DE102012211284A1

DE102012211284A1 - Lichtleitelement und Lichtleiter

Info

Publication number: DE102012211284A1
Application number: DE201210211284
Authority: DE
Inventors: Hubert Zwick
Original assignee: Automotive Lighting Reutlingen GmbH
Current assignee: Marelli Automotive Lighting Reutlingen Germany GmbH
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2012-06-29
Publication date: 2014-01-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lichtleitelement mit einer Lichteintrittsfläche, einer Lichtaustrittsfläche, und einem sich entlang einer Hauptlichtleitachse zwischen der Lichteintrittsfläche und der Lichtaustrittsfläche erstreckenden Lichtleitabschnitt, wobei der Lichtleitabschnitt von wenigstens zwei in Bezug auf die Hauptlichtleitachse gegenüberliegenden Lichtleitflächen derart begrenzt ist, dass Licht unter Totalreflexion nach dem Brechungsgesetz in dem Lichtleitabschnitt von der Lichteintrittsfläche zu der Lichtaustrittsfläche geleitet werden kann, wobei die Lichtleitflächen zum Kollimieren eines im Lichtleitabschnitt geleiteten Lichtbündels derart verlaufen, dass sich der Querschnitt des Lichtleitabschnitts ausgehend von der Lichteintrittsfläche zu der Lichtaustrittsfläche vergrößert. Zur Verbesserung der Intensitätsverteilung von austretendem Licht weist eine Lichtleitfläche ein Wellenstrukturelement auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lichtleitelement für Beleuchtungseinrichtungen, mit wenigstens einer Lichteintrittsfläche zum Einleiten von Licht in das Lichtleitelement, wenigstens einer von der Lichteintrittsfläche beabstandeten Lichtaustrittsfläche, durch die in dem Lichtleitelement geleitetes Licht aus diesem austreten kann, sowie mit einem sich entlang einer Hauptlichtleitachse zwischen der Lichteintrittsfläche und der Lichtaustrittsfläche erstreckenden Lichtleitabschnitt zum Leiten von Licht von der Lichteintrittsfläche zu der Lichtaustrittsfläche, wobei der Lichtleitabschnitt von wenigstens zwei in Bezug auf die Hauptlichtleitachse gegenüberliegenden Lichtleitflächen beziehungsweise Lichtleitflächenbereichen derart begrenzt ist, dass Licht unter interner Totalreflexion nach dem Brechungsgesetz innerhalb des Lichtleitabschnitts von der Lichteintrittsfläche zu der Lichtaustrittsfläche geleitet werden kann, wobei die Lichtleitflächen zum Kollimieren eines im Lichtleitabschnitt geleiteten Lichtbündels derart verlaufen, dass sich der Querschnitt des Lichtleitabschnittes senkrecht zur Hauptlichtleitachse ausgehend von der Lichteintrittsfläche zu der Lichtaustrittsfläche vergrößert.
Bekannte Lichtleiter finden beispielsweise in Beleuchtungseinrichtungen, insbesondere in Kfz-Scheinwerfern Verwendung. Hierbei ist es bekannt, Licht einer Lichtquelle in einen Lichtleiter einzukoppeln und in dem Lichtleiter durch Totalreflexion nach dem Brechungsgesetz zu einem zu beleuchtenden Bereich zu führen. Totalreflexion nach dem Brechungsgesetz an Oberflächen tritt auf, wenn für den Einfallswinkel eines Lichtstrahls zum Lot auf die Oberfläche der Grenzwinkel der Totalreflexion nach dem Snellius-Gesetz überschritten ist.
Dabei ist es oftmals erwünscht, dass ein aus dem Lichtleiter austretendes Lichtbündel möglichst eng begrenzt ist, das heißt dass der Austritt aus dem Lichtleiter unter einem möglichst kleinen Divergenzwinkel bezüglich einer optischen Achse erfolgt.
Um dies zu erreichen, ist aus der DE 102 31 325 A1 ein Lichtsammelteil im Sinne eines Lichtleitelements der eingangs genannten Art bekannt. Bei dem bekannten Lichtleitelement verlaufen die Lichtleitflächen derart schräg zueinander, dass sich der Querschnitt in der genannten Weise vergrößert. Bei jeder Reflexion eines in dem Lichtleiter geführten Lichtstrahls an den schräg zueinander verlaufenden Lichtleitflächen reduziert sich daher der Winkel, unter dem die Lichtstrahlen zur Hauptlichtleitachse geneigt sind. Insofern findet bei jeder Reflexion eine Verengung des in dem Lichtleiter geführten Lichtstrahles um den doppelten, zwischen den Lichtleitflächen des Lichtleiters eingeschlossenen Öffnungswinkels des Lichtleiters statt. Dadurch kann ein in dem Lichtleiter verlaufendes Lichtbündel kollimiert beziehungsweise eingeengt werden.
Bei den bekannten Lichtleitelementen besteht jedoch das Problem, dass bei einem Blick von einem beabstandeten Beobachtungspunkt auf die Lichtaustrittsfläche (wenn über die Lichteintrittsfläche Licht einer Lichtquelle in den Lichtleiter eingekoppelt wird) keine homogen ausgeleuchtete Fläche erscheint. Vielmehr erscheinen abhängig vom Blickwinkel des Beobachtungspunktes lediglich einige, gegebenenfalls verzerrte Spiegelbilder der Lichtquelle an den auseinanderlaufenden Lichtleitflächen (sowie die Lichtquelle selbst). Die Anzahl dieser Spiegelbilder hängt mit der möglichen Anzahl von Lichtwegen zusammen, welche ausgehend von der Lichtquelle durch den Lichtleiter unter Totalreflexion zu dem Beobachtungspunkt möglich sind.
Dieses Problem wird im Folgenden anhand der 1 beispielhaft erläutert.
Die 1 zeigt ein Lichtleitelement 100, welches eine Lichteintrittsfläche 102 aufweist, durch die Licht in das Lichtleitelement 100 eingekoppelt werden kann. Ferner weist das Lichtleitelement 100 eine Lichtaustrittsfläche 104 auf, durch die Licht aus dem Lichtleitelement 100 austreten kann. Zwischen der Lichteintrittsfläche 102 und der Lichtaustrittsfläche 104 erstreckt sich ein Lichtleitabschnitt 106 entlang einer Hauptlichtleitachse 108. In den Richtungen senkrecht zur Hauptlichtleitachse 108 ist der Lichtleitabschnitt 106 von einer ersten Lichtleitfläche 110 und einer zweiten Lichtleitfläche 112 begrenzt. Dabei sind der Lichtleitabschnitt 106, die erste Lichtleitfläche 110 und die zweite Lichtleitfläche 112 derart ausgebildet, dass ein durch die Lichteintrittsfläche 102 eingestrahltes Lichtbündel (in 1 gestrichelt dargestellt) unter Totalreflexion nach dem Brechungsgesetz in dem Lichtleitabschnitt 106 zu der Lichtaustrittsfläche 104 geleitet werden kann. Eine Auskopplung über die Lichtaustrittsfläche 104 erfolgt wiederum unter Brechung nach dem Brechungsgesetz.
Für das Folgende wird angenommen, dass Licht von einer schematisch dargestellten, idealisierten Punktlichtquelle 114 ausgestrahlt und durch die Lichteintrittsfläche 102 in das Lichtleitelement 100 eingekoppelt wird. Wird dann die Lichtaustrittsfläche 104 in einem Beobachtungspunkt 116 von einem Beobachtungspunkt 116 in einem Abstand zur Lichtaustrittsfläche 104 betrachtet, so erscheint die Lichtaustrittsfläche 104 nicht homogen erleuchtet. Vielmehr sind in dem Beobachtungspunkt 116 eine begrenzte Anzahl von Lichtquellenbildern der Punktlichtquelle 114 unter verschiedenen Blickwinkeln beobachtbar.
Um dieses Resultat zu veranschaulichen, wird ein idealisierter Beobachtungspunkt 116 mit einer nahezu verschwindenden Blendenöffnung angenommen. In diesem Fall gibt es durch den Lichtleitabschnitt 106 nur vier mögliche Lichtwege beziehungsweise denkbare Strahlengänge, welche in der 1 gestrichelt dargestellt sind: Einen direkten Strahl von der Lichtquelle 114 zum Beobachtungspunkt 116, wobei lediglich Brechung an der Lichteintrittsfläche 102 und der Lichtaustrittsfläche 104 erfolgt; zwei Lichtwege mit einmaliger Totalreflexion an der ersten beziehungsweise zweiten Lichtleitfläche 110 beziehungsweise 112; sowie einen Lichtweg mit zweimaliger Totalreflexion.
