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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lichtleiter, welcher insbesondere in Kfz-Beleuchtungseinrichtungen Verwendung finden kann.
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Mittels Lichtleitern soll im Bereich der Beleuchtungseinrichtungen das durch einen Einkoppelabschnitt des Lichtleiters eingekoppelte Licht möglichst verlustfrei, d.h. ohne unerwünschte Auskopplung aus dem Lichtleiter transportiert werden. Eine Auskopplung von in dem Lichtleiter geleiteten Lichtbündeln soll vielmehr nur in kontrollierter Weise, insbesondere an vorgegebenen Positionen des Lichtleiters erfolgen. Hierfür ist es bekannt, an dem Lichtleiter Auskoppelelemente vorzusehen.
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Derartige Lichtleiter weisen in der Regel einen Lichtleitabschnitt aus einem transparenten Material auf, dessen Brechungsindex größer ist als der von Luft, und welcher von Lichtleitflächen begrenzt ist. Diese Lichtleitflächen sind Grenzflächen des Lichtleitabschnitts, welche derart angeordnet sind, dass in dem Lichtleitabschnitt verlaufende Lichtstrahlen unter interner Totalreflexion an den Lichtleitflächen geleitet werden können. Interne Totalreflexion tritt auf, wenn ein auf eine Lichtleitflächen auftreffender, im Innern des Lichtleiters verlaufender Lichtstrahl zum Lot auf die Lichtleitfläche im Auftreffpunkt einen Winkel einschließt, welcher den Grenzwinkel der Totalreflexion überschreitet, so dass das Brechungsgesetz (Snellius-Gesetz) keine reelle Lösung für den Brechungswinkel ergibt.
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In der
US 6,347, 874 B1 ist ein von Lichtleitflächen begrenzter Lichtleiter beschrieben. An einer Lichtleitfläche sind eine Mehrzahl von Auskoppelelementen angeordnet, welche als über die Lichtleitfläche prismenartig hervortretende Strukturelemente ausgebildet sind. Jedes Auskoppelelement weist eine Begrenzungsfläche derart auf, dass ein in dem Lichtleiter geleitetes Lichtbündel durch einmalige Totalreflexion an der Begrenzungsfläche des Auskoppelelements zu einer an dem Lichtleiter gegenüberliegend angeordneten Lichtaustrittsfläche umgelenkt wird und durch diese aus dem Lichtleiter austritt.
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Ein weiterer bekannter Ansatz besteht darin, dass das Auskoppelelement selbst eine Lichtaustrittsfläche aufweist, durch welche Lichtbündel, ggf. nach einmaliger oder mehrfacher Totalreflexion in dem jeweiligen Auskoppelelement, aus dem Auskoppelelement austreten können.
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Bei der Verwendung bekannter Auskoppelelemente ist es oftmals problematisch, für einen auszukoppelnden Lichtstrahl eine Richtungsänderung von mehr als 90° herbeizuführen (bezogen auf die Richtung des Lichtstrahls vor der ersten Umlenkung durch das Auskoppelelement und der Richtung des aufgrund des Auskoppelelements aus dem Lichtleiter ausgekoppelten Lichtstrahl). Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen, dass bei derartig großen Richtungsänderungen der Grenzwinkel der Totalreflexion an Begrenzungsflächen des Lichtleiters und/oder des Auskoppelelements unterschritten werden kann und so eine unerwünschte Auskopplung von Licht durch die jeweilige Begrenzungsfläche erfolgt. Diese kann insbesondere dann auftreten, wenn mit dem Lichtleiter stark gewinkelte Strahlverläufe erzielt werden sollen oder der Lichtleiter selbst gewinkelt und/oder gekrümmt ausgeführt sein soll. Gerade solche Ausgestaltungen sind jedoch in modernen Kfz-Beleuchtungseinrichtungen oftmals erwünscht, da hierdurch eine effiziente Nutzung von Bauraum möglich ist und ein ansprechendes Design erzielt werden kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen nach dem Prinzip der internen Totalreflexion arbeitenden Lichtleiter bereitzustellen, bei welchem große Gestaltungsfreiheit hinsichtlich des Verlaufs des Lichtleitabschnitts und der Richtung des ausgekoppelten Lichts besteht und bei welchem Verluste durch ungewollte Auskopplung von Lichtstrahlen weitestgehend vermieden werden können.
