügbarer Typen solcher Leuchtdioden jedoch sehr stark eingeschränkt, und der auf den Lichtstrom normierte Preis liegt höher als bei Standard-Leuchtdioden.
4 zeigt den Einfluss der Form einer Lichteintritts-Stirnfläche eines Lichtleiters 1 auf den eingekoppelten Lichtstrom. Grundsätzlich wählt man bei der in der 4 dargestellten Anordnung den Abstand zwischen der Leuchtdiode 2 und der Lichteintrittsfläche 10 möglichst gering, was hier bedeutet, dass der Abstand nur wenige Zehntelmillimeter beträgt. Eine untere Grenze für den Abstand ergibt sich dabei durch die Forderung, dass eine thermische Zerstörung der Lichteintrittsfläche des Lichtleiters vermieden werden muss. Je geringer der Abstand ist, desto größer ist der Anteil des von der Leuchtdiode abgestrahlten Lichtes, der über die Lichteintrittsfläche in den Lichtleiter eingekoppelt wird.
Die Verwendung eines möglichst kleinen Abstandes führt jedoch dazu, dass die Lichteintrittsfläche nur sehr eingeschränkt dazu verwendet werden kann, das Lichtbündel im Lichtleiter zu formen.
Einen ersten Grund hierfür demonstriert die 4, die in einer Figur sowohl eine ebene Lichteintrittsfläche 10a als auch eine konvex gewölbte Lichteintrittsfläche 10b zusammen mit einer Leuchtdiode 2 zeigt. Die gestrichelten Linien, die von einem mittleren Punkt der Leuchtdiode ausgehen und die jeweilige Lichteintrittsfläche berühren, markieren die äußersten Grenzen des jeweiligen Lichtbündels, das über die Lichteintrittsfläche in den Lichtleiter eingekoppelt werden kann. Das von der Lichtquelle emittierte Lichtbündel erfasst, da eine ebene Lichtaustrittsfläche einer Leuchtdiode als Lambertstrahler betrachtet werden kann, einen ganzen Halbraum. Die gestrichelt dargestellten Lichtbündel stellen daher nur Anteile an dem von der Lichtquelle emittierten Licht dar. Im Fall der ebenen Lichteintrittsfläche ergibt sich ein breiteres Lichtbündel, das in den Lichtleiter eingekoppelt wird als im Fall der konvex gewölbten Lichteintrittsfläche.
Das bedeutet, dass man durch den Übergang von der ebenen Eintrittsfläche 10a zur konvex gekrümmten Eintrittsfläche 10b einen nicht unerheblichen Anteil an Licht verliert, weil Licht am Lichtleiter vorbei geht und damit nicht eingekoppelt wird.
Die 5 und 6 verdeutlichen den Einfluss von Lagetoleranzen einer Anordnung einer Leuchtdiode 2 vor einer gewölbten Lichteintritts-Stirnfläche 10b eines Lichtleiters 1 auf die weitere Ausbreitung des Lichtes in dem Lichtleiter.
5 zeigt insbesondere einen in gedanklich einen in drei Drittel a, b und c aufgeteilten Chip einer Leuchtdiode 2, der einen beliebigen Punkt auf der konvex gekrümmten Eintrittsfläche 10b des Lichtleiters 1 beleuchtet. 6 zeigt eine vergleichbare Anordnung, bei der die Leuchtdiode 2 aufgrund von Lagetoleranzen um ein Drittel der Chiplänge, die typischerweise 1 mm beträgt, nach rechts verschoben ist. In dieser verschobenen Anordnung beleuchten die Drittel b und c denselben Punkt wie in der 5 in unveränderter Weise. Das vom Drittel a aus der 5 abgegebene Bündel wird jedoch beim Gegenstand der 6 durch das Drittel d ersetzt. Da die Winkel, unter denen die Bereiche a und d jeweils denselben Punkt anstrahlen, sehr unterschiedlich sind, ist auch der weitere Weg, den das über diesen Punkt eingekoppelte Licht im Lichtleiter 1 nimmt, in beiden Fällen sehr unterschiedlich. Dieselbe Überlegung gilt für jeden Punkt auf der konvexen Fläche. Als Folge ergibt sich insgesamt, dass die Lagetoleranz zwischen einer Leuchtdiode und einer gekrümmten Lichteintrittsfläche sehr genau eingehalten werden muss, wenn sich das Licht im Lichtleiter 1 in definierter Weise ausbreiten soll. Dies ist zum Beispiel bei Lichtleitern von Kraftahrzeugbeleuchtungseinrichtungen der Fall, die definierte und gesetzeskonforme Lichtverteilungen erzeugen müssen.
Allgemein gilt, das bei einer Lageungenauigkeit, die einem Wert der durch eine Zahl k geteilten Chiplänge entspricht, ein Anteil (k – 1)/k des Lichts sich wie geplant ausbreitet, während sich der restliche Anteil 1/k auf anderen Wegen im Lichtleiter ausbreitet. Für k = 10 und eine Chiplänge von 1 mm ergibt sich zum Beispiel eine Lageungenauigkeit von einem Zehntel mm und ein Anteil von einem Zehntel am eingekoppelten Licht, der sich ungeplant ausbreitet.
Dabei ist gegebenenfalls zu berücksichtigen, dass die Winkelabweichung abnimmt, wenn der Abstand des Chips zur Eintrittsfläche vergrößert wird. Typische Werte für die in den 5 und 6 dargestellten Anordnungen betragen 1 mm für die Chiplänge, während der kleinste Abstand des Chips zur Eintrittsfläche 0,5 mm und die Breite des Lichtleiters 3 mm beträgt.
7 veranschaulicht die Lage einer Lichteintrittsfläche des Lichtleiters relativ zu einer Hauptausbreitung des Lichtes im Lichtleiter bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung. Bei der vorliegenden Erfindung wird das Licht einer Leuchtdiode 2 bevorzugt über eine Lichteintrittsfläche 12 eines Lichtleiters 14 eingekoppelt, die parallel zu einer Hauptausbreitungsrichtung 16 liegt, mit der das Licht nach der an einer in der 7 noch nicht dargestellten Umlenkfläche erfolgenden Umlenkung im Lichtleiter weiter propagiert.