Diese Lichtwege führen zu vier in dem Punkt 116 beobachtbaren Reflexen (Lichtquellenbildern), wobei der Rest der Lichtaustrittsfläche 104 dunkel erscheint. Dadurch wird klar, dass bei Übertragung der vorstehenden Erklärung auf eine reale Lichtquelle mit endlicher Ausdehnung und einen realen Beobachtungspunkt, in dem nicht einzelne Lichtstrahlen sondern Lichtbündel beobachtet werden, die Lichtaustrittsfläche 104 nur sehr inhomogen ausgeleuchtet ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den bekannten Lichtleiter derart zu verbessern, dass eine Abstrahlung mit verbesserter Homogenität der Lichtverteilung erzielt werden kann, das heißt dass beim Betrachten der Lichtaustrittsfläche von außerhalb des Lichtleiters die Lichtaustrittsfläche möglichst homogen erleuchtet erscheint.
Diese Aufgabe wird durch ein Lichtleitelement nach dem Anspruch 1 sowie durch einen Lichtleiter nach Anspruch 18 gelöst.
Die der Lösung der Aufgabe zugrunde liegende Idee besteht darin, die in einem Beobachtungspunkt wie vorstehend erläutert geringe Anzahl von durch Totalreflexion hervorgerufenen Lichtquellenbildern in eine größere Anzahl von unter verschiedenen Winkeln beobachtbaren Lichtquellenbildern aufzuspalten.
Diese Lösung wird bei dem Lichtleitelement gemäß Anspruch 1 dadurch verwirklicht, dass, zumindest eine der Lichtleitflächen, wenigstens ein Wellenstrukturelement aufweist. Das Wellenstrukturelement weist dabei in einem Längsschnitt entlang des Verlaufs von der Lichteintrittsfläche zur Lichtaustrittsfläche (d.h. in einem Längsschnitt entlang der Hauptlichtleitachse) wenigstens zwei unmittelbar aneinander anschließende Kurvenabschnitte mit unterschiedlicher Steigung auf. Das Wellenstrukturelement ist dabei grundsätzlich derart ausgebildet, dass für ein in dem Lichtleitabschnitt verlaufendes Lichtbündel ebenfalls interne Totalreflexion an dem Wellenstrukturelement auftritt, so dass weiterhin Lichtleitung in dem Lichtleitelement erfolgen kann.
Im Bereich des Wellenstrukturelements weist die jeweilige Lichtleitfläche einen von der umgebenden Lichtleitfläche abweichenden Winkel zur Hauptlichtleitachse auf. Daher wird ein im Bereich des Wellenstrukturelement auf die Lichtleitfläche treffender Lichtstrahl unter einem anderen Winkel total reflektiert, als in einem an das Wellenstrukturelement angrenzenden Bereich der Lichtleitfläche.
Das erfindungsgemäße Lichtleitelement ermöglicht es zunächst, in der zu dem bekannten Lichtleitelement erläuterten Art den durchschnittlichen Winkel, den ein Lichtbündel mit der Hauptlichtleitachse einschließt, beim Durchgang durch den Lichtleitabschnitt zu verringern. Somit kann das erfindungsgemäße Lichtleitelement zur Kollimierung beziehungsweise zur Einengung eines Lichtbündels verwendet werden.
Betrachtet man die Lichtabstrahlfläche eines erfindungsgemäßen Lichtleitelements von einem Beobachtungspunkt aus, so kann durch die Wellenstrukturelemente die Zahl möglicher Lichtstrahlwege ausgehend von der Lichteintrittsfläche (in welche Lichteinstrahlung mit einer Lichtquelle erfolgt) erhöht werden. Insbesondere kann die Anzahl möglicher Winkel, unter denen ein Lichtbündel in den Beobachtungspunkt eintrifft, durch geeignete Wahl des Wellenstrukturelements erheblich vergrößert werden. Dadurch erscheint die Lichtaustrittsausfläche unter verschiedenen Blickwinkeln in dem gewählten Beobachtungspunkt gleich hell, da eine Vielzahl von Lichtquellenbildern unter verschiedenen Blickwinkeln beobachtet werden können. Somit wird die Homogenität der Lichtverteilung der Lichtaustrittsfläche erheblich verbessert.
Im Unterschied zu den bekannten Lichtleitern kann durch die wellenartige Ausgestaltung der Lichtleitflächen bei dem erfindungsgemäßen Lichtleitelement auch die Zahl der Totalreflexionen erhöht werden, die ein Lichtbündel auf seinem Weg durch den Lichtleitabschnitt erfährt. Bei den eingangs genannten bekannten Lichtleitern wäre es hierzu erforderlich, die Aufweitung des Querschnitts zu verringern, wodurch sich ein solcher Lichtleiter einem klassischen Lichtleiter mit parallelen Lichtleitflächen annähern würde. Dann jedoch ginge die Wirkung des Lichtleiters zur Kollimierung beziehungsweise Einengung eines Lichtbündels verloren, da diese wie vorstehend erläutert auf der Querschnittserweiterung beruht. Durch das Wellenstrukturelement kann bei dem erfindungsgemäßen Lichtleitelement jedoch die Zahl der Totalreflexionen erhöht werden und gleichzeitig die Querschnittsverbreiterung beibehalten werden. Mit einer großen Zahl an entsprechend ausgebildeten und angeordneten Wellenstrukturelementen lässt sich so ein Lichtleitelement bereitstellen, bei dem der Weg eines Lichtstrahls durch den Lichtleitabschnitt in nahezu erratischer bzw. zufallsähnlicher Weise von dem Einstrahlwinkel auf die Lichteintrittsfläche abhängt. Insofern ermöglicht das erfindungsgemäße Lichtleitelement die Kollimierung von Lichtbündeln bei gleichzeitig verbesserter Homogenität des aus der Lichtaustrittsfläche austretenden Lichts.
Über die Ausgestaltung des Wellenstrukturelements kann das Abstrahlverhalten des Lichtleitelements nach Wunsch beeinflusst werden, ohne die wesentlichen Eigenschaften der Kollimierung zu beeinträchtigen, welche auf der Querschnittserweiterung beruhen.
Insbesondere kann das erfindungsgemäße Lichtleitelement in vorteilhafterweise verwendet werden, um Licht verschiedenfarbiger Lichtquellen in einen Lichtleiter einzukoppeln. Aufgrund der Wellenstrukturelemente und die dadurch erhöhte Zahl an Totalreflexionen können die verschiedenen Einzelfarben auf dem Weg durch den Lichtleitabschnitt effektiv gemischt werden. Dies kann beispielsweise bei Kfz-Scheinwerfern erwünscht sein, welche mit einzelnen Halbleiterlichtquellen (LED) gespeist werden, welche jeweils Licht mit verschiedenen Farben in hoher Intensität abstrahlen. So ist es möglich, Scheinwerfer bereitzustellen, welche Licht mit einer gewünschten Lichttemperatur beziehungsweise mit einem gewünschten Farbton mit hoher Homogenität abgeben. Denkbar ist jedoch auch, beispielsweise Licht einer weiß strahlenden LED zur Erzeugung eines Tagfahrlichts und Licht einer gelb strahlenden LED zur Erzeugung eines Blinklichts in ein Lichtleitelement einzukoppeln.
Zur Bündelung beziehungsweise Kollimierung von Licht ist der Einsatz von Linsen oder Brennspiegeln bekannt. Derartige optische Elemente weisen geometrische Kenngrößen (Brennweite, Brennpunkt, ...) auf, welche entsprechende Einschränkungen für ihre Anordnungsmöglichkeiten bedingen. Soll beispielsweise das abgestrahlte Licht einer Punklichtquelle mit einer Linse in ein nahezu paralleles Lichtbündel abgelenkt werden, so muss die Punklichtquelle nahezu in einem Brennpunkt der Linse angeordnet sein. Demgegenüber weist der erfindungsgemäße Lichtleiter keinen definierten Brennpunkt auf. Daher ist die Kollimierung von Licht einer Lichtquelle möglich, die in beliebigem Abstand zur Lichteintrittsfläche, insbesondere sehr nahe, angeordnet werden kann. Insofern vergrößert das erfindungsgemäße Lichtleitelement die konstruktiven Freiheiten beim Bau von beispielsweise Scheinwerfern. Eine möglichst nahe Anordnung der Lichtquelle an der Lichteintrittsfläche hat außerdem den Vorteil, dass ein großer Anteil der abgestrahlten Lichtintensität in den Lichtleiter eingekoppelt werden kann.