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Diese Aufgabe wird durch einen Lichtleiter gemäß Anspruch 1 gelöst. Der Lichtleiter dient vorzugsweise zur Verwendung in einer Kfz-Beleuchtungseinrichtung, und weist einen Einkoppelabschnitt zum Einkoppeln von Licht in den Lichtleiter, sowie einen Lichtleitabschnitt auf. Der Lichtleitabschnitt ist zumindest von einer Hauptlichtleitfläche derart begrenzt, dass Licht, welches durch den Einkoppelabschnitt eingekoppelt wurde, unter interner Totalreflexion an der Hauptlichtleitfläche und ggf. weiteren Lichtleitflächen in dem Lichtleitabschnitt geleitet werden kann. An der Hauptlichtleitfläche des Lichtleitabschnitts sind ein oder mehrere Auskoppelelemente zum Auskoppeln von Licht angeordnet. Das Auskoppelelement ist derart ausgebildet und positioniert, dass Licht aus dem Lichtleitabschnitt nach interner Totalreflexion an einer Begrenzungsfläche des Auskoppelelements durch eine dem jeweiligen Auskoppelelement zugeordnete Lichtaustrittsfläche des Lichtleitabschnitts hindurch ausgekoppelt werden kann. Die Lichtaustrittsfläche ist dabei allgemein als Flächenabschnitt zu verstehen, durch welchen das mittels des jeweiligen Auskoppelelements auszukoppelnde Licht aus dem Lichtleitabschnitt austritt. Insbesondere kann die Lichtaustrittsfläche ein Flächenabschnitt einer Begrenzungsfläche/Lichtleitfläche des Lichtleitabschnitts sein.
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Die dem jeweiligen Auskoppelelement zugeordnete Lichtaustrittsfläche ist dem zugeordneten Auskoppelelement in Bezug auf den Lichtleitabschnitt gegenüberliegend an diesem angeordnet.
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Erfindungsgemäß ist das Auskoppelelement von wenigstens zwei Begrenzungsflächen begrenzt, welche derart angeordnet sind, dass ein mittels des jeweiligen Auskoppelelements auszukoppelndes und durch die zugeordnete Lichtaustrittsfläche austretendes Lichtbündel zumindest an zwei verschiedenen Begrenzungsflächen unter interner Totalreflexion umgelenkt wird.
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Diese mehrfache Totalreflexion im Auskoppelelement ermöglicht es, Licht in eine gewünschte Richtung umzulenken und aus dem Lichtleiter auszukoppeln. Die mehreren Begrenzungsflächen des Auskoppelelements sind so in Bezug aufeinander ausgerichtet, dass eine ungewollte Lichtauskopplung in dem Auskoppelelement vermieden wird.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ermöglicht es insbesondere, die Richtung von auszukoppelnden Lichtstrahlen mittels des Auskoppelelements entlang ihres Strahlungsverlaufs um mehr als 90° zu ändern.
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Die mehrfache Totalreflexion in dem Auskoppelelement kann dadurch erreicht werden, dass das Auskoppelelement zumindest von einer Erstreflexionsfläche und einer Ausgangsreflexionsfläche als Begrenzungsfläche begrenzt ist, wobei die Erstreflexionsfläche und die Ausgangsreflexionsfläche derart angeordnet sind, dass ein in den Lichtleitabschnitt verlaufende und mittels des jeweiligen Auskoppelelements auszukoppelndes Lichtbündel zunächst unter interner Totalreflexion an der Erstreflexionsfläche umgelenkt wird, und im weiteren Verlauf (ggf. nach Totalreflexion an einer oder mehreren weiteren als Zwischenreflexionsflächen wirkenden Begrenzungsflächen des Auskoppelelements) von der Ausgangsreflexionsfläche unter interner Totalreflexion in Richtung der zugeordneten Lichtaustrittsfläche umgelenkt wird.