Der maximale Winkel α, den ein eingekoppeltes Bündel 18 nach der Einkopplung in den Lichtleiter aufweisen kann, entspricht dem doppelten Grenzwinkel der Totalreflexion. Dieser Grenzfall gilt für den Fall des streifenden Einfalls der das Bündel außerhalb des Lichtleiters begrenzenden Strahlen. In allen anderen Fällen berechnet sich die maximale Bündelöffnung im Material anhand des Brechungsgesetzes aus dem Öffnungswinkel, den das Bündel vor der Einkopplung in den Lichtleiter in der Luft besitzt.
Die Kenntnis dieses Winkels erlaubt es, für jeden Strahl des Bündels ein Flächenelement der Umlenkfläche zu bestimmen, an dem dieser Strahl unter Ausnutzung der internen Totalreflexion in die gewünschte Weiterleitungsrichtung umgelenkt wird.
Die Bestimmung dieses Flächenelements erfolgt im Rahmen der Erfindung dadurch, dass ein erster Winkel und ein zweiter Winkel bestimmt wird, die die folgenden Bedingungen erfüllen:
Der erste Winkel wird von dem Lot der Umlenkfläche für jeden ihrer Punkte, auf den Strahlen des eingekoppelten Lichtes einfallen, mit jedem in diesem Punkt einfallenden Lichtstrahl des Lichtes gebildet. Dieser erste Winkel ist mindestens genauso groß wie ein zweiter Winkel, den dieser Lichtstrahl mit der Normalen einer logarithmischen Spirale bildet, deren Pol in der Hauptausbreitungsrichtung in dem Ursprungspunkt oder hinter dem Ursprungspunkt liegt und der mindestens so groß ist wie der Grenzwinkel der internen Totalreflexion des Lichtleiters.
8 zeigt eine solche logarithmische Spirale 19. Diese Spiralart wird in Polarkoordinaten durch Gleichungen der Form r = r₀·exp(a·φ) mit positiven reellen Zahlen r₀ und a beschrieben. Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Faktor a im Exponenten gleich dem Tangens des Grenzwinkels der Totalreflexion ist. Dann ist sichergestellt, dass Polstrahlen dieser Spirale an jedem Punkt der durch diese Spirale definierten Umlenkfläche interne Totalreflexionen erfahren. Bei einer logarithmischen Spirale wächst der Radius exponentiell mit dem Polarwinkel. Umgekehrt hängt der Polarwinkel logarithmisch vom Radius ab und man spricht daher von einer logarithmischen Spirale. Der Faktor r₀ ist der Radius eines Anfangspunktes auf der Polarachse. Durch eine geeignete Änderung des Maßstabs kann man immer r₀ = 1 erreichen. Von diesem Punkt laufen die Windungen über positive und negative Polarwinkel nach außen und innen. Der Windungsabstand nimmt dabei mit wachsender Entfernung zum Zentrum zu. Die logarithmische Spirale vergrößert den Abstand zu ihrem Mittelpunkt, dem Pol 20, mit jeder Umdrehung um denselben Faktor. Jede Gerade durch den Pol schneidet die Spirale stets unter dem gleichen Winkel.
Die zu verwendende logarithmische Spirale zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass ihr Pol im scheinbaren Ausgangspunkt des Strahlenbündels liegt und dass sie so gewählt wird, dass die scheinbar vom Pol ausgehenden Strahlen an Flächenelementen der Umlenkfläche, die die Bedingungen für den ersten Winkel und den zweiten Winkel erfüllen, an diesen Flächenelementen interne Totalreflexionen erfahren. Beim Auftreffen auf die Spirale bilden diese Strahlen also mit dem Lot des jeweiligen Flächenelements jeweils einen ersten Winkel, der größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion ist.
8 zeigt darüber hinaus eine Tangente 22.t an eine Umlenkfläche in einem Punkt der Umlenkfläche, der von einem Polstrahl 26 getroffen wird. Der Polstrahl 26 schließt mit der Normalen 22.n der Umlenkfläche in diesem Punkt einen ersten Winkel 23 ein.
8 zeigt auch eine Tangente 19.t an die Spirale 19 in einem Punkt der Spirale, der von dem Polstrahl 26 geschnitten wird. Der Polstrahl 26 schließt mit der Normalen 19.n der Spirale in diesem Punkt einen zweiten Winkel 25 ein.
Dabei ist der erste Winkel 23, den das Lot 22.n der Umlenkfläche für jeden ihrer Punkte, auf den Strahlen 26 des eingekoppelten Lichtes einfallen, mit jedem in diesem Punkt einfallenden Lichtstrahl des Lichtes bildet, mindestens genauso groß wie der zweite Winkel 25, den dieser Lichtstrahl mit der Normalen 19.t einer logarithmischen Spirale 19.t bildet, deren Pol in der Hauptausbreitungsrichtung 16 in dem (scheinbaren) Ursprungspunkt oder hinter dem (scheinbaren) Ursprungspunkt des Lichtes liegt und der mindestens so groß ist wie der Grenzwinkel der internen Totalreflexion des Lichtleiters.
9 zeigt eine solche Spirale 19 und zwei aufgrund der Brechung scheinbar vom Pol 20 der Spirale ausgehende Strahlen, die jeweils gestrichelt dargestellt sind. Hier fallen also der Pol 20 und der scheinbare Ursprungspunkt der Lichtstrahlen zusammen. Die Spirale bildet den Rand eines Lichtleiters, wobei das Lichtleitermaterial rechts von der Spirale liegt. Links von der Spirale befindet sich Umgebungsluft. Im jeweiligen Auftreffpunkt der Strahlen ist links von der Spirale 19 die Normale auf die von der Spirale definierte Grenzfläche des Lichtleiters eingezeichnet. Die Grenzfläche stellt hier eine Umlenkfläche dar. Da beide Strahlen vom Pol ausgehen, treffen sie unter dem gleichen Winkel relativ zur jeweiligen Normalen auf die logarithmische Spirale. Wenn dieser Winkel größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion, erfahren sie an der Grenzfläche interne Totalreflexionen und werden so an der Umlenkfläche innerhalb des Lichtleiters umgelenkt.