Das Lichtleitelement lässt sich in vorteilhafter Weise im Spritzgussverfahren herstellen, insbesondere als einstückig ausgebildetes Bauteil, wobei der Lichtleitabschnitt, die Lichteintritts- und Lichtaustrittsflächen, sowie die Lichtleitflächen mit den Wellenstrukturelementen in einem einzigen Spritzguss-Schritt gefertigt werden können. Dies ermöglicht eine kostengünstige Herstellung.
Um als Lichtleiter unter Ausnutzung des Brechungsgesetzes (Totalreflexion) wirken zu können, ist der Lichtleitabschnitt beziehungsweise das Lichtleitelement in der Regel aus einem optisch dichten Material wie Glas, Kunststoff (z.B. PMMA, Acrylglas) ausgebildet.
Bei dem Lichtleitelement erstreckt sich der Lichtleitabschnitt entlang der Hauptlichtleitachse und wird entlang dieser Richtung einerseits von der Lichteintrittsfläche, andererseits von der Lichtaustrittsfläche begrenzt. In seinem Verlauf zwischen der Lichteintrittsfläche und der Lichtaustrittsfläche, also in seiner Erstreckung im Wesentlichen senkrecht zur Hauptlichtleitachse, wird der Lichtleitabschnitt von den Lichtleitflächen lateral begrenzt. Denkbar ist auch, dass der Lichtleitabschnitt einen leicht gekrümmten Verlauf aufweist, und sich entlang einer entsprechend gekrümmten Hauptlichtleitachse erstreckt.
Die Lichtleitflächen verlaufen nicht parallel zueinander, sondern schließen insbesondere zumindest abschnittsweise einen nicht verschwindenden Winkel ein. Der Lichtleitabschnitt weist einen Lichtleitquerschnitt (das heißt einen zur Lichtleitung wirksamen Querschnitt) auf, welcher sich entlang der Hauptlichtleitachse in Richtung ausgehend von der Lichteintrittsfläche zur Lichtaustrittsfläche aufweitet.
Die Lichtleitflächen sind beispielsweise derart ausgebildet, dass der Lichtleitabschnitt zwischen zwei zugeordneten gedachten Einhüllenden verläuft, wobei die Einhüllenden unter einem Winkel (in Bezug auf die Hauptlichtleitachse) ausgehend von der Lichteintrittsfläche zu der Lichtaustrittsfläche auseinander laufen. Die Lichtleitflächen müssen nicht durch Kanten von einer den Lichtleitabschnitt begrenzenden Mantelfläche abgesetzt sein. Vielmehr ist denkbar, dass der Lichtleitabschnitt in seinem Verlauf zwischen der Lichteintrittsfläche und der Lichtaustrittsfläche von einer knickfreien oder kantenfreien Mantelfläche begrenzt wird, wobei jeweils Bereiche der Mantelfläche, insbesondere einander in Bezug auf die Hauptlichtleitachse gegenüberliegende Bereiche der Mantelfläche, die oben genannten Lichtleitflächen bilden. Die Mantelfläche ist insbesondere kegelmantelähnlich ausgebildet, wobei als Kegelgrundfläche beispielsweise ein Kreis, eine Ellipse, ein Polygon oder abgewandelte Flächen, beziehungsweise jede geschlossene Kurve als Grundfläche in Betracht kommen.
In Richtung ausgehend von der Lichteintrittsfläche zur Lichtaustrittsfläche weitet sich der Querschnitt des Lichtleitabschnittes auf, wobei die Form nicht beibehalten werden muss. Insofern ist denkbar, dass die Lichtleitflächen derart ausgebildet sind, dass sich der Querschnitt des Lichtleitabschnittes von einer ersten Querschnittsform in eine zweite Querschnittsform aufweitet. Insbesondere kann die zweite Querschnittsform eine Streckung, Stauchung, Verzerrung oder ähnliches der ersten Querschnittsform sein.
Vorzugsweise verlaufen die Lichtleitflächen derart, dass sich der Querschnitt des Lichtleitabschnitts in Richtung ausgehend von der Lichteintrittsfläche zu der Lichtaustrittsfläche streng monoton vergrößert oder aber nur monoton vergrößert, oder abschnittsweise konstant ist. Ein streng monoton zunehmender Verlauf des Querschnitts hat dabei den Vorteil, dass die eingangs beschriebene Einengung des Lichtbündels entlang des Verlaufs durch den Lichtleitabschnitt in gleichmäßiger Weise erfolgt. So kann vermieden werden, dass von einem Beobachtungspunkt aus die Lichtaustrittsfläche zwar als Ganzes erleuchtet erscheint, jedoch aus bestimmten Blickwinkeln auf die Lichtaustrittsfläche Bereiche auftreten, in welche Lichtbündel mit höherer beziehungsweise niedrigerer Dichte abgelenkt werden (also eine zwar hell erleuchtete, jedoch inhomogen ausgeleuchtete Lichtaustrittsfläche). Bei einer Ausgestaltung mit nur monoton steigendem beziehungsweise konstantem Querschnitt werden jedenfalls Abschnitte des Lichtleitabschnitts vermieden, in welchen sich der Querschnitt entlang der Hauptlichtleitachse verkleinern. Eine solche Verkleinerung kann dazu führen, dass der Grenzwinkel der Totalreflexion an der Lichtleitfläche für ein Lichtbündel unterschritten wird. In diesem Fall tritt Licht durch die Lichtleitfläche aus dem Lichtleitabschnitt aus. Ein solcher Lichtverlust ist je nach Anwendung in der Regel unerwünscht. Andererseits sind auch Anwendungen denkbar, bei denen eine solche gezielte Auskopplung durch die Lichtleitfläche gerade erwünscht ist. In diesem Fall kann der Lichtleitabschnitt auch derart ausgebildet sein, dass er Bereiche aufweist, in denen sich der zur Lichtleitung wirksame Querschnitt zumindest abschnittsweise (in Richtung ausgehend von der Lichteintrittsfläche zu der Lichtaustrittsfläche) verjüngt.
Selbst wenn der Lichtleitabschnitt in Richtung ausgehend von der Lichteintrittsfläche zu der Lichtaustrittsfläche mit einem streng monoton wachsenden Querschnitt ausgebildet ist, schließt dies nicht aus, dass in Bezug auf eine Lichtleitfläche ein Materialüberstand beziehungsweise eine Hinterschneidung auftritt. Eine solche Hinterschneidung kann jedoch nachteilig sein, wenn das Lichtleitelement beziehungsweise der Lichtleitabschnitt durch Spritzgießen hergestellt werden soll.
Vor diesem Hintergrund kann sich eine Verbesserung dadurch ergeben, dass das Wellenstrukturelement derart ausgebildet ist, dass der Lichtleitabschnitt und/oder die Lichtleitflächen hinterschneidungsfrei sind. Dann kann ein in einer entsprechend ausgestalteten Gießform gegossener beziehungsweise spritzgegossener Lichtleitabschnitt entlang der Hauptlichtleitachse aus der Gießform herausgezogen werden, da keine lokalen Erhebungen über eine Mantelfläche des Lichtleitabschnittes auftreten.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Lichtleitelementes ergeben sich dadurch, dass nur eine der Lichtleitflächen oder zwei einander in Bezug auf die Hauptlichtleitachse gegenüberliegende Lichtleitflächen und/oder zwei zugeordnete Lichtleitflächen und/oder eine weitere Lichtleitfläche oder sämtliche Lichtleitflächen des Lichtleitabschnittes jeweils wenigstens ein Wellenstrukturelement aufweisen. Dabei können die Wellenstrukturelemente auf unterschiedlichen Lichtleitflächen identisch oder unterschiedlich ausgebildet sein. Da die Ausgestaltung und Anordnung der Wellenstrukturelemente Einfluss auf die an der Lichtaustrittsfläche beobachtbare Lichtverteilung haben, kann durch geeignete identische oder unterschiedliche Ausgestaltung der Wellenstrukturelemente eine besonders homogene Ausgangslichtverteilung oder eine Ausgangslichtverteilung mit einer gewollten Asymmetrie vorgegeben werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich dadurch, dass das wenigstens eine Wellenstrukturelement an einer ersten Lichtleitfläche derart ausgebildet ist, dass sich die erste Lichtleitfläche im Bereich dieses Wellenstrukturelements in Richtung ausgehend von der Lichteintrittsfläche zur Lichtaustrittsfläche von der Hauptlichtleitachse entfernt, wobei das an einer anderen Lichtleitfläche vorgesehene Wellenstrukturelement derart ausgebildet ist, dass sich diese andere Lichtleitfläche im Bereich des anderen Wellenstrukturelements in Richtung ausgehend von der Lichteintrittsfläche zur Lichtaustrittsfläche der Hauptlichtleitachse annähert.
