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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeugleuchte nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine solche Leuchte ist aus der
DE 197 40 317 C1 bekannt und weist eine Lichtquelle und einen Lichtleiter auf, der ein von einer ersten Seite und einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite begrenztes Auskopplungsvolumen aufweist. Die zweite Seite weist Umlenkflächen auf, die dazu eingerichtet sind, auf sie auftreffendes Licht so zu der ersten Seite umzulenken, dass dieses Licht dort um eine Hauptabstrahlrichtung herum verteilt ausgekoppelt wird. Die Leuchte weist ferner eine Blende auf, die in einer der Hauptabstrahlrichtung entgegengesetzten Richtung hinter der zweiten Seite angeordnet ist.
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Die Blende ist dabei als farbige Blende verwirklicht und bestimmt die Farbe der Kraftfahrzeugleuchte bei abgeschalteter Lichtquelle, indem sie nur einen Teil des Spektrums des einfallenden weißen Tageslichtes reflektiert. Bei eingeschalteter Lichtquelle wirkt sich dies auf die Farbe des von der Kraftfahrzeugleuchte abgestrahlten Lichtes aus, was unerwünscht ist, weil es die Signalfarbe verfälscht.
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Die erste und die zweite Seite des Lichtleiters der bekannten Leuchte sind dabei als planparallele Seiten verwirklicht. Das Licht der Lichtquelle wird über eine nicht gekrümmte Schmalseite des Lichtleiters direkt in das von den planparallelen Seiten begrenzte Lichtleitervolumen eingekoppelt.
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Bei modernen Kraftfahrzeugen werden Lichtleiter zunehmend für Leuchten verwendet. Bei Beleuchtungseinrichtungen von Kraftfahrzeugen wird zwischen Scheinwerfern und Leuchten unterschieden. Scheinwerfer dienen dazu, den Fahrweg so zu beleuchten, dass ein Fahrer Hindernisse im Fahrweg erkennen und entsprechend reagieren kann. Leuchten dienen dagegen dazu, anderen Verkehrsteilnehmern das Vorhandensein und/oder Verhalten des Kraftfahrzeuges zu signalisieren. Solche Leuchten werden am Bug, an der Seite oder am Heck von Kraftfahrzeugen verwendet. Ein Beispiel einer Bugleuchte ist eine Tagfahrleuchte. Beispiele von Heckleuchten sind Bremsleuchten und Schlussleuchten. Sowohl am Bug als auch am Heck und auch an der Seite werden Blinkleuchten verwendet. An der Seite werden darüber hinaus Positionsleuchten verwendet.
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Bei Leuchten wird zumindest für einige Lichtfunktionen zunehmend ein flächiges Erscheinungsbild der leuchtenden Fläche angestrebt.
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Die bekannte Leuchte weist einen sehr voluminösen Lichtleiter auf, bei dem das Licht über kurze Seitenflächen des Lichtleiters eingekoppelt und über eine lange Stirnseite ausgekoppelt wird. Die Abstrahlung des Lichtes erfolgt parallel zu der Einkoppelfläche und damit etwa senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des einzukoppelnden Lichtes. Die voluminöse Gestalt des Lichtleiters geht mit einem vergleichsweise großen Bauraumbedarf, einem vergleichsweise hohen Gewicht und einem vergleichsweise großen durchstrahlten Lichtleitervolumen einher. Aus dem vergleichsweise großen durchstrahlten Lichtleitervolumen resultiert ein entsprechend hoher Verlust durch Absorption. Aufgrund der hohen Absorption entsteht ein hoher Bedarf an einzukoppelndem Licht, der durch leistungsfähige und damit teure Lichtquellen gedeckt werden muss.
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Von dem eingangs genannten Stand der Technik unterscheidet sich die vorliegende Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
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Nach diesen Merkmalen ist die Blende als nicht-reflektierende und damit schwarz erscheinende Blende verwirklicht, und die erste Seite des Lichtleiters weist einzelne, voneinander räumlich getrennte und in der Hauptabstrahlrichtung relativ zueinander versetzte Auskoppelflächen auf. Dabei sind die in der zweiten Seite liegenden Umlenkflächen ebenfalls in Hauptabstrahlrichtung relativ zueinander versetzt. Die Auskoppelflächen und die Umlenkflächen sind aufeinander abgestimmt so dimensioniert und angeordnet, dass jeweils eine der Auskoppelflächen jeweils nur von genau einer Umlenkfläche von der zweiten Seite her beleuchtet wird. Der Lichtleiter weist ein zwischen der Lichteintrittsfläche und dem Auskoppelvolumen liegendes Bündelungsvolumen auf, das dazu eingerichtet ist, den Öffnungswinkel des in das Auskopplungsvolumen eintretenden Lichtbündels zu verringern.
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Dadurch, dass die Blende als nicht reflektierende Blende verwirklicht ist, wird auch kein oder zumindest nur entsprechend wenig einfallendes Sonnenlicht reflektiert. Als Folge wird die Signalfarbe der Leuchte in hellen Umgebungen weniger verändert als dies bei einer metallisierten farbigen Blende der Fall wäre. Insbesondere für ein Blinklicht ergibt sich eine hohe Signalwirkung auch bei Sonneneinstrahlung. Darüber hinaus werden sogenannte Phantomlicht-Effekte vermieden. Unter einem Phantomlicht wird hier verstanden, dass in die Leuchte eingestrahltes Sonnenlicht in der Leuchte so unglücklich reflektiert wird, dass es durch einen anderen Verkehrsteilnehmer als Signal fehlinterpretiert wird. Außerdem ergibt sich im Vergleich zu Leuchten mit einer verspiegelten Blende eine Kostensenkung, da bei der Erfindung keine Verspiegelungen benötigt werden.