10 zeigt die Anordnung eines Lichtleiters und einer Leuchtdiode aus der 7 zusammen mit einer Umlenkfläche des Lichtleiters, die durch die Spirale 19 aus der 9 berandet wird. Drei vom Mittelpunkt des Chips der Leuchtdiode 2 ausgehende Strahlen werden an der die Lichteintrittsfläche 12 bildenden Grenzfläche des Lichtleiters 14 zur umgebenden Luft so gebrochen, dass sie scheinbar von einem Ursprungspunkt ausgehen, der dem Pol 20 der Spirale entspricht. Die Auswahl der für eine konkrete Anordnung eines Lichtleiters und einer Leuchtdiode 2 sowie einer beabsichtigten Umlenkung passenden Spirale 19 wird durch den Umstand erleichtert, dass das Bündel im Lichtleiter vor und nach der Reflexion denselben Öffnungswinkel aufweist. Der von der Lichteintrittsfläche aus auf die Umlenkfläche einfallende Mittelstrahl 24 des Bündels 18 muss auf eine um 45° zu diesem Strahl geneigte Fläche treffen, um eine hier gewünschte Umlenkung um 90° nach rechts zu erfahren. Man benutzt also die 45°-Spirale, und rotiert und skaliert diese solange, bis sie das gesamte umzulenkende Bündel 18, das einen Öffnungswinkel α besitzt, innerhalb des vorgegebenen Lichtleitervolumens durchschneidet.
Würde man hier an Stelle einer 45°-Spirale eine 50°-Spirale verwenden, würde der Mittelstrahl 24 und, wegen der Erhaltung des Bündelöffnungswinkels α bei der Reflexion eines Polbündels an der Spirale 19, auch das ganze übrige Bündel 18 nicht wie bei der 45°-Spirale um 2 × 45° = 90°, sondern um 2 × 50° = 100° umgelenkt werden. Falls sich das Bündel 18 nach der Umlenkung um 100° symmetrisch im Lichtleiter weiterbewegen soll, müsste der Lichtleiter 14 in 10 dann nicht horizontal nach rechts weiterverlaufen, sondern um 10° nach oben geneigt sein.
Will man aber auf jeden Fall den horizontalen Verlauf des Lichtleiters 14 erzwingen, kann man den Flächenbereich, über den das Licht der Leuchtdiode 2 unter Brechung in den Lichtleiter 14 eingekoppelt wird, so um 10° gegenüber der Hauptausbreitungsrichtung des umgelenkten Lichtes im Lichtleiter verkippen, dass der dann für die gewünschte symmetrische weitere Ausbreitung benötigte Umlenkwinkel gerade 100° beträgt, was eben gerade die 50°-Spirale leistet. Dasselbe gilt natürlich auch für Spiralen mit kleineren Auftreffwinkeln. Allerdings gerät man mit kleiner werdenden Auftreffwinkeln zwischen Strahl und Lot schnell in die Nähe des Grenzwinkels der Totalreflexion oder über diesen hinaus, sodass die Funktion des Systems eingeschränkt wird oder gar ganz verloren geht. Der Grenzwinkel der Totalreflexion beträgt für PMMA etwa 42° und für PC etwa 39°.
11 zeigt den Lichtleiter aus der 10 zusammen mit einem der dort dargestellten Lichtstrahlen und einem weiteren Strahl. Der bereits in der 10 und auch in der 11 gestrichelt dargestellte Strahl ist ein Polstrahl 26, den zum Beispiel eine punktförmige Lichtquelle liefern würde. Reale Leuchtdioden 2 sind jedoch in diesem Zusammenhang keine punktförmigen Lichtquellen, sondern sie besitzen eine Lichtaustrittsfläche mit einer gewissen Größe. Wenn die Umlenkfläche 22 des Lichtleiters, deren Krümmung von der Spirale 19 definiert wird, gerade so gewählt wurde, dass die Lichtstrahlen aus der Mitte des Chips der Leuchtdiode, also auch der Polstrahl 26, exakt unter dem Grenzwinkel der Totalreflexion auf die Spirale 19 fallen, dann verletzt zum Beispiel ein von einem Rand des Chips abgegebener und in der 11 durchgezogen dargestellter Randstrahl 28 bereits die Bedingung für interne Totalreflexionen und tritt aus dem Lichtleiter 19 aus.
Um dies zu vermeiden sieht eine bevorzugte Ausgestaltung die Verwendung eines Materials mit einem höherem Brechungsindex vor. Das bedeutet, dass beim Entwurf des Lichtleiters in zwei Schritten vorgegangen wird. Zunächst wird in einem ersten Schritt eine Spirale für eine vorgegebene Anordnung eines Lichtleiters 14 und einer Leuchtdiode 2 und eines aus der Mitte der Lichtaustrittsfläche der Leuchtdiode austretenden Strahls, beziehungsweise eines von einer punktförmigen Lichtquelle ausgehenden Strahls für ein erstes Lichtleitermaterial bestimmt. Dann wird in einem zweiten Schritt das erste Lichtleitermaterial durch ein zweites Lichtleitermaterial ersetzt, wobei das zweite Lichtleitermaterial einen höheren Brechungsindex aufweist als das erste Lichtleitermaterial.
Alternativ oder ergänzend ist bevorzugt, dass eine Spirale, 19 als Winkel zwischen Polstrahlen und dem Lot auf die Spirale einen Winkel aufweist, der mindestens so groß ist wie die Summe aus dem Grenzwinkel der Totalreflexion und der größtmöglichen Winkelabweichung nach der 11. Das bedeutet, dass die Spirale 19 letztlich für den Punkt der Lichtaustrittsfläche einer Leuchtdiode 2 ausgewählt wird, dessen Strahl bei einer vorgegebenen Anordnung eines Lichtleiters 14 und einer Leuchtdiode 2 steiler auf einen gegebenen Punkt der Umlenkfläche 22 des Lichtleiters 14 auftrifft als von anderen Punkten der Lichtaustrittsfläche ausgehende Strahlen. Der Pol der logarithmischen Spirale liegt dann in der Hauptausbreitungsrichtung des im Lichtleiter umgelenkten Lichtes hinter dem Ursprungspunkt, aus dem das Licht der Lichtquelle zu kommen scheint.