Bei dieser Ausgestaltung tritt eine Querschnittsvergrößerung entlang der Richtung von der Lichteintrittsfläche zur Lichtaustrittsfläche dann noch auf, wenn die Entfernung der ersten Lichtleitfläche von der Hauptlichtleitachse stärker ausgeprägt ist als die Annäherung der anderen Lichtleitfläche an die Hauptlichtleitachse. In diesem Fall weist der Lichtleitabschnitt einen sich vergrößernden Querschnitt auf, welcher bei Fortschreiten von der Lichteintrittsfläche zur Lichtaustrittsfläche in Bezug auf die Hauptlichtleitachse seitwärts versetzt wird. Die vorstehend genannten Ausgestaltungen können unter Umständen dazu führen, dass in bestimmten Bereichen, insbesondere im Bereich eines Wellenstrukturelements mit sich der Hauptlichtleitachse annähernder Lichtleitfläche, die Winkelbedingung nach dem Brechungsgesetz für eine Totalreflexion nicht mehr erfüllt ist und daher ein Lichtbündel in diesem Bereich aus dem Lichtleitabschnitt austreten kann. Dies kann zur gezielten Anpassung der geleiteten Lichtintensität wünschenswert sein.
Abweichend von den vorstehend genannten Ausführungsformen kann es jedoch auch vorteilhaft sein, wenn nur eine Lichtleitfläche eines oder mehrere Wellenstrukturelemente aufweist, und die anderen Lichtleitflächen glatt ausgebildet sind.
Vorteilhaft kann es sein, wenn sich das Wellenstrukturelement über die gesamte Lichtleitfläche oder nur abschnittsweise über die Lichtleitfläche erstreckt. Hierbei ist denkbar, dass sich das Wellenstrukturelement nur über einen Teil der lateralen Ausdehnung der Lichtleitfläche erstreckt (also nur einen Teil der Ausdehnung senkrecht zur Erstreckungsrichtung zwischen Lichteintrittsfläche und Lichtaustrittsfläche). Ebenso kann eine Lichtleitfläche in ihrem Verlauf zwischen der Lichteintrittsfläche und der Lichtaustrittsfläche über ihre gesamte Länge oder nur abschnittsweise mit Wellenstrukturelementen versehen sein.
Eine gleichmäßige Ausleuchtung der Lichtaustrittsfläche kann effektiv dadurch erreicht werden, dass eine oder mehrere der Lichtleitflächen eine Vielzahl von Wellenstrukturelementen der genannten Art aufweisen. Diese sind dabei entlang des Verlaufs der jeweiligen Lichtleitfläche von der Lichteintrittsfläche zur Lichtaustrittsfläche regelmäßig angeordnet sind.
Insbesondere haben benachbarte Wellenstrukturelemente stets einen vorgegebenen, insbesondere konstanten Strukturabstand zueinander.
Ein Wellenstrukturelement kann beispielsweise beulenartig oder rippenartig ausgebildet sein. Insofern ist jede Art von Einbuchtung oder Ausbuchtung der Lichtleitfläche geeignet, beispielsweise domförmige oder domähnliche Erhebungen oder Vertiefungen.
Die Wellenstrukturelemente können beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Lichtleitabschnitt wenigstens ein in Bezug auf die Hauptlichtleitachse umlaufendes Strukturelement aufweist, welches insbesondere kragenartig oder bundartig oder nutartig ausgebildet ist, wobei dieses umlaufende Strukturelement an der jeweiligen Lichtleitfläche das Wellenstrukturelement bildet. Mit anderen Worten ist der Lichtleitabschnitt in seinem Verlauf zwischen der Lichteintrittsfläche und der Lichtaustrittsfläche von einer Mantelfläche begrenzt, wobei das Wellenstrukturelement an einer Lichtleitfläche dadurch bereitgestellt wird, dass ein auf der Mantelfläche insbesondere um die Hauptlichtleitachse umlaufendes Strukturelement vorgesehen ist. Als Strukturelemente kommen beispielsweise ringbundartige, ringnutartige oder ringkragenartige Verläufe in Betracht.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung ergibt sich dadurch, dass sich an dem Lichtleitabschnitt eine Vielzahl von Strukturelementen in Richtung ausgehend von der Lichteintrittsfläche zu der Lichtaustrittsfläche aneinander anschließen. Dadurch können auf den Lichtleitflächen eine Vielzahl von aneinander anschließenden Wellenstrukturelementen bereitgestellt werden.
In einem Längsschnitt, insbesondere in einem Längsschnitt senkrecht zu der zur Lichtleitung wirksamen Querschnittsfläche beziehungsweise in einem Schnitt parallel oder durch die Hauptlichtleitachse, weist das Wellenstrukturelement beziehungsweise jedes der Wellenstrukturelemente oder manche der Wellenstrukturelemente einen sinusförmigen oder sinusartigen Verlauf auf.
Allerdings ist der Begriff „Welle“ im vorliegenden Sinne nicht auf einen sinusartigen Verlauf eingeschränkt auszulegen. Vielmehr kommen als Wellenstrukturelemente auch Ausgestaltungen in Frage, welche in einem Längsschnitt entlang des Verlaufs von der Lichteintrittsfläche zur Lichtaustrittsfläche abschnittsweise oder vollständig einen kreisbogenförmigen oder kreisbogenartigen Verlauf zeigen. Denkbar ist auch ein Verlauf nach einer Freiform, welche sich beispielsweise aus den gewünschten Lichtleiteigenschaften berechnen lässt.
Eine allgemeine Wellenform lässt sich auch dadurch realisieren, dass das Wellenstrukturelement in einem Längsschnitt entlang des Verlaufs von der Lichteintrittsfläche zur Lichtaustrittsfläche zwei oder mehrere sich unmittelbar aneinander anschließende Kurvenabschnitte aufweist, welche unterschiedliche Krümmungen aufweisen. Insbesondere schließen die Kurvenabschnitte in einem Anschlusspunkt aneinander an, wobei an dem Anschlusspunkt eine Krümmungsänderung oder ein Krümmungswechsel erfolgt. Vorzugsweise schließen sich die Kurvenabschnitte mit einem stetigen Steigungsverlauf aneinander an, wodurch ein Wellenstrukturelement mit knickfreiem oder kantenfreiem Verlauf realisiert werden kann.
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn zwei Kurvenabschnitte der vorstehend genannten Art aneinander stoßen, welche Krümmungen mit unterschiedlichem Vorzeichen aufweisen. So kann beispielsweise ein S-förmiger Verlauf eines Wellenstrukturelements erzielt werden.
Je nach gewünschter Anwendung kann jedoch die Ausbildung eines Knickes beziehungsweise einer Kante auch erwünscht sein. Dies lässt sich dadurch realisieren, dass das Wellenstrukturelement in einem Längsschnitt zwei Geradenabschnitte aufweist, welche unter Einschluss eines nicht verschwindenden Winkels aneinander anschließen (in Richtung ausgehend von der Lichteintrittsfläche zu der Lichtaustrittsfläche).
Zur weiteren Ausgestaltung weist der Lichtleitabschnitt eines erfindungsgemäßen Lichtleitelements zumindest eine weitere Lichtleitfläche auf, welche sich zwischen der Lichteintrittsfläche und der Lichtaustrittsfläche erstreckt und den Lichtleitabschnitt in laterale Richtung, das heißt insbesondere senkrecht zur Hauptlichtleitachse, derart begrenzt, dass Licht unter interner Totalreflexion nach dem Brechungsgesetz in dem Lichtleitabschnitt von der Lichteintrittsfläche zu der Lichtaustrittsfläche geleitet werden kann. Insbesondere ist denkbar, dass der Lichtleitabschnitt zumindest ein erstes und ein zweites Paar jeweils einander gegenüberliegender, im Wesentlichen schräg zueinander verlaufender Lichtleitflächen derart aufweist, dass sich der Querschnitt des Lichtleitabschnittes ausgehend von der Lichteintrittsfläche zu der Lichtaustrittsfläche erweitert. In einem solchen Lichtleitelement kann Licht durch Totalreflexion in mehrere Raumrichtungen geleitet werden und insbesondere eine Kollimierung beziehungsweise Einengung von Lichtbündeln bezüglich mehrere Richtungen erzielt werden.