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Da bei den erfindungsgemäßen Auskoppelelementen die Lichtaustrittsfläche nicht an dem Auskoppelelement selbst vorgesehen ist, kann eine effiziente Auskopplung eines großen Anteils der in dem Lichtleitabschnitt geleiteten Lichtenergie auch mit einem Auskoppelelement erzielt werden, welches ein vergleichsweise kleines Volumen aufweist. Im Stand der Technik sind Auskoppelelemente bekannt, welche die Lichtaustrittsfläche selbst aufweisen. Bei derartigen Auskoppelelementen ist eine Erhöhung der mit dem Auskoppelelement auszukoppelnden Strahlungsenergie zwingend mit einer Vergrößerung der Lichtaustrittsfläche des Auskoppelelements verbunden. Daher erhöht sich die räumliche Ausdehnung des Auskoppelelements. Bei Herstellung des Lichtleiters mit einem Spritzgussverfahren können großvolumige Vorsprünge am Lichtleiter jedoch problematisch sein. Die erfindungsgemäßen Lichtleiter ermöglichen daher eine zuverlässige Herstellung. Ferner kann der Bedarf an Bauraum verringert werden, da die Auskoppelelemente kompakt ausgestaltet werden können.
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Das Auskoppelelement kann auch weitere Begrenzungsflächen aufweisen, an welchen nach der ersten Totalreflexion an der Erstreflexionsfläche zusätzliche interne Totalreflexion für ein auszukoppelndes Lichtbündel erfolgt. Insbesondere ist eine Zwischenreflexionsfläche vorgesehen, welche an die Erstreflexionsfläche anschließt und mit dieser einen Winkel derart einschließt, dass für jedes mit dem Auskoppelelement auszukoppelnde Lichtbündel nach Totalreflexion an der Erstreflexionsfläche auch Totalreflexion an der Zwischenreflexionsfläche erfolgt.
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Eine oder mehrere der Begrenzungsflächen des Auskoppelelements können zur weiteren Ausgestaltung konkav oder konvex gekrümmt ausgebildet sein. Dadurch kann z.B. der Öffnungswinkel des durch die zugeordnete Lichtaustrittsfläche austretenden Lichtbündels beeinflusst werden. Je nach Anwendung kann es aber auch vorteilhaft sein, wenn eine oder mehrere der Begrenzungsflächen eben ausgebildet sind.
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Vorzugsweise ist das Auskoppelelement als ein über die Hauptlichtleitfläche vorspringender Materialabschnitt ausgebildet. Dieser Vorsprung ist vorzugsweise derart ausgeformt, dass ein in dem Lichtleitabschnitt verlaufendes und auszukoppelndes Lichtbündel in das jeweilige Auskoppelelement einstrahlbar ist und unter mehrfacher Totalreflexion an dessen Begrenzungsflächen zu der zugeordneten Lichtaustrittsfläche umlenkbar ist. Ein in dem Lichtleitabschnitt geleitetes, auszukoppelndes Lichtbündel wird mittels des Auskoppelelements also dadurch ausgekoppelt, dass es in das Auskoppelelement hineinverläuft und an dessen Begrenzungsflächen umgelenkt wird. Nach der Totalreflexion im Auskoppelelement verläuft das auszukoppelnde Lichtbündel dann wieder zurück in den Lichtleitabschnitt und quert diesen in Richtung zur Lichtaustrittsfläche.
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Das Auskoppelelement ist vorzugsweise derart ausgebildet und so an dem Lichtleitabschnitt angeordnet, dass für jedes durch den Einkoppelabschnitt eingekoppelte und in dem Lichtleitabschnitt geleitete Lichtbündel, welches mittels des jeweiligen Auskoppelelements ausgekoppelt werden soll, an jeder der Begrenzungsflächen des Auskoppelelements interne Totalreflexion auftritt. Denkbar ist jedoch auch, dass das Auskoppelelement zusätzliche, nicht zur Strahlumlenkung dienende Begrenzungsflächen aufweist, d.h. dass das Auskoppelelement von weiteren Begrenzungsflächen begrenzt ist, welche nicht im Strahlengang eines auszukoppelnden Lichtbündels angeordnet sind und an welchen keine Totalreflexion und keine Transmission erfolgt.
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Das Auskoppelelement weist vorzugsweise wenigstens drei Begrenzungsflächen auf. Diese können so angeordnet sein, dass für jedes mittels des jeweiligen Auskoppelelements auszukoppelnde Lichtbündel Totalreflexion an sämtlichen Begrenzungsflächen stattfindet, so dass wenigstens dreimalige Totalreflexion erfolgt, bevor das Lichtbündel durch die Lichtaustrittsfläche ausgekoppelt wird.