Eine weitere alternativ oder ergänzend bevorzugte Ausgestaltung sieht wieder vor, dass beim Entwurf des Lichtleiters in zwei Schritten vorgegangen wird. Zunächst wird in einem ersten Schritt eine Spirale für eine vorgegebene Anordnung eines Lichtleiters und einer Leuchtdiode und eines aus der Mitte der Lichtaustrittsfläche der Leuchtdiode austretenden Strahls, beziehungsweise eines von einer punktförmigen Lichtquelle ausgehenden Strahls bestimmt. Dann wird in einem zweiten Schritt die Anordnung so verändert, dass die Leuchtdiode bei der veränderten Anordnung längs der Lichteistrittsfläche 12 des Lichtleiters 14 verschoben wird, wobei die Verschiebung so erfolgt, dass die von der Leuchtdiode 2 ausgehenden Lichtstrahlen nach der Verschiebung auf stärker gekrümmte Abschnitte der von der Spirale 19 definierten Umlenkfläche 22 einfallen als vor der Verschiebung.
In einer bevorzugten Ausgestaltung scheinen die Lichtstrahlen dann nicht mehr aus dem Pol 20 der Spirale 19 zu kommen, so dass der Pol der Spirale hier gegenüber dem scheinbaren Ursprung der Strahlen längs der Hauptausbreitungsrichtung des umgelenkten Lichtes verschoben ist. Beim Gegenstand der 11 würde eine solche Verschiebung nach links erfolgen, wobei die 11 den Zustand der Anordnung nach dem ersten Schritt zeigt.
Bevorzugt ist auch, dass eine solche Verschiebung um wenigstens eine halbe Länge der Lichtaustrittsfläche erfolgt. Bei einer Verschiebung um diesen Betrag würde der rechte Randstrahl 28 aus der 11 dann dort in den Lichtleiter eintreten, wo beim Gegenstand der 11 der zentrale, gestrichelt dargestellte Polstrahl 26 in den Lichtleiter 14 eintritt.
Innerhalb des Lichtleiters 14 würde der Randstrahl 28 dann auf einen Punkt der Umlenkfläche 22 treffen, bei dem er mit dem Lot 30 auf die Umlenkfläche 22 einen größeren Winkel einschließen würde als in der Lage, die in der 11 dargestellt ist. Bei einer Verschiebung um eine halbe Chiplänge würde sich der Winkel soweit vergrößern, dass in der neuen Lage die Bedingung für eine interne Totalreflexion erfüllt wäre.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht eine Kombination aus diesen drei Möglichkeiten vor.
Im Folgenden soll unter einer Grenzspirale gerade diejenige Spirale 19 verstanden werden, auf welche die Polstrahlen 26 bei einem gegebenen Lichtleitermaterial unter dem Grenzwinkel der Totalreflexion auftreffen. Dabei wird der Grenzwinkel bekanntlich gegen die Normale 30 im Auftreffpunkt des Polstrahls 26 gemessen.
12 zeigt die Grenzspirale und als mögliche Alternative eine im Schnitt parabelförmige Umlenkfläche 34. Weiterhin sind 2 Polstrahlen 36, 38 und in den Auftreffpunkten dieser Strahlen auf der Spirale und der Parabel die jeweiligen Normalen eingezeichnet. Bei dem linken Strahl 36 schließt das Lot auf die Parabel mit dem Strahl 36 einen kleineren Winkel ein als das Lot auf die Spirale mit dem Strahl einschließt. Da der Winkel zur Normalen bei der Parabel in diesem Fall geringer als der Winkel zur Normalen der Grenzspirale ist, wird der linke Strahl 36 an der Parabel keine interne Totalreflexion erfahren. Beim rechten Strahl 38 kehren sich diese Relationen um, so dass der rechte Strahl auch an der Parabel 34 eine interne Totalreflexion erfahren wird.
13 zeigt eine entsprechende Anordnung mit einer ebenen Umlenkfläche 40. Wiederum wird der linke Strahl 36 nicht total reflektiert, da der Winkel zur Normalen kleiner als der Winkel zur Normalen der Grenzspirale 32 ist. Da sich die Verhältnisse beim rechten Strahl 38 vertauschen, wird dieser Strahl an der Ebene 40 reflektiert.
Allgemein kann man wie folgt zusammenfassen: Als Umlenkflächen, die auf der gegenüber Reflexionen an verspiegelten Flächen bevorzugten Totalreflexionen beruhen, werden bevorzugt Flächen verwendet, die von logarithmischen Spiralen definiert werden, deren Schnittwinkel mit den vom Pol kommenden Strahlen größer oder gleich dem Grenzwinkel der Totalreflexion sind. Dabei wird unter dem Schnittwinkel hier jeweils der Winkel zwischen der Flächennormalen und dem Strahl verstanden.
In einer alternativ bevorzugten Ausgestaltung werden Flächen als Umlenkflächen verwendet, die von den Lichtstrahlen unter einem günstigeren Winkel getroffen werden, als dem, unter dem sie die Grenzspirale treffen würden. Dabei wird unter einem günstigeren Winkel hier ein interne Totalreflexionen begünstigender Winkel, also ein größerer Winkel verstanden. Dabei wird bevorzugt der Einfluss der Chipgröße berücksichtigt, wie es in der Beschreibung zu der 11 erläutert worden ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung werden Flächen verwendet, die sich aus einer Kombination der Flächen ergeben, die in den beiden vorhergehenden Absätzen vorgestellt worden sind. Zum Beispiel kann beim Gegenstand der 13 eine Umlenkfläche aus der Spirale und der Ebene auf die folgende Weise zusammengesetzt werden. In dem der Lichteintrittsfläche näheren Bereich der Umlenkfläche besitzt diese die Form einer logarithmischen Spirale mit einem für interne Totalreflexionen hinreichend großen Schnittwinkel mit Polstrahlen. Die Spirale kann dann in einem anschließenden Bereich tangential in eine Ebene übergehen, wobei der anschließende Bereich so definiert ist, dass die dort auftretenden Schnittwinkel mit Polstrahlen ebenfalls größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion sind.
Bei verspiegelten Flächen können alle Flächen verwendet werden, wobei die Chipgröße nicht berücksichtigt werden braucht. Sämtliche Flächen können auch gestuft oder facettiert ausgestaltet sein. Um Abschattungen und Reflexionen in unerwünschte Richtungen und/oder Transmissionen zu vermeiden, ist ein zwischen zwei Stufen liegender Absatz dabei bevorzugt parallel zu diesen Absatz streifenden Polstrahlen ausgerichtet.