Bezüglich der Ausgestaltungen der weiteren Lichtleitfläche beziehungsweise der weiteren Paare von Lichtleitflächen wird auf die vorstehend erläuterten Ausgestaltungen der ersten und zweiten Lichtleitfläche verwiesen. Denkbar ist jedoch, dass die weitere Lichtleitfläche im Unterschied zu der ersten und/oder zweiten Lichtleitfläche keine Wellenstruktur aufweist, also wellenfrei ausgebildet ist.
Weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten des Lichtleitelements beziehen sich auf die relative Lage der Lichteintrittsfläche und der Lichtaustrittsfläche zueinander. Diese können parallel oder schräg zueinander angeordnet sein. Da ein Eintritt eines Lichtbündels in den Lichtleitabschnitt und ein Austritt eines Lichtbündels aus dem Lichtleitabschnitt durch die Lichteintrittsfläche beziehungsweise durch die Lichtaustrittsfläche nach dem Brechungsgesetz erfolgt, kann durch die Ausrichtung der genannten Flächen zueinander die Ausgangslichtverteilung gezielt beeinflusst werden.
Die Lichteintrittsfläche und die Lichtaustrittsfläche können unterschiedlich geformt sein. Denkbar ist jedoch auch eine gleiche Ausformung. Mögliche Formen für beide Flächen sind beispielsweise Polygone, polygonartige Flächen mit verrundeten Ecken, Ellipsen, Kreise, Superellipsen oder beliebige geschlossene Kurven.
Bei der Ausgestaltung des Lichtleitabschnittes besteht Freiheit hinsichtlich Verlauf des Querschnittes. So können die Lichtleitflächen und der Lichtleitabschnitt derart ausgebildet sein, dass der Querschnitt des Lichtleitabschnittes an jeder denkbaren Position zwischen der Lichteintrittsfläche und der Lichtaustrittsfläche von der Form der Lichteintrittsfläche und/oder von der Form der Lichtaustrittsfläche formmäßig abweicht. Durch geeignete Formveränderungen kann die Abhängigkeit des Winkels, unter dem in einem Beobachtungspunkt durch die Lichtaustrittsfläche ein Lichtquellenbild erkennbar ist, von der Position einer gedachten Lichtquelle im Bereich der Lichteintrittsfläche gezielt beeinflusst werden. Insbesondere kann eine nahezu erratische oder chaotische Abhängigkeit des genannten Beobachtungswinkels von dem Winkel eines durch die Lichteintrittsfläche eingestrahlten Lichtbündels erreicht werden.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die Lichtleitflächen und der Lichtleitabschnitt derart ausgebildet sind, dass der Querschnitt des Lichtleitabschnittes formmäßig kontinuierlich von der Lichteintrittsfläche in die Lichtaustrittsfläche übergeht, insbesondere stetig übergeht. Ein stetiger Formübergang trägt zu einer homogenen Ausgangslichtverteilung bei.
Aufgrund der Aufweitung des Querschnittes ist es meist vorteilhaft, wenn die Lichteintrittsfläche kleiner als die Lichtaustrittsfläche ausgestaltet ist. Denkbar ist aber auch, dass die Lichtaustrittsfläche gleich groß oder sogar kleiner ist als die Lichteintrittsfläche. Um dies zu erzielen, kann der Lichtleitabschnitt im Bereich der Lichtaustrittsfläche abschnittsweise mit einem verjüngendem Querschnitt ausgebildet sein.
Das erfindungsgemäße Lichtleitelement kann für sich genommen in der eingangs erläuterten Weise zur Strahlverengung beziehungsweise Kollimierung verwendet werden. Es ist jedoch auch denkbar, dass die erfindungsgemäßen Ausgestaltungen nur an einer Einkoppelstruktur für einen komplexeren Lichtleiter vorgenommen werden, wie er beispielsweise in Kfz-Scheinwerfern zur Erzielung einer gewünschten Ausgangslichtverteilung Verwendung findet.
Dementsprechend wird die eingangs genannte Aufgabe auch durch einen Lichtleiter mit einem Lichtleitkörper und einem Einkoppelabschnitt zum Einkoppeln von Licht in dem Lichtleitkörper gelöst, wobei der Einkoppelabschnitt in der Art eines erfindungsgemäßen Lichtleitelementes ausgebildet ist. Insbesondere ist die Lichtaustrittsfläche des erfindungsgemäßen Lichtleitelements einstückig mit dem Lichtleitkörper verbunden, wobei die Verbindung insbesondere derart ist, dass ein Lichtbündel brechungsfrei aus dem Einkoppelabschnitt in den Lichtleitkörper übergehen kann.
Ein solcher Lichtleiter kann auch mehrere Einkoppelabschnitte der genannten Art aufweisen. Dabei sind mehrere erfindungsgemäße Lichtleitelemente mit dem Lichtleitkörper des Lichtleiters verbunden. Dann kann beispielsweise in verschiedene Lichtleitelemente Licht mit unterschiedlicher Farbe eingekoppelt werden.
Der Lichtleiter kann dann beispielsweise an seinem Lichtleitkörper ein Auskoppelelement aufweisen, über welchen das im Lichtleitkörper geleitete Licht zumindest teilweise ausgekoppelt werden kann. Insofern nimmt dann das Auskoppelelement die Rolle der Lichtaustrittsfläche ein. Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann dann der Vorteil erzielt werden, dass ein solches Auskoppelelement homogen erleuchtet erscheint und insbesondere unter verschiedenen Betrachtungswinkeln gleich hell erscheint.
Weitere Ausführungsformen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, anhand derer die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen der Erfindung näher beschrieben und erläutert sind.
Es zeigen:
2 ein erfindungsgemäßes Lichtleitelement im Längsschnitt;
3 eine Detailansicht der Darstellung gemäß 2;
4 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lichtleitelements in perspektivischer Seitenansicht;
5 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lichtleitelements im Längsschnitt; und
6 ein Lichtleiter mit einem erfindungsgemäßen Lichtleitelement.
In der folgenden Beschreibung sind identische oder einander entsprechende Merkmale mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die 2 zeigt ein Lichtleitelement 10, welches eine Lichteintrittsfläche 12 zum Einleiten von Licht in das Lichtleitelement 10 aufweist. Ferner weist das Lichtleitelement 10 eine Lichtaustrittsfläche 14 auf, durch welche Licht aus dem Lichtleitelement 10 austreten kann. Die Lichteintrittsfläche 12 und die Lichtaustrittsfläche 14 begrenzen einen sich zwischen ihnen erstreckenden Lichtleitabschnitt 16 in seiner Ausdehnung entlang einer Hauptlichtleitachse 18.
Der Lichtleitabschnitt 16 ist in der 2 in einem Längsschnitt durch die Hauptlichtleitachse 18 dargestellt.
In seiner lateralen Ausdehnung bezüglich der Hauptlichtleitachse 18 wird der Lichtleitabschnitt 16 von einer ersten Lichtleitfläche 20 und einer zweiten Lichtleitfläche 22 begrenzt. Die erste Lichtleitfläche 20 und die zweite Lichtleitfläche 22 erstrecken sich ebenfalls zwischen der Lichteintrittsfläche 12 und der Lichtaustrittsfläche 14 derart, dass die genannten Flächen jeweils eine Kante gemeinsam haben.
Mit der Hauptlichtleitachse 18 schließen die erste Lichtleitfläche 20 und die zweite Lichtleitfläche 22 jeweils einen nichtverschwindenden Winkel ein. Die erste Lichtleitfläche 20 und die zweite Lichtleitfläche 22 verlaufen derart schräg zueinander, dass der Lichtleitabschnitt 16 einen zur Lichtleitung wirksamen Querschnitt senkrecht zur Hauptlichtleitachse 18 auf, welcher sich in Richtung ausgehend von der Lichteintrittsfläche 12 zu der Lichtaustrittsfläche 14 erweitert.
Bei dem Lichtleitelement 10 weist die Lichtaustrittsfläche 14 einen mehr als doppelt so großen Durchmesser in dem dargestellten Längsschnitt auf, wie die Lichteintrittsfläche 12. Wird beispielsweise angenommen, dass die Lichteintrittsfläche 12 und die Lichtaustrittsfläche 14 im Wesentlichen quadratisch ausgebildet sind, so weist daher die Lichtaustrittsfläche 14 einen mehr als vier mal so großen Querschnitt (im Sinne einer Querschnittsfläche) auf, wie die Lichteintrittsfläche 12.