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Die Erstreflexionsfläche des Auskoppelelements (also eine erste Begrenzungsfläche, an welcher für ein in dem Lichtleitabschnitt verlaufendes und mittels des Auskoppelelements auszukoppelndes Lichtbündel erstmalig Totalreflexion in dem jeweiligen Auskoppelelement stattfindet) läuft vorzugsweise mit der Hauptlichtleitfläche des Lichtleitabschnitts zusammen. Die Erstreflexionsfläche schließt dabei mit der Hauptlichtleitfläche vorzugsweise einen in Erstreckungsrichtung des Lichtleitabschnitts ausgehend von dem Einkoppelabschnitt offenen, spitzen Winkel ein. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die mit dem Auskoppelelement auszukoppelnden Lichtstrahlen derart flach auf die Erstreflexionsfläche auftreffen, dass stets Totalreflexion an dieser ersten Begrenzungsfläche erfolgt und eine Transmission verhindert wird. Da bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung weitere Totalreflexion an weiteren Begrenzungsflächen des Auskoppelelements auftritt, kann dennoch eine Umlenkung des Lichtbündels in die gewünschte Richtung erfolgen.
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Das Auskoppelelement ist vorzugsweise von wenigstens einer zweiten Begrenzungsfläche (z.B. Zwischenreflexionsfläche im obigen Sinn) begrenzt, welche zu der ersten Begrenzungsfläche (Erstreflexionsfläche) im Wesentlichen senkrecht ausgerichtet ist. Vorzugsweise trifft das auszukoppelnde Lichtbündel nach Totalreflexion an der zweiten Begrenzungsfläche auf eine weitere Begrenzungsfläche (Zwischenreflexionsfläche) oder auf eine Ausgangsreflexionsfläche, wobei nach Totalreflexion an der Ausgangsreflexionsfläche das Lichtbündel durch den Lichtleitabschnitt in Richtung zur Lichtaustrittsfläche verläuft. Die genannte zweite Begrenzungsfläche kann auch andere Winkel in Bezug auf die Erstreflexionsfläche aufweisen.
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Das Auskoppelelement ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass Lichtbündel, welche nach Einkopplung durch den Einkoppelabschnitt in dem Lichtleitabschnitt mit einem bestimmten Eintrittsöffnungswinkel divergierend verlaufen, mittels des Auskoppelelements auskoppelbar sind, wenn der Eintrittsöffnungswinkel einen für das Auskoppelelement vorgegebenen Eingangsgrenzwinkel nicht überschreitet, d.h. zwischen 0° und dem Eingangsgrenzwinkel liegt.
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Vorzugsweise ist die Lichtaustrittsfläche derart in Bezug auf das Auskoppelelement ausgerichtet (insbesondere derart in Bezug zu den Begrenzungsflächen des Auskoppelelements geneigt), dass das auszukoppelnde Lichtbündel nach Ausritt durch die Lichtaustrittsfläche unter einem Austrittsöffnungswinkel divergierend verläuft, welcher größer ist als der Eintrittsöffnungswinkel des mittels des Auskoppelelements auszukoppelnden Lichtbündels. Dies kann z.B. aufgrund der Brechung des Lichtbündels an der Lichtaustrittsfläche erzielt werden, z.B. durch eine geeignete Neigung der Lichtaustrittsfläche in Bezug auf das Auskoppelelement.
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Im Allgemeinen ist die Lichtaustrittsfläche derart in Bezug auf das Auskoppelelement ausgerichtet, dass die Bedingung der Totalreflexion an der Lichtaustrittsfläche für keinen Lichtstrahl erfüllt ist, welcher durch den Einkoppelabschnitt eingekoppelt ist und in dem Lichtleitabschnitt verläuft und mittels des jeweiligen Auskoppelelements ausgekoppelt werden soll. Insbesondere verläuft die Lichtaustrittsfläche jedoch derart, dass die Bedingung der Totalreflexion an der Lichtaustrittsfläche für jeden anderen Lichtstrahl erfüllt ist, welcher durch den Einkoppelabschnitt eingekoppelt ist und in dem Lichtleitabschnitt verläuft, welcher jedoch nicht ausgekoppelt werden soll oder mittels eines anderen als dem der jeweiligen Lichtaustrittsfläche zugeordneten Auskoppelelements ausgekoppelt werden soll. Die Lichtaustrittsfläche wirkt insofern für die Lichtstrahlen des jeweils zugeordneten Auskoppelelements transmittierend, für die übrigen in dem Lichtleitabschnitt geleiteten Lichtstrahlen jedoch vorzugsweise reflektierend.