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Dadurch, dass die erste Seite einzelne, voneinander räumlich getrennte und in der Hauptabstrahlrichtung relativ zueinander versetzte Auskoppelflächen aufweist und dass die in der zweiten Seite liegenden Umlenkflächen ebenfalls in Hauptabstrahlrichtung relativ zueinander versetzt sind, wobei die Auskoppelflächen und die Umlenkflächen aufeinander abgestimmt so dimensioniert und angeordnet sind, dass jeweils eine der Auskoppelflächen jeweils nur von genau einer Umlenkfläche von der zweiten Seite her beleuchtet wird, ergibt sich ein flächiger Lichtleiterbereich, der eine Abstrahlung des Lichtes etwa in Richtung der Flächennormalen der ersten Seite erlaubt, die eine im Vergleich zu den Schmalseiten des Lichtleiters breite und ausgedehnte Fläche besitzt. Dadurch wird eine vergleichsweise große Licht abstrahlende Fläche bei vergleichsweise kleinem mit Licht durchstrahltem Lichtleitervolumen erzielt. Als Folge sind die durch Absorption bedingten Verluste niedriger als beim Stand der Technik. Daher ist auch der Lichtstrombedarf bei der Einkoppelung niedriger als beim Stand der Technik, was zu vergleichsweise niedrigeren Kosten für Leuchtmittel führt.
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Das vergleichsweise geringere durchstrahlte Lichtleitervolumen führt auch zu einem vorteilhaft verringertem Bauraumbedarf und einem niedrigeren Gewicht, was ebenfalls die Herstellkosten senkt und darüber hinaus über den Umweg einer Kraftstoffersparnis auch dazu beiträgt, die Betriebskosten eines Kraftfahrzeugs zu senken.
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Dadurch, dass der Lichtleiter ein zwischen der Lichteintrittsfläche und dem Auskoppelvolumen liegendes Bündelungsvolumen aufweist, das dazu eingerichtet ist, den Öffnungswinkel des in das Auskopplungsvolumen eintretenden Lichtbündels zu verringern, nehmen auch die zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Lichtleiters in der Hauptabstrahlrichtung erforderlichen Abmessungen mit der Verringerung des Öffnungswinkels ab. Dadurch ergibt sich der Vorteil eines verringerten Bauraumbedarfs in der Hauptabstrahlrichtung.
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Darüber hinaus kann bei dem verringerten Öffnungswinkel auch der Abstand zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite vergleichsweise kleiner gehalten werden, ohne dass die effiziente optische Auslegung des Lichtleiters beeinträchtigt wird. Auch daraus resultiert eine Ersparnis von Material und Gewicht, was bei dem angestrebten flächigen Lichtleiter besonders wichtig ist.
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In der Summe ergeben sich also die Vorteile einer hohen Signalwirkung auch bei Sonneneinstrahlung, einer Vermeidung von Phantomlicht-Effekten, einer Verringerung von Kosten aus mehreren Gründen, ein geringerer Bauraumbedarf, und ein niedrigeres Gewicht, was nicht nur die Herstellkosten senkt, sondern darüber hinaus über den Umweg einer Kraftstoffersparnis auch dazu beiträgt, die Betriebskosten eines Kraftfahrzeugs zu senken.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die 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.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
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1 einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte aus einer quer zur Abstrahlrichtung liegenden Blickrichtung;
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2 einen dreidimensionalen Ausschnitt aus dem Lichtleiter der Leuchte aus der 1;
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3 eine Seitenansicht des Gegenstands der 2;
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4 den Gegenstand der 3 zusammen mit Strahlengängen von Licht;
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5 eine Ausschnittsvergrößerung aus der 4;
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6 eine perspektivische Darstellung eines Lichtleiters einer bevorzugten Ausgestaltung der Leuchte;
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7 eine Ausgestaltung des Gegenstandes der 6;
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8 eine perspektivische Darstellung einer Anordnung aus einer Halbleiterlichtquelle, einem Lichtleiter und einer schwarzen Blende eines bevorzugten Ausführungsbeispiels;
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9 verschiedene, vom Lichtleiter nach den 6 bis 8 ausgehende Strahlenbündel;
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10 eine Simulation der Beleuchtungsstärke für den Gegenstand der 6 bis 8; und
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11 eine Lichtleiteranordnung, die aus Ausgestaltungen von Lichtleitern nach den 6 bis 8 modular zusammengesetzt ist.
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Im Einzelnen zeigt die 1 eine Kraftfahrzeugleuchte 1 mit einem Gehäuse 2 und einer transparenten Abdeckscheibe 3, die eine Lichtaustrittsöffnung 4 der Leuchte abdeckt. Die Leuchte weist einen Lichtleiter 10 und eine Lichtquelle 14 auf, die relativ zueinander so angeordnet sind, dass Licht der Lichtquelle in den Lichtleiter eingekoppelt wird.
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Der Lichtleiter weist eine erste Seite 18 und eine der ersten Seite gegenüber liegende zweiten Seite 20 auf. Die erste Seite und die zweite Seite begrenzen ein Auskopplungsvolumen 16 des Lichtleiters, wobei die zweite Seite Umlenkflächen 22 aufweist, die dazu eingerichtet sind, auf sie auftreffendes Licht so zu der ersten Seite 18 umzulenken, dass dieses Licht dort um eine Hauptabstrahlrichtung 19 herum verteilt ausgekoppelt wird. Darüber hinaus weist die die Kraftfahrzeugleuchte eine Blende 21 auf, die in einer der Hauptabstrahlrichtung 19 entgegengesetzten Richtung 23 hinter der zweiten Seite 20 angeordnet ist.
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Die Blende 21 ist eine nicht reflektierende und damit schwarz erscheinende Blende. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die schwarze Blende identisch oder zumindest einstückig mit dem ohnehin für die Kühlung der Halbleiterlichtquelle vorhandenen Kühlkörper 21.a ausgeführt.