14 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lichtleiters 14. Im Einzelnen zeigt die 14 einen Lichtleiter 14 mit einer Lichteintrittsfläche 12 und einer Umlenkfläche 22, die dazu eingerichtet ist, über die Lichteintrittsfläche 12 eingekoppeltes und auf die Umlenkfläche 22 einfallendes Licht umzulenken. Der Lichtleiter 14 wird von n Leuchtdioden 2 mit Licht gespeist, wobei n hier gleich 5 ist, aber auch jede andere natürliche Zahl sein kann.
Der Lichtleiter 14 ist in der dargestellten Ausgestaltung ein Bestandteil einer Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung 42 und im Inneren eines Gehäuses 44 der Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung angeordnet. Das Gehäuse weist eine Lichtaustrittsöffnung auf, die von einer transparenten Abdeckscheibe abgedeckt wird. Eine Stirnfläche des Lichtleiters dient als Lichtaustrittsfläche 46 des Lichtleiters 14 und liegt der Umlenkfläche 22 gegenüber, wobei die Umlenkfläche 22 und die Lichtaustrittsfläche 46 durch zwischen ihnen liegende Transportflächen voneinander getrennt sind. Zwischen der Umlenkfläche 22 und der Lichtaustrittsfläche 46 kann auch eine weitere Umlenkfläche oder mehrere weitere Umlenkflächen angeordnet sein.
Für Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtungen, und so bevorzugt auch hier, werden üblicherweise Leuchtdioden verwendet, die eine viereckige, ebene Lichtaustrittsfläche mit einer Kantenlänge von 0,3 mm bis etwa 2 mm aufweisen. Die Anordnung erfolgt so, dass der Abstand zwischen der Lichtaustrittsfläche der Halbleiterlichtquelle und der Lichteintrittsfläche des Lichtleiters kleiner als 1 mm ist.
Das aus einer der Leuchtdioden 2 zunächst in die umgebende Luft austretende Lichtbündel besitzt eine erste Hauptausbreitungsrichtung. Die Lichtaustrittsflächen der Leuchtdioden liegen bevorzugt parallel zu der Lichteintrittsfläche 12 des Lichtleiters, so dass längs der ersten Hauptausbreitungsrichtung propagierendes Licht senkrecht auf die Lichteintrittsfläche 12 des Lichtleiters 14 auftritt und dort beim Eintritt in den Lichtleiter 14 keine richtungsverändernde Brechung erfährt. Die logarithmische Spirale liegt als ebene Kurve in einer Ebene. Diese gedachte Ebene ist im Lichtleiter so angeordnet, dass sie parallel zu der Richtung des ohne Richtungsveränderung eingekoppelten Lichtes liegt. Zur Abkürzung wird eine derart angeordnete Ebene im Folgenden auch als Vertikalebene, ein längs einer solchen Ebene verlaufender Schnitt als Vertikalschnitt und eine sich in einer solchen Ebene einstellende Lichtverteilung auch als vertikale Lichtverteilung bezeichnet. Analog dazu wird eine zur vertikalen Ebene und zur Richtung des ohne Richtungsänderung in den Lichtleiter 14 eingetretenen Lichtes senkrechte Ebene zur Abkürzung auch als Horizontalebene, ein längs einer solchen Ebene verlaufender Schnitt als Horizontalschnitt und eine sich in einer solchen Ebene einstellende Lichtverteilung auch als horizontale Lichtverteilung bezeichnet. Durch diese Definitionen werden Richtungen für die Anordnung aus einem Lichtleiter 14 und wenigstens einer Leuchtdiode 2 gewissermaßen durch ein an dieser Anordnung festes Koordinatensystem definiert.
Die bisherigen Schnitte, insbesondere die in den 10 bis 13 dargestellten Schnitte, sind in diesem Sinne Vertikalschnitte. Eine Lichtverteilung der Anordnung aus dem Lichtleiter und der wenigstens einen Leuchtdiode ergibt sich aus der Kombination der horizontalen und der vertikalen Lichtverteilungen.
Die Umlenkfläche 22 des Lichtleiters 14 ist in der Ausgestaltung, die in der 14 dargestellt ist, sowohl in der horizontalen Ebene als auch in der vertikalen Ebene gekrümmt. Dabei gilt für die Umlenkfläche 22 insbesondere, dass sie dazu eingerichtet ist, Licht umzulenken, das sich von einem Punkt aus auszubreiten scheint, der außerhalb des Lichtleiters im Lichtweg vor der Lichteintrittsfläche dort liegt, wo eine punktförmige Lichtquelle dasselbe Lichtbündel erzeugen würde, wenn das Licht keine Brechung an der Lichteintrittsfläche erfahren würde. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass ein erster Winkel, den das Lot der Umlenkfläche für jeden ihrer Punkte, auf den Strahlen des Lichtbündels einfallen, mit dem in diesem Punkt einfallenden Lichtstrahl bildet, mindestens genauso groß wie ein zweiten Winkel, den dieser Lichtstrahl mit der Normalen einer logarithmischen Spirale bildet, deren Pol in dem Punkt liegt und der mindestens so groß wie der Grenzwinkel der internen Totalreflexion des Lichtleiters ist.
Der Gegenstand der 14 weist die im Zusammenhang mit den 2 und 3 erwähnten Nachteile nicht auf. Er erlaubt insbesondere die Verwendung einer ebenen und starren Platine 9, was die Zahl von Teilen und Verbindungen reduziert und damit die Fehleranfälligkeit und die Produktionskosten verringert. Außerdem erlaubt der Gegenstand der 14 eine Verwendung von Standard-Leuchtdioden 2 an Stelle von seitlich abstrahlenden Leuchtdioden, was die Vielfalt verfügbarer Typen erhöht und den auf den Lichtstrom normierten Preis verringert.