Die erste Lichtleitfläche 20 und die zweite Lichtleitfläche 22 sind jedoch bei dem Lichtleitelement 10 nicht glatt ausgebildet. Vielmehr weist jede dieser Flächen eine Vielzahl von Wellenstrukturelementen 24 auf, welche weiter unten im Zusammenhang mit der 3 näher erläutert werden.
Der Lichtleitabschnitt 16 ist bei dem Lichtleitelement 10 aus einem transparenten Material wie beispielsweise Glas oder Kunststoff (beispielsweise PMMA, „Polymetyhlmethacrylat“) geformt.
Bei dem so ausgebildeten Lichtleitabschnitt 16 verlaufen die erste Lichtleitfläche 20 und die zweite Lichtleitflächen 22 sowie die Wellenstrukturelemente 24 derart, dass ein in dem Lichtleitabschnitt 16 in Richtung ausgehend von der Lichteintrittsfläche 12 zu der Lichtaustrittsfläche 14 verlaufendes Lichtbündel unter interner Totalreflexion an den Lichtleitflächen 20, 22 geleitet werden kann.
Zur Erläuterung der Wirkung der Wellenstrukturelemente 24 wird im Folgenden angenommen, dass im Bereich der Lichteintrittsfläche 12 eine als idealisierte Punktlichtquelle ausgebildete Lichtquelle 26 angeordnet ist. Ein von dieser Lichtquelle 26 ausgestrahlter Lichtstrahl koppelt über die Lichteintrittsfläche 12 nach dem Brechungsgesetz in den Lichtleitabschnitt 16 ein. Danach wird der Lichtstrahl gegebenenfalls unter einfacher oder mehrfacher Totalreflexion an den Lichtleitflächen 20 und 22 zu der Lichtaustrittsfläche 14 geleitet, durch die er wiederum unter Brechung aus dem Lichtleitelement 10 austritt.
Wird in diesem Falle die Lichtaustrittsfläche 14 von einem Beobachtungspunkt 28 (durch eine idealisierte Blende mit nahezu verschwindender Blendenöffnung) betrachtet, so erscheint die Lichtaustrittsfläche 14 nur unter solchen Blickwinkeln relativ zur Hauptlichtleitachse 18 hell, unter denen ein Lichtstrahl auf den Beobachtungspunkt 28 trifft, welcher einem der in der 2 gestrichelt dargestellten möglichen Lichtwege ausgehend von der Lichtquelle 26 durch das Lichtleitelement 10 zu dem Beobachtungspunkt 28 entspricht.
Das in der 2 dargestellte Lichtleitelement 10 unterscheidet sich von dem in der 1 dargestellten, bekannten Lichtleitelement 100 im vorliegenden Fall nur durch die Wellenstrukturelemente 24 an den Lichtleitflächen 20, 22. Diese haben zur Folge, dass gegenüber der 1 eine deutlich höhere Zahl möglicher Lichtwege durch das Lichtleitelement 10 zwischen der Lichtquelle 26 und dem Beobachtungspunkt 28 existieren: Neben dem ohne Totalreflexion zwischen Lichtquelle 26 und Beobachtungspunkt 28 verlaufendem Direktstrahl gibt es im Falle der 2 eine ganze Reihe von Lichtwegen, welche zweimalige oder sogar dreimalige Totalreflexion umfassen.
Dies führt dazu, dass die Lichtaustrittsfläche 14 nicht nur wie im Falle der 1 unter einer geringen Anzahl von Blickwinkeln hell erscheint, sondern unter einer ganzen Reihe verschiedener Blickwinkel eine (ggf. verzerrte) Spiegelung der Lichtquelle 26 erkennbar ist. Aufgrund der Wellenstrukturelemente 24 kann daher eine Auffächerung der Spiegelbilder der Lichtquellen erzielt werden und daher unter einer Vielzahl von verschiedenen Blickwinkeln im Beobachtungspunkt ein Lichtquellenbild erfasst werden. Überträgt man diese Beobachtung wiederum auf eine reale (ausgedehnte) Lichtquelle und einen realen (ausgedehnten) Beobachtungspunkt, so führt dies zu einer im Wesentlichen homogen erleuchtet erscheinenden Lichtaustrittsfläche 14. Im vorliegenden Fall erscheinen etwa vier Fünftel der Lichtaustrittsfläche 14 hell erleuchtet.
Die 3 zeigt den in der 2 dargestellten Längsschnitt durch das Lichtleitelement 10 in einer vergrößerten, ausschnittsweisen Darstellung. Hierbei ist erkennbar, dass ein jedes der Wellenstrukturelemente 24 dadurch gebildet wird, dass die zugehörige Lichtleitfläche (hier die erste Lichtleitfläche 20) im Längsschnitt abschnittsweise einen Verlauf mit einem ersten Kurvenabschnitt 30 und einem zweiten Kurvenabschnitt 32 aufweist, wobei sich der zweite Kurvenabschnitt 32 in Richtung ausgehend von der Lichteintrittsfläche 12 zu der (in 3 nicht dargestellten) Lichtaustrittsfläche 14 in einem Knick 34 an dem ersten Kurvenabschnitt 30 anschließt. Dies wird dadurch erreicht, dass der erste Kurvenabschnitt 30 und der zweite Kurvenabschnitt 32 zwar dieselbe Krümmung aufweist, jedoch in ihrem dem Knick 34 bildenden Anschlusspunkt unterschiedliche Steigung haben.
Das so gebildete Wellenstrukturelement 24 ist demnach in seinem Verlauf senkrecht zu dem dargestellten Längsschnitt rippenartig ausgebildet.
Das Lichtleitelement 10 gemäß den 2 und 3 weist dabei über die volle Ausdehnung der ersten Lichtleitfläche 20 und der zweiten Lichtleitfläche 22 eine Vielzahl von aneinander anschließenden Wellenstrukturelementen 24 auf. Die Wellenstrukturelemente 24 an der zweiten Lichtleitfläche 22 sind dabei den Wellenstrukturelementen 24 an der ersten Lichtleitfläche 20 als zugeordnete Spiegelbilder an der Hauptlichtleitachse 18 ausgebildet.
In der 4 ist ein Lichtleitelement 40 dargestellt, welches im Gegensatz zu dem Lichtleitelement 10 nur eine kleinere Zahl von Wellenstrukturelementen aufweist.
Das Lichtleitelement 40 ist in der 4 nicht in einem Längsschnitt, sondern in einer perspektivischen Seitenansicht in Bezug auf die Hauptlichtleitachse 18 dargestellt. Erkennbar wird der Lichtleitabschnitt 16 des Lichtleitelements 14 wiederum durch eine erste Lichtleitfläche 20 in lateraler Richtung begrenzt, welcher eine in der Darstellung der 4 nicht sichtbare, in Bezug auf die Hauptlichtleitachse 18 gegenüberliegende zweite Lichtleitfläche zugeordnet ist. Darüber hinaus wird der Lichtleitabschnitt 16 von einer weiteren Lichtleitfläche 42 lateral begrenzt, welche sich im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Lichtleitfläche 20 erstreckt. Dieser ist wiederum eine gegenüberliegende weitere Lichtleitfläche zugeordnet (in der Darstellung gemäß 4 nicht sichtbar). Die Lichteintrittsfläche 12 und die Lichtaustrittsfläche 14 sind ähnlich wie zu den 2 und 3 erläutert, als quadratische Grundflächen ausgebildet. Dementsprechend wird der Lichtleitabschnitt 16 von einer sich zwischen der Lichteintrittsfläche 12 und der Lichtaustrittsfläche 14 erstreckenden Mantelfläche lateral begrenzt. Hierbei bilden jeweils gegenüberliegende Bereiche (in Bezug auf die Hauptlichtleitachse 18) die erste Lichtleitfläche beziehungsweise die zweite Lichtleitfläche beziehungsweise die weitere Lichtleitfläche und die ihr zugeordnete wiederum weitere Lichtleitfläche. Dabei ist die Mantelfläche derart ausgebildet, dass Licht unter interner Totalreflexion in dem Lichtleitabschnitt 16 von der Lichteintrittsfläche 12 zu der Lichtaustrittsfläche 14 geleitet werden kann.
Bei dem Lichtleitelement 40 weisen sämtliche Lichtleitflächen jeweils drei in Richtung ausgehend von der Lichteintrittsfläche 12 zu der Lichtaustrittsfläche 14 aneinander anschließende Wellenstrukturelemente 24 auf.