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Die erste Seite 18 weist einzelne, voneinander räumlich getrennte und in der Hauptabstrahlrichtung 19 relativ zueinander versetzte Auskoppelflächen 26 auf. Lediglich der Klarheit wegen sei erwähnt, dass die Auskoppelflächen natürlich auch quer zur Hauptabstrahlrichtung relativ zueinander versetzt angeordnet sind. Die in der zweiten Seite 20 liegenden Umlenkflächen 22 sind ebenfalls in Hauptabstrahlrichtung und auch quer dazu relativ zueinander versetzt. Dabei sind die Auskoppelflächen 26 und die Umlenkflächen 22 aufeinander abgestimmt so dimensioniert und angeordnet, dass jeweils eine der Auskoppelflächen 26 jeweils nur von genau einer Umlenkfläche 22 von der zweiten Seite 20 her beleuchtet wird.
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Die Halbleiterlichtquelle 14 weist bevorzugt eine oder mehrere Leuchtdioden auf. Für Lichtfunktionen von Kraftfahrzeugen werden bevorzugt Leuchtdioden verwendet, die eine plane Lichtaustrittsfläche besitzen, die quadratisch ist und eine Kantenlänge von 0,3 bis zwei Millimetern aufweist. Je nach benötigter Lichtleistung und benötigten Lichtfarben werden eine oder mehrere, gleichfarbiges oder verschiedenfarbiges Licht emittierende Leuchtdioden als Halbleiterlichtquelle 14 verwendet.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die schwarze Blende identisch oder zumindest einstückig mit dem ohnehin für die Kühlung der Halbleiterlichtquelle vorhandenen Kühlkörper 21.a ausgeführt.
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Bevorzugt ist auch, dass die schwarze Blende in etwa dieselbe Form und Größe wie der Lichtleiter aufweist und so hinter dem Lichtleiter angeordnet ist, dass sie bei einem Blick in die Leuchte hinein sichtbar ist. Blickt man von vorne in die Leuchte 1 hinein, sieht man durch den glasklaren Lichtleiter auf den schwarz ausgeführten Kühlkörper, wodurch die Einheit insgesamt schwarz erscheint.
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Alternativ zu einer solchen Ausgestaltung, bei der die Form der schwarzen Blende an die des Lichtleiters angepasst ist, sieht eine weitere Ausgestaltung vor, dass die schwarze Blende an wenigstens einer Seite, sei es oben und/oder unten und/oder rechts und/oder links, über den Lichtleiter hinausragt und diesen damit ein Stück weit umschließt. Diese Ausgestaltung schirmt den Lichtleiter gegen im Scheinwerfer hinter der schwarzen Blende herrschende hohe Temperaturen ab, wie sie insbesondere beim Einbau der Leuchte in der Nähe des Verbrennungsmotors auftreten können. Das Licht wird dann über den nicht von der Blende abgedeckten Teil des Lichtleiters abgestrahlt.
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Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass bei der Auswahl des Lichtleitermaterials nicht auf Temperaturbeständigkeit geachtet werden muss und dass Materialien (beispielsweise PMMA) mit geringer Absorption verwendet werden können, was letztlich über weniger lichtstarke LEDs und einen kleineren Kühlkörper zu geringeren Kosten führt.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Leuchte eine Blinkleuchte ist. Der Vorteil der besseren Widergabe der Signalfarbe in hellen Umgebungen tritt hier besonders stark hervor, weil der beim Blinken auftretende Wechsel von „schwarz” auf „gelb strahlend” mit einem hohen Kontrast einhergeht, was die Erkennbarkeit einer Blinkleuchte steigert und damit die Verkehrssicherheit erhöht.
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2 zeigt einen dreidimensionalen Ausschnitt aus dem Lichtleiter der Leuchte aus der 1. Der Lichtleiter 10 weist eine Lichteintrittsfläche 12 auf, vor der eine Lichtquelle, insbesondere eine Halbleiterlichtquelle 14 angeordnet ist, die relativ zur Lichteintrittsfläche 12 so ausgerichtet und so nahe an der Lichteintrittsfläche 12 angeordnet ist, dass ihr Licht in den Lichtleiter 10 eingekoppelt wird.
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Licht 24 der Lichtquelle 14, das in das Auskoppelungsvolumen gelangt, wird an Umlenkflächen 22 der zweiten Seite 20 zur ersten Seite 18 umgelenkt und dort über die erste Seite 18 ausgekoppelt. In der dargestellten Ausgestaltung ist die Lichteintrittsfläche 12 parallel zu einer x, z-Ebene ausgerichtet, so dass die Hauptausbreitungsrichtung des in den Lichtleiter 10 eingekoppelten Lichtes parallel zu einer y-Richtung liegt. Die Hauptabstrahlrichtung des über die erste Seite ausgekoppelten Lichtes liegt dann parallel zur z-Richtung. Die x-Richtung, die y-Richtung und die z-Richtung bilden zusammen ein rechtshändig orientiertes Koordinatensystem.
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Die erste Seite 18 weist einzelne, voneinander räumlich getrennte und in der Hauptabstrahlrichtung z relativ zueinander versetzte Auskoppelflächen 26 auf, von denen jeweils eine nur von genau einer Umlenkfläche 22 von der zweiten Seite 20 her beleuchtet wird.
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Zusätzlich weist der Lichtleiter 10 ein zwischen der Lichteintrittsfläche 12 und dem Auskoppelungsvolumen 16 liegendes Bündelungsvolumen 28 auf, das dazu eingerichtet ist, den Öffnungswinkel des in das Auskoppelungsvolumen 16 eintretenden Lichtbündels zu verringern. Diese Wirkung des Bündelungsvolumens 28 ergibt sich daraus, dass sein Querschnitt, ausgehend von einem durch die Lichteintrittsfläche 12 gebildeten kleinsten Querschnitt, mit zunehmendem Abstand von der Lichteintrittsfläche 12 kontinuierlich größer wird, bis er eine Größe erreicht, die durch den Lichteintrittsquerschnitt des Auskoppelungsvolumens 16 definiert wird.