In weiteren Ausgestaltungen ist nicht nur die Stirnfläche des Lichtleiters 14, die der Umlenkfläche 22 gegenüber liegt, eine Lichtaustrittsfläche. In diesen Ausgestaltungen ist vorgesehen, dass alternativ oder ergänzend auch zwischen der Umlenkfläche und der Stirnfläche liegende Flächen oder Teilbereiche dieser Flächen, dazu eingerichtet sind, Licht auszukoppeln. Allgemein erfolgt eine solche Auskopplung dadurch, dass eine Licht leitende Fläche, an der ohne eine auskoppelnde Modifikation dieser Fläche interne Totalreflexionen auftreten würden, so modifiziert sind, dass die für solche Reflexionen zu erfüllende Grenzwinkelbedingung dort oder beim nächsten Auftreffen des Lichtes auf eine Grenzfläche verletzt wird. Dies kann durch eine (jeweils gegebenenfalls bereichsweise erfolgende) Aufrauhung oder durch eine Lackierung der Grenzfläche erfolgen. Alternativ oder ergänzend weisen weitere Ausgestaltungen Auskoppelelemente auf, die als lokale Erhebungen und/oder Vertiefungen in der Grenzfläche verwirklicht sind. Diese Auskoppelelemente zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine in Bezug auf die nicht modifizierte Licht leitende Fläche verkippte Fläche oder Teilfläche aufweisen, an der die Totalreflexionsbedingung aufgrund der dann veränderten Winkelverhältnisse nicht mehr erfüllt sind. Die Auskopplung erfolgt dann entweder direkt durch eine solche Fläche hindurch, oder sie erfolgt dadurch, dass das Licht zunächst innerhalb des Lichtleiters so stark umgelenkt wird, dass es bei einem nachfolgenden Auftreffen auf eine Grenzfläche dort so steil einfällt, dass es dort ausgekoppelt wird.
Weitere Ausgestaltungen zeichnen sich dadurch aus, dass die Beleuchtungseinrichtung 42 wenigstens ein optisches Element aufweist, sei es ein Licht nur brechendes optisches Element wie eine Linse, ein Licht brechendes und intern total reflektierendes Element wie eine Vorsatzoptik einer Halbleiterlichtquelle, oder ein Reflektor, der einen mit Luft erfüllten Reflexionsraum begrenzt. Ein solches optisches Element dient dazu, aus dem ausgekoppelten Licht eine regelkonforme Lichtverteilung zu erzeugen, was durch Umlenkung, Parallelisierung, Bündelung oder Streuung oder eine Kombination dieser Effekte erfolgt.
15 zeigt einen Vertikalschnitt durch eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lichtleiters 14 im Bereich der Lichteinkopplung und Umlenkung. Hier ist die Lichtaustrittsfläche des Chips einer Leuchtdiode 2 gedanklich in drei Abschnitte a–c unterteilt worden. Ein vierter Abschnitt d ersetzt den Abschnitt a bei einer kleinen Verschiebung der Leuchtdiode 2, wie sie aufgrund von Toleranzen auftreten kann. Die 15 verdeutlicht einen großen Vorteil gegenüber dem Stand der Technik nach den 5 und 6. Beim Gegenstand der 15 ist die erste optisch aktive Fläche, auf die die von dem Chip der Leuchtdiode 2 ausgehenden Lichtstrahlen 50, 52 treffen, eine ebene Lichteintrittsfläche 12, die als ebene Fläche gegen seitliche Verschiebungen der Leuchtdiode 2 unempfindlich ist und die in geringem Abstand zur Leuchtdiode 2 angeordnet ist. Als erwünschte Folge tritt ein großer Anteil des von der Leuchtdiode 2 emittierten Lichtstroms in den Lichtleiter 14 ein. Dabei wird der Winkel zwischen den Strahlen 50, 52 aus der unverschobenen Leuchtdiode, Anteil a, und dem verschobenen Anteil d stark verringert, was durch einen Vergleich der 5 und 6 auf der einen Seite und der 15 auf der anderen Seite verdeutlicht wird. Die Hauptursache für den im Fall der 15 kleineren Winkel zwischen diesen Strahlen 50, 52 besteht in der dort größeren Entfernung der gekrümmten Fläche 22 von der Leuchtdiode 2.
Bis hier konnte anhand von Schnitten gezeigt werden, dass man Licht über eine Lichteintrittsfläche 12, die sich in etwa parallel zur gewünschten Hauptausbreitungsrichtung 16 des Lichtes im Lichtleiter nach der Umlenkung (vergleiche 7) erstreckt, mit hoher Effizienz einkoppeln kann, wobei zugleich starke Mängel des Standes der Technik behoben oder zumindest verringert werden.
Im Folgenden werden Lösungen angegeben, die es erlauben, die Winkelverteilung der sich im Lichtleiter 14 ausbreitenden Lichtstrahlen zu beeinflussen. Der Einfachheit halber wird hierbei immer davon ausgegangen, dass der Vertikalschnitt der Umlenkfläche durch eine logarithmische Spirale gegeben ist oder durch eine andere Kurve, für die gilt, dass ein erster Winkel, den das Lot der Umlenkfläche für jeden ihrer Punkte, auf den Strahlen des Lichtbündels einfallen, mit dem in diesem Punkt einfallenden Lichtstrahl bildet, mindestens genauso groß wie ein zweiten Winkel, den dieser Lichtstrahl mit der Normalen einer logarithmischen Spirale bildet, deren Pol in dem Punkt liegt und der mindestens so groß wie der Grenzwinkel der internen Totalreflexion des Lichtleiters ist.
Aus den bis hier beschriebenen Vertikalschnitten von Lichtleitern und/oder Umlenkflächen können Umlenkflächen durch Extrusion erzeugt werden. Dabei wird unter einer Extrusion hier ein Ziehen des Schnittes entlang einer senkrecht zum Schnitt ausgerichteten Geraden, wie in den 16a und b, ein Ziehen des Schnittes entlang eines Kreises (keine Figur), oder ein Ziehen entlang einer Parabel, wie in den 17a und b, verstanden.
16 zeigt in ihrem Teil a eine Draufsicht und in ihrem Teil b eine Schrägansicht eines derart längs einer Geraden 54 extrudierten Lichtleiters 14, zusammen mit einigen Lichtstrahlen, die einen Eindruck der vorliegenden horizontalen Lichtverteilung vermitteln. In Horizontalschnitten von 16 erscheint die Spiegelfläche 22 gerade, sodass keinerlei fokussierende Wirkung eintritt.
Analog dazu zeigt 17 in ihrem Teil a eine Draufsicht und in ihrem Teil b eine Schrägansicht eines längs einer Parabel extrudierten Lichtleiters 14, zusammen mit einigen Lichtstrahlen, die einen Eindruck von der vorliegenden horizontalen Lichtverteilung vermitteln. Horizontalschnitte in der 17 ergeben Parabeln, die, falls das Licht vom Brennpunkt oder aus der Nähe des Brennpunkts kommt, daraus parallele Strahlen oder nahezu parallele Strahlen 58 erzeugen.