Diese werden bei dem Lichtleitelement 40 dadurch gebildet, dass die Mantelfläche, welche den Lichtleitabschnitt 16 lateral begrenzt, derart ausgebildet ist, dass der Lichtleitabschnitt 16 zur Bildung je eines Wellenstrukturelements 24 ein in Bezug auf die Hauptlichtleitachse 18 umlaufendes Strukturelement 44 aufweist.
Das Strukturelement 44 erstreckt sich jeweils bundartig um den Lichtleitabschnitt 16. In einem gedachten Längsschnitt durch die Hauptlichtleitachse 18 zeigt das Strukturelement 44 wiederum die zu 3 erläuterte Ausgestaltung des Wellenstrukturelements 24 (das heißt mit zwei in einem Knick aneinander anstoßenden Kurvenabschnitten).
In der 5 ist schematisch eine weitere Ausführungsform eines Lichtleitelements 50 in einem Längsschnitt durch seine Hauptlichtleitachse 18 dargestellt.
Der entsprechende Lichtleitabschnitt 16 ist im Falle des Lichtleitelements 50 in laterale Richtung durch eine erste Lichtleitfläche 52 und eine in Bezug auf die Hauptlichtleitachse 18 gegenüberliegende zweite Lichtleitfläche 54 begrenzt. Im Gegensatz zu den Lichtleitelementen 10 und 40 sind jedoch die erste Lichtleitfläche 52 und die zweite Lichtleitfläche 54 nicht spiegelbildlich zueinander ausgebildet, sondern weisen unterschiedliche Wellenstrukturelemente auf.
Anhand der ersten Lichtleitfläche 52 werden im Folgenden mögliche Ausgestaltungen eines Wellenstrukturelements beschrieben.
So weist die erste Lichtleitfläche 52 in ihrem der Lichtaustrittsfläche 14 benachbarten Bereich in einer Längsschnitt-Darstellung einen ersten geraden Abschnitt 56 und einen an diesen in Richtung ausgehend von der Lichteintrittsfläche 12 zu der Lichtaustrittsfläche 14 anschließenden zweiten geraden Abschnitt 58 auf. Die geraden Abschnitte 56 und 58 schließen miteinander einen nicht verschwindenden, stumpfen Winkel ein, so dass im Bereich ihres Anschlusses ein Knick 60 gebildet wird, welcher sich in der Lichtleitfläche 52 im Wesentlichen senkrecht zur Hauptlichtleitachse 18 erstreckt.
In ihrem den geraden Abschnitten 56 und 58 vorgelagerten Bereich (wiederum in Richtung ausgehend von der Lichteintrittsfläche 12 zu der Lichtaustrittsfläche 14) zeigt die erste Lichtleitfläche 52 eine andere Ausgestaltung zur Realisierung eines Wellenstrukturelements. Hierbei ist die Lichtleitfläche 52 mit einer beulenartigen Einbuchtung versehen. Diese Einbuchtung weist in dem in der 5 dargestellten Längsschnitt einen kreisbogenartigen Verlauf auf (Kreisbogenabschnitt 62), wobei dem Kreis ein Mittelpunkt außerhalb des Lichtleitabschnitts 16 zugeordnet ist, das heißt der Kreisbogenabschnitt 62 ist von der Hauptlichtleitachse 18 weg gekrümmt.
In ihrem der Lichteintrittsfläche 12 benachbarten Bereich zeigt die erste Lichtleitfläche 52 eine weitere Möglichkeit zur Realisierung eines Wellenstrukturelements. Dabei hat die erste Lichtleitfläche 52 in dem dargestellten Längsschnitt einen Verlauf mit einem ersten Kreisbogenabschnitt 64 und einem an diesen anschließenden zweiten Kreisbogenabschnitt 66. Der zweite Kreisbogenabschnitt 66 schließt sich in Richtung ausgehend von der Lichteintrittsfläche 12 zu der Lichtaustrittsfläche 14 an den ersten Kreisbogenabschnitt 64 an. Dieser Anschluss erfolgt in einem Anschlusspunkt 68. Der erste Kreisbogenabschnitt 64 ist dabei wie der oben erläuterte Kreisbogenabschnitt 62 von der Hauptlichtleitachse 18 weg gekrümmt. Demgegenüber ist der zweite Kreisbogenabschnitt 66 zu der Hauptlichtleitachse 18 hin gekrümmt (das heißt ist einem Kreis zugeordnet, dessen Mittelpunkt in dem Lichtleitabschnitt 16 oder auf der zu der ersten Lichtleitfläche 52 gegenüberliegenden Seite der Hauptlichtleitachse 18 liegt). Der erste Kreisbogenabschnitt 64 und der zweite Kreisbogenabschnitt 66 sind dabei derart ausgebildet, dass beide Kreisbogenabschnitte in dem Anschlusspunkt 68 mit einem stetigen Steigungsverlauf (das heißt mit einer gemeinsamen Tangente) aneinander anschließen.
Wie bereits angesprochen, ist die zweite Lichtleitfläche 54 nicht als Spiegelbild der ersten Lichtleitfläche 52 an der Hauptlichtleitachse 18 (beziehungsweise an einer hierdurch verlaufenden Spiegelebene) ausgebildet. Vielmehr unterscheidet sich die zweite Lichtleitfläche 54 von der ersten Lichtleitfläche 52 dadurch, dass die Wellenstrukturelemente der zweiten Lichtleitfläche 54 eine wesentlich geringere Amplitude senkrecht zu einem gedachten glatten Verlauf (in 5 gestrichelt dargestellt) der Lichtleitfläche 54 aufweisen als die Wellenstrukturelemente der ersten Lichtleitfläche 52.
Dies führt dazu, dass sich in bestimmten Abschnitten im Verlauf ausgehend von der Lichteintrittsfläche 12 zu der Lichtaustrittsfläche 14 die erste Lichtleitfläche 52 der Hauptlichtleitachse 18 annähert (beispielsweise im Bereich des Kreisbogenabschnitts 62), wogegen sich in diesem Bereich die gegenüberliegende zweite Lichtleitfläche 54 von der Hauptlichtleitachse 18 entfernt. Im Bereich des Kreisbogenabschnitts 62 führt dies dazu, dass sich abschnittsweise der Querschnitt des Lichtleitabschnitts 16 in Richtung ausgehend von der Lichteintrittsfläche 12 zur Lichtaustrittsfläche 14 verjüngt. Außerdem ist erkennbar, dass sich in dem genannten Bereich bei Fortschreiten in Richtung von der Lichteintrittsfläche 12 zu der Lichtaustrittsfläche 14 eine gedachte Querschnittsfläche in lateraler Richtung zu der Hauptlichtleitachse 18 verlagert.
Die 6 schließlich zeigt einen Lichtleiter 18, welcher einen Lichtleitkörper 82 aufweist. Der Lichtleitkörper 82 ist von Mantelflächen 83 derart begrenzt, dass in dem Lichtleitkörper 82 Lichtbündel durch Totalreflexion an der Mantelfläche 83 geleitet werden können.
Zum Einkoppeln von Licht in den Lichtleitkörper 82 weist der Lichtleiter 80 einen Einkoppelabschnitt 84 auf. Dieser Einkoppelabschnitt 84 ist in der Art eines der vorstehend beschriebenen Lichtleitelemente ausgebildet.
Demzufolge weist der Einkoppelabschnitt 84 einen Lichtleitabschnitt 16 auf, welcher zunächst von einer Lichteintrittsfläche 12 begrenzt wird, durch welche hindurch Licht in den Einkoppelabschnitt 84 und somit in den Lichtleiter 80 eingestrahlt werden kann.
In seiner lateralen Ausdehnung wird der Einkoppelabschnitt 84 wiederum von einer ersten Lichtleitfläche 86 und einer zweiten Lichtleitfläche 88 begrenzt. Wie bei den vorstehend erläuterten Lichtleitelementen 10, 40, 50 verlaufen die erste Lichtleitfläche 86 und die zweite Lichtleitfläche 88 derart schräg zueinander, dass sich der Querschnitt des Lichtleitabschnitts 16 ausgehend von der Lichteintrittsfläche in Richtung zu dem Lichtleitkörper 82 erweitert. Außerdem weist jede der Lichtleitflächen 86 und 88 eine Vielzahl von Wellenstrukturelementen 24 (welche in der 6 nur angedeutet sind) auf. Insofern ist der Einkoppelabschnitt 84 in der Art des zu 2 erläuterten Lichtleitelements 10 ausgestaltet, wobei jedoch jede weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungsmöglichkeit für das den Einkoppelabschnitt 84 bildende Lichtleitelement denkbar ist.