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Zwischen der Lichteintrittsfläche 12 und dem Lichteintrittsquerschnitt des Auskoppelungsvolumens erfährt das im Lichtleiter propagierende Licht je nachdem, mit welchem Winkel zum Lot der Lichteintrittsfläche 12 es in den Lichtleiter eingetreten ist, entweder keine eizige, genaue eine oder aber mehrere interne Totalreflexionen an den Transportflächen des Bündelungsvolumens. Über die Länge des Bündelungsvolumens hinweg erfolgt keine Auskopplung, so dass das Bündelungsvolumen insofern eine echte Lichtleiterfunktion, d.h. eine Transportfunktion, ausübt.
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Soweit in Bezug auf das Bündelungsvolumen 28 von Querschnitten die Rede ist, ist immer der Querschnitt gemeint, auf dem die Hauptausbreitungsrichtung des im Lichtleiter 10 propagierenden Lichtes senkrecht steht. Im Fall der 1 liegen die Querschnittsflächen also jeweils parallel zur x, z-Ebene. Die Querschnittsvergrößerung ergibt sich dabei dadurch, dass der Lichtleiter 10 im Bereich des Bündelungsvolumens 28 mit zunehmendem Abstand seines jeweiligen Querschnitts von der Lichteintrittsfläche 12 sowohl in x-Richtung als auch in z-Richtung breiter wird.
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Die Wände des Bündelungsvolumens 28 laufen daher mit zunehmendem Abstand von der Lichteintrittsfläche 12 gewissermaßen auseinander. Durch die auseinanderlaufenden Wände ergibt sich bei jeder Reflexion von Licht an einer der Seitenwände des Bündelungsvolumens 28 eine Reduzierung des Winkels zwischen dem Lichtstrahl und der hier in y-Richtung orientierten Längsachse des Bündelungsvolumens 28. So kann deutlich mehr Licht zu den weiter von der Lichteintrittsfläche 12 entfernt liegenden Umlenkflächen 22 gelangen als dies ohne die bündelnde Wirkung des Bündelungsvolumens 28 der Fall wäre. Mit anderen Worten:
Durch das Bündelungsvolumen 28 wird der Öffnungswinkel des Lichtbündels, mit dem sich das Lichtbündel im Lichtleiter ausbreitet, reduziert. Das Bündelungsvolumen reduziert die Divergenz des Lichtbündels.
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3 zeigt eine Seitenansicht des Gegenstands der 2. Wie bereits erwähnt wurde, sind die Umlenkflächen 22 stufenförmig versetzt in der Hauptabstrahlrichtung z angeordnet. Jede Umlenkfläche 22 erhält damit ein exklusives Teilbündel 34 des Lichts, das direkt, das heißt ohne vorher noch reflektiert zu werden, von dem im Verhältnis zum Querschnitt der Lichteintrittsfläche 12 vergrößerten Lichtleiterquerschnitt 32 am Lichteintrittsende des Lichtauskoppelvolumens 16 kommt. Jedes dieser exklusiven Teilbündel 34 wird von der zugehörigen Umlenkfläche 22 zu genau einer Auskoppelfläche 26 gelenkt.
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So entstehen Paare aus je einer Umlenkfläche 22 und je einer Auskoppelfläche 26, deren lichttechnische Auslegung optimal an die jeweilige Beleuchtungsaufgabe angepasst werden kann. Die Umlenkflächen 22 können z. B. eben oder gewölbt sein und so die Lichtverteilung im Zielgebiet, den Öffnungswinkel des emittierten Lichtbündels und die Helligkeitsverteilung in der leuchtenden Fläche beeinflussen. Durch die Größe der Umlenkflächen 22 kann insbesondere die Helligkeitsverteilung beeinflusst werden. Je größer eine Umlenkfläche 22 ist, desto mehr Licht lenkt sie zu ihrer zugehörigen Auskoppelfläche 26 um und desto heller leuchtend erscheint die zugehörige Auskoppelfläche 26 einem Betrachter.
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Ebenso kann jede Auskoppelfläche 26 individuell an die jeweilige Beleuchtungsaufgabe angepasst werden. Es ist insbesondere bevorzugt, dass die Auskoppelflächen 26 eine Form aufweist, die das über die jeweilige Auskoppelfläche 26 austretende Licht bündelt. Dies gilt sowohl für eine Bündelung in y-Richtung als auch für eine Bündelung in x-Richtung. In der Ausgestaltung, die in der 2 dargestellt ist, weisen die Auskoppelflächen längs eines Querschnitts, dessen Richtung mit der Richtung von in dem Lichtbündel propagierenden Licht übereinstimmt, also in y-Richtung, eine Querschnittsform auf, die das über die jeweilige Auskoppelfläche 26 austretende Licht in y-Richtung bündelt. Diese Wirkung wird beim Gegenstand der 2 durch die konvexe Wölbung der Auskoppelflächen 26 erzielt.
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Eine Bündelung in x-Richtung kann damit jedoch nicht erzielt werden. Maßnahmen zur Bündelung in x-Richtung werden weiter unten erläutert.
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Die Paare aus je einer Umlenkfläche 22 und der zugehörigen Auskoppelfläche 26 sind bevorzugt so dimensioniert, dass die Auskoppelflächen 26 verschiedener Paare bei über die Lichteintrittsfläche 12 eingekoppeltem Licht gleich hell erscheinen. Bei gleichen Größen der Auskoppelflächen 26 ist dies insbesondere dann der Fall, wenn weiter von der Lichteintrittsfläche 12 entfernt liegende Umlenkflächen 22 größer sind als näher an der Lichteintrittsfläche 12 liegende Umlenkflächen 22. Durch eine solche mit zunehmendem Abstand von der Lichteintrittsfläche 12 wachsende Fläche der Umlenkflächen 22 wird die Abnahme des Lichtstroms pro Flächeneinheit (also der Beleuchtungsstärke) kompensiert, die sonst mit zunehmendem Abstand von der Lichteintrittsfläche auftritt. Je größer die Umlenkfläche ist, desto größer ist auch der von dieser Umlenkfläche umgelenkte Lichtstrom.