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Im vorliegenden Zusammenhang bezeichnet der Einkoppelabschnitt grundsätzlich allgemein ein Mittel oder einen Materialabschnitt zur Einkopplung von Licht in den Lichtleiter. Vorzugsweise weist der Einkoppelabschnitt eine Lichteinkoppelfläche auf, durch welche Licht in den Einkoppelabschnitt eingestrahlt werden kann. Denkbar ist auch, dass der Einkoppelabschnitt einen an die Lichteinkoppelfläche anschließenden Lichtführungsabschnitt umfasst, welcher in den Lichtleitabschnitt mündet. Der Lichtführungsabschnitt erstreckt sich zwischen der Lichteinkoppelfläche und dem Lichtleitabschnitt.
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Denkbar ist insbesondere, dass der Einkoppelabschnitt eine Mehrzahl von Lichteinkoppelflächen aufweist, durch welche Licht in den Einkoppelabschnitt eingebracht werden kann. Insbesondere umfasst der Einkoppelabschnitt eine Mehrzahl von Lichtführungsabschnitten, wobei sich je ein Lichtführungsabschnitt ausgehend von einer jeweils zugeordneten Lichteinkoppelfläche erstreckt und in den Lichtleitabschnitt mündet. Die verschiedenen Lichtführungsabschnitte münden insbesondere alle in den Lichtleitabschnitt. Die Lichtführungsabschnitte verlaufen vorzugsweise separat voneinander, und gehen von vorzugsweise beabstandeten Lichteinkoppelflächen aus. In die verschiedenen Lichteinkoppelflächen kann Licht mit unterschiedlichen Eigenschaften (z.B. verschiedenen Farben und/oder verschiedener Intensität) eingekoppelt werden. So können die Eigenschaften des ausgekoppelten Lichts auf einfache Weise kontrolliert werden.
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Der Lichtführungsabschnitt ist vorzugsweise als Kollimierungsabschnitt ausgebildet, wobei sich der zur Lichtleitung wirksame Querschnitt des Kollimierungsabschnitts im Verlauf ausgehend von der Lichteinkoppelfläche vergrößert. Insbesondere ist der Kollimierungsabschnitt von Seitenflächen begrenzt, welche ausgehend von der Lichteinkoppelfläche auseinander laufen. Solche Ausgestaltungen führen dazu, dass bei mehrfacher Totalreflexion eines Lichtstrahls an den auseinander laufenden Seitenflächen der Winkel zu einer gedachten Mittellinie des Kollimierungsabschnitts bei jeder Totalreflexion verringert wird und so die eingekoppelten Lichtbündel kollimiert werden können.
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Grundsätzlich ist der Einkoppelabschnitt jedoch nicht auf eine der hier genannten Ausgestaltungen eingeschränkt.
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Der Lichtleitabschnitt ist zusätzlich zu der Hauptlichtleitfläche in der Regel von weiteren Seitenflächen begrenzt. Diese sind insbesondere derart ausgebildet, dass Licht, welches durch den Einkoppelabschnitt in den Lichtleitabschnitt eingebracht ist, unter interner Totalreflexion an den Seitenflächen und an der Hauptlichtleitfläche ausgehend von dem Einkoppelabschnitt geleitet werden kann.
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Insbesondere ist der Lichtleitabschnitt plattenartig ausgebildet, z.B. ähnlich einem flachen Quader. Insbesondere weist der Lichtleitabschnitt eine Oberseite und eine dieser gegenüberliegende Unterseite, sowie zwei einander gegenüberliegende Längsseiten und zwei einander gegenüberliegende Schmalseiten auf. Vorzugsweise verläuft die Hauptlichtleitfläche in einer Längsseite oder ist von dieser gebildet. Der Einkoppelabschnitt ist vorzugsweise an einer Schmalseite angeordnet, insbesondere an einer Schmalseite, welche mit der Hauptlichtleitfläche (z.B. im rechten Winkel) zusammenläuft.
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Ein solcher Lichtleiter kann mit flachem Bauraum verbaut werden. Außerdem ist eine effektive Herstellung im Spritzgussverfahren möglich, insbesondere da aufgrund der Plattenform eine schnelle Abkühlung erfolgen kann.