Eine Fläche, die durch Ziehen entlang eines Kreises entsteht, ergibt eine horizontale Lichtverteilung, die zwischen den beiden Extremen der Gerade und der Parabel liegt, also eine Verringerung der horizontalen Winkel. Neben diesen drei Möglichkeiten existiert eine Vielzahl anderer Kurven, entlang derer das Ziehen Sinn macht. Darüber hinaus können auch stückweise Kombinationen aus solchen Kurven sinnvolle Ergebnisse zeigen. Welche Kurve letztendlich mit Vorteil zu verwenden ist, liegt an der zu erreichenden horizontalen Lichtverteilung.
18 zeigt in ihrem Teil a eine Draufsicht und in ihrem Teil b eine Schrägansicht eines Lichtleiters 14, zusammen mit einigen Lichtstrahlen, die einen Eindruck von der vorliegenden horizontalen Lichtverteilung vermitteln. Der in der 18 dargestellte Lichtleiter wird aus einem Vertikalschnitt, wie er in 12 dargestellt ist, durch Rotation um eine außerhalb des Lichtleiters parallel zur Längsausdehnung des Lichtleiters 14 vor dessen Lichteintrittsfläche 12 liegende Achse 60 erzeugt. Hier entscheidet die Wahl der Lage der Achse 60 wesentlich über die Form der Umlenkfläche 22 und somit auch über die horizontale Winkelverteilung. 18a zeigt, dass der in 18b dargestellte Fall eine recht gute horizontale Bündelung ergibt.
19a zeigt den vertikalen Schnitt durch den Einkoppelbereich des an einer Parabel 56 entlang gezogenen Lichtleiters 14 aus 17 zusammen mit einigen Strahlengängen. Ein großer Anteil 61 des Volumens des Lichtleiters 14, der sich unmittelbar an den Lichtdurchtrittsquerschnitt anschließt, über den Licht einer Leuchtdiode in den Lichtleiter 14 einkoppelt, führt dabei keine Lichtstrahlen. Dies bedeutet, dass dieser Teil 61 entfernt werden kann.
20a zeigt den Gegenstand der 19a mit der Veränderung, dass der Querschnitt des Lichtleiters 14 im Bereich des Anteils 61 entlang einer Kreiskurve 66 verengt wurde, um ihn im Anschluss daran durch eine schwach geneigte Gerade 68 wieder zu vergrößern. Im Vergleich mit dem Gegenstand der 19a fehlt dem Gegenstand der 20a ungefähr der Anteil 61 des Lichtleitervolumens, das in der 19a bereits kein Licht führt. Dies bedeutet für die Lichtstrahlen, dass sie sich im Anschluss an die kreisförmige Verengung in einem sich aufweitenden Lichtleiter bewegen. Dies hat wiederum die erwünschte Folge, dass das dort propagierende Licht durch Reflexionen an den dort keilförmig auseinander laufenden Wänden eine Parallelisierung erfährt. Die Winkelverteilung dieses Lichtes wird also schmaler.
Die Stärke des die Winkelverteilung verschmälernden Effektes zeigt ein Vergleich der beiden 19b und 20b. Am Lichtaustrittsende 70 des Lichtleiters 14 ergibt sich im Fall der 20b ein deutlich engeres Bündel als im Fall der 19b.
Die Kombination der Gegenstände aus den 17a und 20b zeigt also, dass es durch diese Einkopplung möglich ist, ein recht weites Bündel so in den Lichtleiter 14 einzukoppeln, das nach einer recht kurzen Distanz bereits eine starke Bündelung vorliegt.
Die in der 20 dargestellte Ausgestaltung erlaubt eine durch die Form des weggenommenen Materials des Lichtleiters erfolgende beim Entwurf des Lichtleiters variable Beeinflussung des Lichtbündels. Ferner können auf der Innenseite des Lichtleiters, also der Seite, auf der auch Material entfernt wird, Befestigungskomponenten angebracht werden, die nur zu geringen Lichtverlusten führen.
21 zeigt in ihrem Teil a eine Draufsicht und in ihrem Teil b eine Schrägansicht eines Lichtleiters, der durch Extrudieren des Vertikalschnitts nach 12 entlang zweier, gegeneinander verdrehter Parabeln erzeugt wird. Dabei zeigt die 21a und b jeweils links gestrichelt die Richtung der einen Parabelachse 72. Die andere Seite soll symmetrisch dazu liegen. Dadurch erhält man die Möglichkeit, den Lichtstrom einer Leuchtdiode bereits beim Einkoppeln in zwei gegeneinander verdrehte, in sich aber jeweils weitgehend parallelisierte Lichtbündel aufzuspalten. Dies ist aus der 21a ersichtlich, die solche parallelisierten Lichtbündel 74 und 76 zeigt.
Die 22 zeigt einen flächigen Lichtleiter 14, bei dem mehrere Umlenkflächen 22 entlang einer geschwungenen Kurve aufgereiht sind. Falls der geschwungene Rand des ebenen Lichtleiters in einer Ebene liegt, ist die Verwendung einer ebenen starren Platine möglich.
Die 23 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines flächigen Lichtleiters in einer Schrägansicht und in einer Draufsicht. Diese Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der flächige Lichtleiter 14 in seiner Fläche Öffnungen aufweist. Diese Öffnungen erzeugen eine zusätzliche Berandung des Lichtleiters 14. Ein Teil dieser zusätzlichen Berandung ist bevorzugt als Umlenkfläche 22 ausgestaltet, die die Merkmale der Erfindung oder einer ihrer Ausgestaltungen aufweist.
Dies erlaubt es zum Beispiel, das Licht einer außerhalb der Öffnung vor der Lichteintrittsfläche angeordneten Leuchtdiode in den Lichtleiter einzukoppeln. Beim Stand der Technik, der eine stirnseitige Einkopplung vorsieht, müsste man dagegen die Leuchtdiode zusammen mit ihrer Stromzuführung in der Öffnung anordnen.