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Damit die einzelnen Auskoppelflächen 26 ihr Licht möglichst ausschließlich von der jeweils zugeordneten Umlenkfläche 22 erhalten, werden die Auskoppelflächen 26 ebenfalls stufenförmig in der Hauptausbreitungsrichtung des über die erste Seite 18 abgestrahlten Lichtes versetzt angeordnet. Dabei nimmt das Ausmaß des Versatzes mit zunehmendem Abstand der Auskoppelfläche 26 von der Lichteintrittsfläche 12 in diskreten Schritten zu. Jede Auskoppelfläche 26 besitzt zu der ihr benachbarten, zwischen ihr und der Lichteintrittsfläche 12 liegenden Auskoppelfläche, eine stufenförmige Abschattungsfläche 30. Die Abschattungsfläche 30 weist zwei Teilflächen 30.1 und 30.2 auf, die einen Winkel miteinander einschließen. Die eine Teilfläche 30.1 ist eine total reflektierende Grenzfläche, die parallel zu x-y-Ebene liegt und welche die in Lichtrichtung nachfolgende Auskoppelfläche gegen Licht abschattet, das vom Bündelungsvolumen 28 aus direkt und damit ohne vorhergehende Reflexion an einer Umlenkfläche 22 auf die Auskoppelfläche 26 einfallen würde.
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Dadurch, dass der durch die zweite Teilfläche 30.2 bedingte stufenartige Versatz der Auskoppelflächen 26 und der Umlenkflächen 22 jeweils in die gleiche Richtung erfolgt, kann der Abstand zwischen den Reihen von Auskoppelflächen 26 und Umlenkflächen 22 klein gehalten werden, ohne dass die effiziente optische Auslegung beeinträchtigt wird. Daraus resultiert eine Ersparnis von Material und Gewicht, was bei den angestrebten flächigen Lichtleitern besonders wichtig ist.
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Grundsätzlich können die Auskoppelflächen 26 sowohl innerhalb des Öffnungswinkels des in das Auskoppelungsvolumen 16 eintretenden Lichtbündels als auch außerhalb des Öffnungswinkels des in das Auskoppelungsvolumen 16 eintretenden Lichtbündels liegen.
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Der Lichtleiter 10 weist zu jeweils einer Auskoppelungsfläche 26 eine Abschattungsfläche 30 auf, die einen Teil der ersten Seite 18 des Lichtleiters 10 bildet. Bei einer Blickrichtung, die in der Hauptausbreitungsrichtung y des in das Auskoppelvolumens 16 eintretenden Lichtes liegt, ist eine Abschattungsteilfläche 30.1 jeweils zwischen zwei Auskoppelflächen 26 und parallel zu der Hauptausbreitungsrichtung angeordnet. In der Ausgestaltung, die in der 1 dargestellt ist, weisen alle Auskoppelflächen 26 eine solche Abschattungsfläche auf.
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Der Lichtleiter 10 weist insbesondere mehrere Auskoppelflächen 26 auf, die in einer Reihe hintereinander liegen, wenn man sie von der Lichteintrittsfläche 12 aus betrachtet. Zu jeder Auskoppelfläche weist der Lichtleiter genau eine Umlenkfläche 22 und genau eine Abschattungsteilfläche 30.1 auf. 4 zeigt den Gegenstand der 3 zusammen mit Strahlengängen von Licht. Dabei sind innerhalb des Bündelungsvolumens 28 verlaufende Teile der Strahlengänge aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. 4 zeigt insbesondere eine Ausgestaltung, bei der die Auskoppelflächen 26 außerhalb des Öffnungswinkels des in das Auskoppelvolumen 16 eintretenden Lichtbündels liegen. Die 4 zeigt insbesondere Strahlengänge des in dem Lichtleiter 10 propagierenden Lichtes, das über die Lichteintrittsfläche 12 in den Lichtleiter 10 eingekoppelt wird. Dabei zeigt 4 insbesondere, dass die Auskoppelflächen 26 dort alle oberhalb des oberen Randstrahls liegen, der den Kegel des sich in dem Auskoppelungsvolumen 16 ausbreitenden Lichtes beschränkt.
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Die 4 verdeutlicht damit insbesondere auch die positive Wirkung des im Lichtweg vor dem Auskoppelungsvolumen 16 liegenden Bündelungsvolumens 28. Ohne das Bündelungsvolumen 28 wäre der Öffnungswinkel des Lichtkegels des sich im Auskoppelungsvolumen 16 ausbreitenden Lichtes größer. Wenn dann die Auskoppelflächen 26 immer noch außerhalb dieses Lichtkegels und damit oberhalb des Randstrahls liegen sollen, müssten sie entsprechend stärker nach oben, das heißt in z-Richtung versetzt werden. Dies würde bedeuten, dass der Lichtleiter 10 in der dort zur z-Richtung parallelen Hauptabstrahlrichtung mehr Einbauraum benötigen würde als dies bei dem in der 3 dargestellten Lichtleiter 10 der Fall ist.
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Die in der 4 dargestellten Strahlengänge verdeutlichen insbesondere, wie jeweils ein Teil des über die Lichteintrittsfläche 12 in den Lichtleiter 10 eingekoppelten Lichtes auf eine Umlenkfläche 22 trifft und dort so umgelenkt wird, dass es über eine zugehörige Auskoppelfläche 26 des Lichtleiters 10 ausgekoppelt wird.
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Die 4 verdeutlicht auch, dass die Abschattungsfläche 30 jeweils dafür sorgt, dass die an die Abschattungsfläche 30 anschließende Auskoppelfläche 26 ausschließlich von dem Licht getroffen wird, das von der zugehörigen Umlenkfläche 22 auf die jeweilige Auskoppelfläche 26 umgelenkt wird. Ferner verdeutlicht die 4 insbesondere auch die gute Bündelungswirkung des dort dargestellten Lichtleiters in der zur Hauptausbreitungsrichtung innerhalb des Lichtleiters parallelen Richtung, die dort der y-Richtung entspricht.