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Der Lichtleitabschnitt des Lichtleiters erstreckt sich ausgehend von dem Einkoppelabschnitt insbesondere entlang einer Hauptlichtleitlinie. Diese gibt den räumlichen Verlauf wieder, entlang dem im Mittel die nicht ausgekoppelte Strahlungsenergie in dem Lichtleitabschnitt transportiert wird. Nach Totalreflexion an einer Begrenzungsfläche des Auskoppelelements verläuft das auszukoppelnde Lichtbündel in dem Lichtleiter in Richtung der zugeordneten Lichtaustrittsfläche, also insbesondere unter einem Winkel zu der Hauptlichtleitlinie. In dem Lichtleiter können sich Einzelbündel des geleiteten Lichts abschnittsweise insofern auch in einer von der Hauptlichtleitlinie abweichenden Richtung fortpflanzen.
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An der Hauptlichtleitfläche können eine Vielzahl von Auskoppelelementen angeordnet sein, welche insbesondere entlang der Hauptlichtleitlinie aufeinander folgend angeordnet sind. Durch Zahl und Dichte (d.h. Größe der von Auskoppelelementen überdeckten Fläche im Verhältnis zum Flächeninhalt der Hauptlichtleitfläche) können Intensität und Intensitätsverteilung des ausgekoppelten Lichts beeinflusst werden.
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Der Lichtleitabschnitt und/oder die Hauptlichtleitfläche und/oder weitere Seitenflächen des Lichtleitabschnitts können gekrümmt verlaufen. Insofern kann die Hauptlichtleitlinie als gekrümmt verlaufende Kurve ausgebildet sein. Vorteilhaft kann jedoch auch ein gerader Verlauf sein.
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Der Lichtleitabschnitt kann z.B. eine Krümmung in einer Ebene senkrecht zu einer Flächennormale einer oder mehrerer Lichtaustrittsflächen aufweisen. Für das ausgekoppelte Licht lassen sich so Lichtquerschnitte einer gewünschten, auch gekrümmten Form erzielen, wie dies für das Design von Kfz-Beleuchtungsvorrichtungen oftmals erwünscht ist. Aufgrund der Ausgestaltung der Auskoppelelemente kann wie erläutert vermieden werden, dass es an gekrümmten Begrenzungsflächen des Lichtleitabschnitts, insbesondere an der Hauptlichtleitfläche oder an Flächen des Auskoppelelements zu einer unerwünschten Auskopplung von Licht kommt.
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Die Effizienz der Auskopplung kann dadurch erhöht werden, dass sich der Querschnitt des Lichtleitabschnitts zumindest abschnittsweise entlang seiner Erstreckungsrichtung ausgehend von dem Einkoppelabschnitt (insbesondere entlang der Hauptlichtleitlinie) verringert. Vorzugsweise weist der Lichtleitabschnitt einen den Lichtleitabschnitt entgegengesetzt zum Einkoppelabschnitt begrenzenden Endabschnitt auf, dessen Querschnitt sich entlang seiner Erstreckungsrichtung verjüngt.
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Als Material für den Lichtleitabschnitt, das Auskoppelelement und den Einkoppelabschnitt kommt vorzugsweise ein transparentes Material mit lichtbrechenden Eigenschaften zum Einsatz, insbesondere Glas oder ein transparenter Kunststoff wie Polycarbonat, PMMA (Acrylglas) o.ä.. Derartige Materialien weisen in der Regel eine größere optische Dichte auf und stellen damit einen größeren Brechungsindex bereit als Luft. Der Lichtleiter ist vorzugsweise insgesamt einstückig ausgebildet (mitsamt Auskoppelelement und Einkoppelabschnitt). Derartige Lichtleiter können beispielsweise aus geeigneten Kunststoffen (PMMA Acrylglas, Polycarbonat) im Spritzgussverfahren hergestellt werden.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, anhand derer die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben und erläutert sind. Es zeigen:
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1 perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lichtleiters;
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2 Längsschnitt durch den Lichtleiter gemäß 1 (Ausschnitt);
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3 perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lichtleiters;
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4 Längsschnitt durch den Lichtleiter gemäß 3;
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5 skizzierte Darstellung zur Erläuterung des Strahlengangs bei Auskopplung durch ein Auskoppelelement im Sinne der Erfindung;
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6 perspektivische Darstellung einer Ausgestaltung des Einkoppelabschnitts eines erfindungsgemäßen Lichtleiters.