24 zeigt eine Anordnung eines Lichtleiters 14 mit einer Zuleitung 80 aus Licht leitendem Material. Falls der Lichtleiter 14 (leicht) uneben ist, kann dies durch die Zuleitung 80 aus Licht leitendem Material ausgeglichen werden, die zwischen der Leuchtdiode 2 und dem eigentlichen Lichtleiter 80 angeordnet ist, wie es in der 24 dargestellt ist. Die Zuleitung ist bevorzugt ein stoffschlüssiger Bestandteil des Lichtleiters, um die Zahl der Grenzflächen gering zu halten, die von dem Licht der Leuchtdiode bis zur Einkopplung in den Lichtleiter durchquert werden muss. An jeder Grenzfläche tritt sonst ein Energieverlust in Höhe von etwa 4% durch sogenannte Fresnel-Verluste ein.
Die Zuleitung 80 selbst ist je nach Ausgestaltung entweder gerade oder gekrümmt. In einer weiteren Ausgestaltung weist sie einen sich in Propagationsrichtung des Lichtes stetig erweiternden Querschnitt auf. Dies hat eine parallelisierende Wirkung auf das darin propagierende Licht.

Claims

Anordnung eines Lichtleiters und einer Lichtquelle, wobei der Lichtleiter (14) eine Lichteintrittsfläche (12) und eine Umlenkfläche (22) aufweist, welche Umlenkfläche (22) dazu eingerichtet ist, über die Lichteintrittsfläche (12) eingekoppeltes und auf die Umlenkfläche (22) einfallendes Licht der Lichtquelle in eine Hauptausbreitungsrichtung (16) umzulenken, mit der das Licht im Lichtleiter (14) nach der Umlenkung propagiert, wobei ein erster Winkel (23), den das Lot (22.n) der Umlenkfläche für jeden ihrer Punkte, auf den Strahlen (26) des eingekoppelten Lichtes einfallen, mit jedem in diesem Punkt einfallenden Lichtstrahl des Lichtes bildet, mindestens genauso groß ist, wie ein zweiter Winkel (25), den dieser Lichtstrahl (26) mit der Normalen (19.n) einer logarithmischen Spirale (19) bildet und der mindestens so groß ist, wie der Grenzwinkel der internen Totalreflektion des Lichtleiters, wobei die Lichtquelle eine Leuchtdiode (2) ist, wobei die erste optisch aktive Fläche, auf die die von dem Chip der Leuchtdiode (2) ausgehenden Lichtstrahlen (50, 52) treffen, die Lichteintrittsfläche ist, wobei die Lichteintrittsfläche eine ebene Fläche ist, wobei die Leuchtdiode in Bezug auf die Lichteintrittsfläche so angeordnet ist, dass vom Chip der Leuchtdiode ausgehende Strahlen an der die Lichteintrittsfläche bildenden Grenzfläche des Lichtleiters zur umgebenden Luft so gebrochen werden, dass sie scheinbar von einem Ursprungspunkt ausgehen, der dem Pol (20) der Spirale entspricht, und wobei eine Lichteintrittsfläche (12) des Lichtleiters parallel zu der Hauptausbreitungsrichtung (16) des Lichtes im Lichtleiter nach erfolgter Umlenkung ausgerichtet ist.
Lichtleiter (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die logarithmische Spirale (19) in Polarkoordinaten durch Gleichungen der Form r = r₀·exp(a·φ) mit positiven reellen Zahlen r₀ und a beschrieben wird.
Lichtleiter (14) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Faktor a im Exponenten der Exponentialfunktion gleich dem Tangens des Grenzwinkels der Totalreflexion ist.
Lichtleiter (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pol (20) der logarithmischen Spirale (19) um wenigstens eine halbe Länge einer das in den Lichtleiter einzukoppelnde Licht emittierenden Lichtquelle hinter dem Ursprungspunkt liegt.
Lichtleiter (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Umlenkfläche eine Fläche verwendet wird, die von einer logarithmischen Spirale (19) definiert wird, deren Schnittwinkel mit den vom Pol (20) der logarithmischen Spirale kommenden Strahlen (26) größer oder gleich dem Grenzwinkel der Totalreflexion sind.
Lichtleiter (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fläche als Umlenkfläche verwendet wird, die von den Lichtstrahlen unter einem günstigeren Winkel getroffen wird, als dem, unter dem sie eine Grenzspirale treffen würden, an der gerade noch eine interne Totalreflexion erfolgt, wobei unter einem günstigeren Winkel hier ein interne Totalreflexionen begünstigender Winkel, also ein größerer Winkel verstanden wird.
Lichtleiter (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Umlenkfläche (22) eine Fläche verwendet wird, die sich durch eine Kombination einer Fläche nach Anspruch 6 mit einer Fläche nach Anspruch 7 ergibt.
Lichtleiter (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stirnfläche des Lichtleiters als Lichtaustrittsfläche (46) des Lichtleiters dient und der Umlenkfläche (22) gegenüber liegt, wobei die Umlenkfläche (22) und die Lichtaustrittsfläche (46) durch zwischen ihnen liegende Transportflächen (48) voneinander getrennt sind.
Lichtleiter (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter in seiner Fläche wenigstens eine Öffnung (78) aufweist, die eine zusätzliche Berandung des Lichtleiters (14) erzeugt und von der ein Teil als Umlenkfläche (22) ausgestaltet ist, die dazu eingerichtet ist, über die Lichteintrittsfläche eingekoppeltes und auf die Umlenkfläche einfallendes Licht einer Lichtquelle, das sich von einem Ursprungspunkt aus auszubreiten scheint, in eine Hauptausbreitungsrichtung umzulenken, mit der das Licht im Lichtleiter nach der Umlenkung propagiert, wobei ein erster Winkel, den das Lot der Umlenkfläche für jeden ihrer Punkte, auf den Strahlen des eingekoppelten Lichtes einfallen, mit jedem in diesem Punkt einfallenden Lichtstrahl des Lichtes bildet, mindestens genauso groß ist wie ein zweiter Winkel, den dieser Lichtstrahl mit der Normalen einer logarithmischen Spirale bildet, deren Pol in der Hauptausbreitungsrichtung in dem Ursprungspunkt oder hinter dem Ursprungspunkt liegt und der mindestens so groß ist wie der Grenzwinkel der internen Totalreflexion des Lichtleiters.
Lichtleiter (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkfläche aus einem Vertikalschnitt des Lichtleiters durch Extrusion erzeugt wird, wobei unter einer Extrusion hier ein Ziehen des Schnittes entlang einer senkrecht zum Schnitt ausgerichteten Geraden, ein Ziehen des Schnittes entlang eines Kreises, oder ein Ziehen entlang einer Parabel verstanden wird.