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Die 5 zeigt eine Ausschnittsvergrößerung aus der 4, die das Zusammenwirken von Umlenkfläche 22, Auskoppelfläche 26 und Abschattungsfläche 30 verdeutlicht. Beim Gegenstand der 5 liegt die Auskoppelfläche 26 oberhalb von dem Randstrahl 36 des sich um die Hauptausbreitungsrichtung y herum in dem Auskoppelungsvolumen 16 des Lichtleiters 10 ausbreitenden Lichtes. Die Stufenhöhe der Abschattungsteilfläche 30.2 gleicht dabei den Anstieg des Randstrahls 36 aus, so dass auch nachfolgende Auskoppelflächen 26 aufgrund ihrer jeweils zugeordneten Abschattungsfläche 30 oberhalb von diesem Randstrahl 36 liegen werden.
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Aber selbst wenn die Auskoppelfläche 26 innerhalb des Lichtkegels liegen würde, würde die Abschattungsfläche 30 die zugehörige Auskoppelfläche 26 so abschatten, dass die Auskoppelfläche 26 nur von dem Licht getroffen wird, das von der zugehörigen Umlenkfläche 22 auf die Auskoppelfläche 26 umgelenkt wird. Die 4 und 5 veranschaulichen damit insbesondere, dass ein Teil des Lichtes auf eine Umlenkfläche 22 trifft und dort so umgelenkt wird, dass es durch die Auskoppelfläche 26 den Lichtleiter 10 verlässt.
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Die Abschattungsfläche 30 sorgt dabei dafür, dass die Auskoppelfläche 26 möglichst ausschließlich von dem Licht getroffen wird, das von der zugehörigen Umlenkfläche 22 umgelenkt worden ist. Dies stellt ein wesentliches Element der Erfindung dar: Es wird nämlich eine Auskoppelfläche 26 erzeugt, die nur von dem Licht getroffen werden kann, das austreten soll. Auf diese Weise wird verhindert, dass Licht bei der Ausbreitung im Lichtleiter 10, bzw. im Auskoppelungsvolumen 16 des Lichtleiters 10, durch unkontrollierte Reflexionen an den Auskoppelflächen 26 negativ beeinflusst wird.
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Darüber hinaus lässt sich das austretende Licht effektiv bündeln, da die Herkunft des austretenden Lichtes von der jeweils zugehörigen Umlenkfläche 22 und damit dessen grobe Richtung durch die Geometrie der Anordnung festgelegt ist. Wie bereits erwähnt wurde, kann die pro Auskoppelfläche ausgekoppelte Lichtmenge durch die Höhe der Umlenkfläche 22 so variiert werden, dass einem Betrachter alle Auskoppelflächen 26 gleich hell erscheinen.
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6 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Lichtleiters 38 einer bevorzugten Ausgestaltung der Leuchte. Dieser Lichtleiter 38 zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus: Eine Kante 40, die eine Abschattungsfläche 30 von einer Auskoppelfläche 26 trennt, die von dieser Abschattungsfläche 30 abgeschattet wird, ist ein Winkelausschnitt aus einem ersten Kreisbogen. Eine diese Auskoppelfläche 26 auf ihrer der Abschattungsfläche 30 abgewandten Seite begrenzende Kante 44 ist ein Winkelausschnitt aus einem zu dem ersten Kreisbogen konzentrischen zweiten Kreisbogen mit größerem Radius. Die Kanten 46, 48, die die zugehörige Umlenkfläche 22 begrenzen, sind konzentrisch zu dem ersten Kreisbogen und dem zweiten Kreisbogen verlaufende Winkelausschnitte weiterer Kreisbögen.
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Die Auskoppelflächen 26 des Lichtleiters 38 sind, wie die Auskoppelflächen 26 des Lichtleiters 10, konvex gewölbt. Dabei erstreckt sich die konvexe Wölbung bei dem Lichtleiter 38 quer zu der Kreisbogenform der Kanten 40 und 44, welche die Auskoppelflächen begrenzen. Bei einer Verwendung eines solchen Lichtleiters 38 in einer Kraftfahrzeugleuchte entspricht die z-Richtung der Hauptabstrahlrichtung, während die y-Richtung z. B. parallel zu einer Hochachse des Fahrzeugs ist und die x-Richtung parallel zu einer Querachse des Fahrzeugs liegt. Der in der 6 dargestellte Lichtleiter 38 fokussiert das Licht sowohl in der y-Richtung als auch in der x-Richtung.
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Die Schnittdarstellung der 3 und 4 gilt auch für den Lichtleiter 38. Im Fall des Lichtleiters 38 kann der Querschnitt aus der 2 als Radialschnitt betrachtet werden.
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Für einen Betrachter, der sich in der Hauptabstrahlrichtung vor dem Lichtleiter 38 befindet und diesen betrachtet, scheint jeder Strahl, der auf eine der Umlenkflächen 22 und anschließend auf eine Auskoppelfläche 26 fällt, direkt von der Halbleiterlichtquelle 14 zu stammen. Bei einer hinreichend großen Winkelbreite, über die sich die Kreisbögen 40, 44 erstrecken, erreicht das Licht, das sich von der Halbleiterlichtquelle 14 aus in einem um die Hauptausbreitungsrichtung y im Lichtleiter 38 zentrierten Öffnungslichtkegel im Lichtleiter ausbreitet, die radial verlaufenden Grenzflächen 50 und 52 des Lichtleiters 38 nicht.