Der Einkoppelabschnitt 84 unterscheidet sich von den vorstehend beschriebenen Lichtleitelementen jedoch dadurch, dass er in seinem der Lichteintrittsfläche 12 abgewandten Bereich einstückig in den Lichtleitkörper 82 übergeht. Insofern weist der Einkoppelabschnitt 84 lediglich eine gedachte Lichtaustrittsfläche 85 auf, an welcher der Einkoppelabschnitt 84 in den Lichtleitkörper 82 übergeht. Dieser Übergang ist derart ausgestaltet, dass ein in dem Lichtleitabschnitt 16 des Einkoppelabschnitts 84 verlaufendes Lichtbündel brechungsfrei in den Lichtleitkörper 82 übergehen kann. Dies kann beispielsweise durch eine einstückige Ausbildung von Einkoppelabschnitt 84 und Lichtleitkörper 82 erzielt werden.
Der in der 6 dargestellte Lichtleiter 80 weist in seinem Lichtleitkörper 82 ein Auskoppelelement 90 auf. Dieses Auskoppelelement 90 kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Lichtleitkörper 82 mit einer im Querschnitt dreieckigen Ausnehmung versehen wird, welche zu der Mantelfläche 83 hin geöffnet ist. An einer Wandung einer solchen Ausnehmung kann nach dem Brechungsgesetz Totalreflexion auftreten. Dies führt dazu, dass Lichtbündel, welche in dem Lichtleitkörper 82 verlaufen, über einen Auskoppelbereich 92 des Lichtleitkörpers 82 aus dem Lichtleiter 80 austreten.
Da der Einkoppelabschnitt 84 dazu führt, dass seine gedachte Lichtaustrittsfläche 85 weitgehend homogen ausgeleuchtet wird (wie vorstehend erläutert), weist auch die von dem Auskoppelelement 90 ausgekoppelte Ausgangslichtverteilung des Lichtleiters 80 eine weitgehend winkelunabhängige, homogene Helligkeitsverteilung auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10231325 A1 [0004]

Claims

Lichtleitelement (10, 40, 50) für eine Beleuchtungseinrichtung, – mit wenigstens einer Lichteintrittsfläche (12) zum Einleiten von Licht in das Lichtleitelement (10, 40, 50), – mit wenigstens einer von der Lichteintrittsfläche (12) beabstandeten Lichtaustrittsfläche (14), durch die in dem Lichtleitelement (10, 40, 50) geleitetes Licht aus diesem austreten kann, – mit einem sich entlang einer Hauptlichtleitachse (18) zwischen der Lichteintrittsfläche (12) und der Lichtaustrittsfläche (14) erstreckenden Lichtleitabschnitt (16), – wobei der Lichtleitabschnitt (16) von wenigstens zwei in Bezug auf die Hauptlichtleitachse (18) gegenüberliegenden Lichtleitflächen (20, 22; 42; 52, 54) derart begrenzt ist, dass Licht unter interner Totalreflexion in dem Lichtleitabschnitt (16) von der Lichteintrittsfläche (12) zu der Lichtaustrittsfläche (14) geleitet werden kann, – wobei die Lichtleitflächen (20, 22, 42, 52, 54) zum Kollimieren eines im Lichtleitabschnitt (16) geleiteten Lichtbündels derart verlaufen, dass sich der Querschnitt des Lichtleitabschnitts (16) senkrecht zur Hauptlichtleitachse (18) ausgehend von der Lichteintrittsfläche (12) zu der Lichtaustrittsfläche (14) vergrößert, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Lichtleitfläche (20, 22, 42, 52, 54) ein Wellenstrukturelement (24) aufweist, wobei das Wellenstrukturelement (24) in einem Längsschnitt entlang des Verlaufs von der Lichteintrittsfläche (12) zur Lichtaustrittsfläche (14) wenigstens zwei aneinander anschließende Kurvenabschnitte (64, 66) mit unterschiedlicher Steigung aufweist.
Lichtleitelement (10, 40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, die Lichtleitflächen(20, 22, 42, 52, 54) derart verlaufen, dass sich der Querschnitt des Lichtleitabschnitts (16) ausgehend von der Lichteintrittsfläche (12) zu der Lichtaustrittsfläche (14) streng monoton vergrößert oder monoton vergrößert, oder abschnittsweise konstant ist.
Lichtleitelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenstrukturelement (24) derart ausgebildet ist, dass der Lichtleitabschnitt (16) hinterschneidungsfrei verläuft.
Lichtleitelement (10, 40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Lichtleitflächen (20, 22) und/oder eine weitere Lichtleitfläche (42) oder sämtliche Lichtleitflächen wenigstens ein Wellenstrukturelement (24) aufweisen, insbesondere eine Mehrzahl von Wellenstrukturelementen (24) derart aufweisen, dass im gesamten Verlauf der jeweiligen Lichtleitfläche (20, 22, 42, 52, 54) Wellenstrukturelemente (24) angeordnet sind.
Lichtleitelement (50) nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Wellenstrukturelement (24) einer ersten Lichtleitfläche (54) derart ausgebildet ist, dass sich die erste Lichtleitfläche (54) im Bereich des Wellenstrukturelements (24) in Richtung ausgehend von der Lichteintrittsfläche (12) zur Lichtaustrittsfläche (14) von der Hauptlichtleitachse (18) entfernt, und dass das wenigstens eine Wellenstrukturelement (24) einer anderen Lichtleitfläche (52) derart ausgebildet ist, dass sich die andere Lichtleitfläche (52) im Bereich des Wellenstrukturelements (24) in Richtung ausgehend von der Lichteintrittsfläche (12) zur Lichtaustrittsfläche (14) der Hauptlichtleitachse (18) annähert.
Lichtleitelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Wellenstrukturelement (24) über die gesamte Lichtleitfläche (20, 22, 42, 52, 54) oder nur abschnittsweise über die Lichtleitfläche (20, 22, 42, 52, 54) erstreckt.
Lichtleitelement (10, 40, 50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Lichtleitflächen (20, 22, 42, 52, 54) eine Vielzahl von Wellenstrukturelementen (24) aufweisen, welche entlang des Verlaufs der jeweiligen Lichtleitfläche (20, 22, 42, 52, 54) von der Lichteintrittsfläche (12) zur Lichtaustrittsfläche (14) regelmäßig angeordnet sind.
Lichtleitelement (40) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleitabschnitt (16) wenigstens ein in Bezug auf die Hauptlichtleitachse (18) umlaufendes Strukturelement (44) aufweist, welches insbesondere kragenartig, oder bundartig oder nutartig ausgebildet ist, wobei das umlaufende Strukturelement (44) das Wellenstrukturelement (24) bildet.
Lichtleitelement (50) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenstrukturelement (24) in einem Längsschnitt entlang des Verlaufs von der Lichteintrittsfläche (12) zur Lichtaustrittsfläche (14) aneinander anschließende Kurvenabschnitte (64, 66) aufweist, welche unterschiedliche Krümmungen aufweisen.
Lichtleitelement (50) nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurvenabschnitte (62, 64) mit stetigem Steigungsverlauf aneinander anschließen.
Lichtleitelement (50) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenstrukturelement (24) in einem Längsschnitt zwei Geradenabschnitte (56, 58) aufweist, welche unter Bildung eines Knicks (60) aneinander anschließen.
Lichtleitelement nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitflächen und der Lichtleitabschnitt derart ausgebildet sind, dass der Querschnitt des Lichtleitabschnittes an jeder Position zwischen der Lichteintrittsfläche und der Lichtaustrittsfläche von der Form der Lichteintrittsfläche und/oder der Lichtaustrittsfläche formmäßig abweicht.
Lichtleiter (80) mit einem Lichtleitkörper (82) und einem Einkoppelabschnitt (84) zum Einkoppeln von Licht in den Lichtleitkörper (82), dadurch gekennzeichnet, dass der Einkoppelabschnitt (84) als ein Lichtleitelement (10, 40, 50) nach einem der vorherigen Ansprüche ausgebildet ist, wobei die Lichtaustrittsfläche (14, 85) des Lichtleitelements (10, 40, 50) einstückig mit dem Lichtleitkörper (82) verbunden ist, insbesondere derart verbunden ist, dass ein Lichtbündel brechungsfrei aus dem Einkoppelabschnitt (84) in den Lichtleitkörper (82) übergehen kann.