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Mit einem Lichtleiter 38, wie er in der 6 dargestellt ist, lässt sich eine sehr starke Bündelung sowohl in der x-Richtung als auch in der y-Richtung erzielen. So hat sich gezeigt, dass 62 % der von der Halbleiterlichtquelle 14 abgegebenen Lichtmenge von einem solchen Lichtleiter 38 in einen Winkelbereich emittiert werden, der eine quadratische Form besitzt und bei dem die Kantenlänge jeweils 10 ° in x-Richtung und 10 ° in y-Richtung beträgt. Die Angabe von 62 % bezieht sich dabei auf den Anteil an der Lichtmenge, die von der Halbleiterlichtquelle 14 emittiert wird. Das heißt, dass auch die an der Lichteintrittsfläche 12 eintretenden Verluste darin bereits enthalten sind.
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Für viele Lichtfunktionen ist diese erreichbare Bündelung zu stark. So schreibt der Gesetzgeber z. B. für eine Tagfahrlicht-Lichtverteilung eine horizontale Breite der Lichtverteilung von +/–20 Grad und eine vertikale Höhe von +/–10 Grad auf. Die horizontale Breite entspricht dabei der x-Richtung, und die vertikale Höhe entspricht hier der y-Richtung. Um mit einem Lichtleiter, der auf dem Lichtleiter 38 aus der 6 basiert, eine solche Lichtverteilung zu erzielen, können die dort zur Bündelung unternommenen Maßnahmen teilweise oder ganz unterlassen werden.
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Alternativ dazu bietet sich aber auch die Möglichkeit an, die Lichtverteilung durch Aufbringen einer streuenden Struktur auf den Auskoppelflächen des Lichtleiters 38 gezielt aufzuweiten.
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Eine solche Ausgestaltung ist in dem Ausführungsbeispiel eines Lichtleiters 38 verwirklicht, das in der 7 dargestellt, ist. Im Einzelnen zeigt die 7 einen Lichtleiter 38, bei dem die der Halbleiterlichtquelle 14 nächstliegende Auskoppelfläche 26 zusätzlich zu ihrer konvex gewölbten Kreisbogenform gewölbte Streustrukturen 54 aufweist, die quer zu den Kreisbögen der Auskoppelfläche 26 ausgerichtet über der konvex gewölbten Auskoppelfläche 26 verlaufen. Die Streustrukturen 54 können auf einer oder auf mehreren konvex gewölbten Auskoppelflächen 26 aufgebracht sein.
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Die Streustrukturen 54 können als konvex gewölbt aus den Auskoppelflächen herausragende Streustrukturen oder als konkav gewölbte Streustrukturen verwendet werden, die als Vertiefungen in den konvex gewölbten Auskoppelflächen 26 verwirklicht sind. Mit diesen Streustrukturen wird die horizontale Streuung, also die Streuung in der x-Richtung, vergrößert, so dass sich in der x-Richtung eine verbreitete Lichtverteilung ergibt.
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Die 8 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Anordnung aus einer Halbleiterlichtquelle 14, einem Lichtleiter 38 und einer schwarzen Blende 21 eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer Kraftfahrzeugleuchte.
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9 zeigt verschiedene Strahlenbündel die von einem Lichtleiter 38 ausgehen, wie er in den 6 bis 8 dargestellt ist. Die 9 zeigt verschiedene vom Lichtleiter 38 nach der 8 ausgehende Strahlenbündel, die eine solche Verbreiterung der Lichtverteilung verdeutlichen. Die Winkelbreite ist jedenfalls deutlich größer als der oben angegebene Wert von 10 Grad für eine maximal erreichbare Bündelung.
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Die Streustrukturen 54 werden z. B. dadurch erzeugt, dass ein Teil eines Zylinders auf die vorhandene Auskoppelfläche 26 aufgelegt wird, wobei der Teil so geformt ist, dass er der Krümmung der Auskoppelfläche 26 folgt. Es handelt sich daher um einen längs seiner Zylinderachse gebogenen Teil, also um einen Teil eines Torus. Die gebogene Zylinderachse liegt dabei jeweils in einer Ebene, die durch einen Radius des kreisausschnittförmigen Lichtleiters 38 und die z-Richtung aufgespannt wird. Es ist bekannt, dass ein solcher Zylinder parallel auftreffendes Licht in (+/–)-x-Richtung streut. Die darunter liegende Auskoppelfläche 26 dient dagegen der Fokussierung.
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Die Addition dieser beiden Strukturen führt in erster Näherung zur Addition der Wirkungsweisen. In den 7 bis 9 sind jeweils Teile konvexer Zylinder dargestellt. Konkave Zylinder würden ebenso wirken. Abweichungen von der Kreisform solcher Streuzylinder können dazu benutzt werden, bestimmte Winkelbereiche stärker auszuleuchten als andere Winkelbereiche, indem z. B. der Abschnitt des Kreises, der für die Streuung in diesem bestimmten Winkelbereich zuständig ist, vergrößert wird.
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Die kreiszylinderförmigen Streustrukturen sind dabei nur ein Beispiel möglicher Streustrukturen. Andere Beispiele besitzen eine Ellipsenform, eine Parabelform oder eine Freiform, bei der jedes Oberflächensegment von seiner Lage her so berechnet ist, dass es aus einer bestimmten Richtung von innen her einfallendes Licht in eine bestimmte Richtung nach außen abstrahlt.
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Neben einer Erhöhung der Streubreite kann es auch erwünscht sein, z. B. bei einem um die z-Richtung verdrehten Einbau, das enge Strahlenbündel in seiner Gesamtheit um einen bestimmten Winkel zu verschwenken. Damit kann z. B. eine Einbausituation kompensiert werden, bei der die Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters nicht normal zu ihrer Hauptabstrahlrichtung ausgerichtet sein soll. Dies kann an gestalterischen Vorgaben oder an Bauraumproblemen liegen.
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Um dies zu erreichen, zeichnet sich eine weitere Ausgestaltung dadurch aus, dass wenigstens eine der Auskoppelflächen 26 des Lichtleiters 38 zusätzlich zu ihrer konvex gewölbten Kreisbogenform Ablenkkeile aufweist, die dazu eingerichtet sind, das von dem Lichtleiter 38 bei einer über die Eintrittsfläche erfolgenden Einkoppelung von Licht abgestrahlte Lichtbündel so umzulenken, als ob es im Ganzen geschwenkt werden würde.
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10 zeigt eine Simulation der Beleuchtungsstärke für den Gegenstand der 6 bis 9. Dabei wird der Lichtleiter 38 aus einer Position betrachtet, die in seiner Abstrahlrichtung z liegt. Die innerhalb der Kreissegmentfläche der äußeren Umrisse des Lichtleiters 38 liegenden geschlossenen Kurven besitzen jeweils eine zur y-Richtung symmetrische Form. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass die Helligkeit jeweils längs einer solchen Linie konstant ist. Absolut betrachtet nimmt die Helligkeit dabei von weiter außen liegenden Kurven zu weiter innen liegenden Kurven hin ab.
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Die 10 verdeutlicht, dass der wesentliche Anteil des von dem Lichtleiter 38 emittierten Lichtstroms aus einem rechteckigen Bereich austritt, der sich symmetrisch nach rechts und links von der Hauptausbreitungsrichtung y aus im Lichtleiter 38 erstreckt. Daraus folgt, dass man ohne große Effektivitätseinbuße, also ohne große Lichtverluste, die in positiver und negativer x-Richtung weiter außen liegenden dunklen Bereiche, in denen die 9 keine geschlossenen Kurvenzüge mehr zeigt, kappen kann.
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Auf diese Weise entsteht ein nahezu rechteckiger Lichtleiter, den man als Modul betrachten kann. Solche Module können zu einem zusammenhängenden neuen Lichtleiter vereinigt werden, bei dem sich die einzelne Module an den entstehenden Rechteckseiten berühren. Ein Ausführungsbeispiel eines solchen Lichtleiters ist in der 11 dargestellt.
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11 zeigt eine Lichtleiteranordnung, die aus Ausgestaltungen von Lichtleitern nach den 6 bis 8 modular zusammengesetzt ist, wobei die gemäß 10 dunklen Seitenbereiche weggelassen worden sind. Die in der 11 dargestellte Anordnung kann dadurch erzeugt werden, dass zwei Lichtleitermodule 60 einander berühren und zusammengefügt werden. Alternativ dazu kann sie auch dadurch erzeugt werden, dass die dargestellte Form als einstückiges Spritzgussteil erzeugt wird. 11 verdeutlicht auf jeden Fall, wie eine für manche Lichtfunktionen gesetzlich vorgegebene Mindestleuchtfläche durch Zusammenfügen mehrerer Module 60 erreicht werden kann, wobei jedes Modul 60 dadurch entsteht, dass man bei einem Lichtleiter 38, wie er in den 6 bis 9 vorgestellt wurde, die dunklen Seitenbereiche weglässt.
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Jedes Modul 60 wird in dem in der 11 dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine eigene Halbleiterlichtquelle 14 mit Licht gespeist. Um einen direkten Blick auf die Halbleiterlichtquelle 14 zu verhindern, oder um günstigere Umgebungstemperaturen für die Lichtquelle zu erzielen, wurde die Halbleiterlichtquelle in dem Ausführungsbeispiel, das in der 10 dargestellt ist, unter ein undurchsichtiges Teil, zum Beispiel unter einen Abdeckrahmen, verlegt, der als schwarze Blende 21 dient. Auch hier kann die Blende alternativ zu der dargestellten Ausgestaltung einstückig mit dem Kühlkörper der Halbleiterlichtquellen 14 ausgeführt sein. Das Licht der Halbleiterlichtquellen 14 gelangt dann durch zwei Zuleitungen 62 in die eigentlichen Lichtleitermodule 60. Die Zuleitungen 62 können als zusätzliches bündelndes Bündelungsvolumen dienen, wenn sie entsprechend ausgestaltet sind. Das bedeutet, dass die Zuleitungen 62 bevorzugt so aufgebaut sind, dass sich ihr Querschnitt, ausgehend von ihrer jeweiligen Lichteintrittsfläche, mit zunehmender Annäherung an die eigentlichen Lichtleitermodule 60 kontinuierlich vergrößert, wie es weiter oben unter Bezug auf das Bündelungsvolumen 28 erläutert worden ist. Jeder der beiden Lichtleiter 60 erzeugt eine vollständige Lichtverteilung hinsichtlich der Winkelverteilung. Eine auch bezüglich der absoluten Helligkeitswerte vorschriftenkonforme Lichtverteilung wird durch die Verwendung mehrerer Lichtleiterelemente erzeugt.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht ergänzende Kissenoptiken auf der Abdeckscheibe 3 vor. Jedes Kissen ist bevorzugt dazu eingerichtet, dass es eine hinsichtlich der Winkelverteilung vollständige Lichtverteilung erzeugt. Aus der Überlagerung der Einzelintensitätslichtverteilungen aller Kissenoptiken ergibt sich dann die Lichtverteilung der Lichtfunktion, z.B. die Lichtverteilung einer Blinklichtfunktion.
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Insgesamt ist die Leuchte aus geometrisch einfachen Flächen aufgebaut, die geringe Anforderungen an die Oberflächenqualität stellt.
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Die 11 belegt die Möglichkeit, einen Souffleusenreflektor (Halbschalen-Reflektor) durch einen solchen Lichtleiter zu ersetzen. Der zu erreichende Wirkungsgrad ist ähnlich hoch wie bei einem Souffleusenreflektor. Als Vorteil gegenüber einem Souffleusenreflektor ergibt sich noch, dass die Beleuchtungsstärke homogener verteilt ist. Außerdem kann die Verspiegelung des Souffleusenreflektors eingespart werden und die benötigte Bautiefe ist geringer als bei einem bei Souffleusenreflektor. Vorteilhaft ist auch, dass ein solcher Lichtleiter ein zusätzliches Designelement darstellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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