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In der nachfolgenden Beschreibung sowie in den Figuren sind für identische oder einander entsprechende Merkmale jeweils dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Anhand der 1 und 2 wird ein erfindungsgemäßer Lichtleiter 10 beschrieben. Dieser umfasst einen sich entlang einer Hauptlichtleitlinie 12 erstreckenden Lichtleitabschnitt 14. Ferner ist ein Einkoppelabschnitt 16 vorgesehen, durch welchen Licht in den Lichtleitabschnitt 14 eingekoppelt werden kann. Der Lichtleitabschnitt 14 schließt sich einstückig an den Einkoppelabschnitt 16 an und erstreckt sich ausgehend von diesem entlang der Hauptlichtleitlinie 12.
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Der Lichtleitabschnitt 14 ist von einer Hauptlichtleitfläche 18 und einer dieser gegenüberliegenden Seitenfläche 20 derart begrenzt, dass Licht, welches durch den Einkoppelabschnitt 16 in den Lichtleitabschnitt 14 eingekoppelt ist, in diesem mittels ggf. mehrfacher Totalreflexion an der Hauptlichtleitfläche 18 und der Seitenfläche 20 (sowie ggf. weiteren Seitenfläche des Lichtleitabschnitts 14) von dem Einkoppelabschnitt 16 weg geleitet werden kann. An der Hauptlichtleitfläche 18 ist ein Auskoppelelement 22 vorgesehen, mittels welchem ein Anteil des in dem Lichtleitabschnitt 14 geleiteten Lichts ausgekoppelt werden kann. Das Auskoppelelement 22 ist vorzugsweise als polyedrischer Vorsprung oder polyedrisches Strukturelement des Lichtleitabschnitts 14 ausgebildet, welches mit diesem einstückig verbunden ist. Das Auskoppelelement 22 ist derart ausgebildet, dass Licht unter mehrfacher Totalreflexion an Begrenzungsflächen des Auskoppelelements 22 zu einem als Lichtaustrittsfläche 23 wirkenden Flächenabschnitt der gegenüberliegenden Seitenfläche 20 des Lichtleitabschnitts 14 umgelenkt werden kann.
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Im dargestellten Beispiel ist das Auskoppelelement 22 von drei Begrenzungsflächen begrenzt, nämlich einer Erstreflexionsfläche 24, welche an die Hauptlichtleitfläche 18 anschließt, sowie einer an die Erstreflexionsfläche 24 anschließende Zwischenreflexionsfläche 26 und schließlich einer sich zwischen der Zwischenreflexionsfläche 26 und der Hauptlichtleitfläche 18 erstreckenden Ausgangsreflexionsfläche 28. Die drei Begrenzungsflächen 24, 26 und 28 des Auskoppelelements 22 können derart schräg zueinander ausgerichtet sein, dass keine der Flächen 24, 26, 28 parallel zu einer anderen der Flächen 24, 26, 28 verläuft.
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Im dargestellten Beispiel weist der Lichtleiter 10 nur ein Auskoppelelement 22 auf. Denkbar sind jedoch auch Ausgestaltungen, bei welchen eine Vielzahl von Auskoppelelementen 22 vorzugsweise entlang der Hauptlichtleitlinie 12 aufeinander folgend an der Hauptlichtleitfläche 18 angeordnet sind.
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Der Einkoppelabschnitt 16 weist eine Lichteinkoppelfläche 30 auf, durch welche Licht in den Einkoppelabschnitt 16 eingestrahlt werden kann. An die Lichteinkoppelfläche 30 schließt sich ein Lichtführungsabschnitt 32 des Einkoppelabschnitts 16 an, welcher in den Lichtleitabschnitt 14 übergeht. Der Lichtführungsabschnitt 32 wird von Seitenflächen 34, 35, 36, 37 begrenzt, welche sich ausgehend von der Lichteinkoppelfläche 30 in Richtung des Lichtleitabschnitts 14 erstrecken und jeweils in eine der Grenzflächen des Lichtleitabschnitts 14 (also Hauptlichtleitfläche 18 oder Seitenfläche 20 oder eine der weiteren Seitenflächen) übergehen. Der Übergang zwischen den Grenzflächen des Einkoppelabschnitts 16 und den jeweiligen Seitenflächen des Lichtleitabschnitts 14 ist vorzugsweise stetig und knickfrei.
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Im dargestellten Beispiel ist der Lichtführungsabschnitt 32 als Kollimierungsabschnitt ausgebildet, mittels welchem das durch die Lichteinkoppelfläche 30 eingeleitete Licht kollimiert werden kann. Hierzu laufen die Seitenflächen 34 bis 37 des Lichtführungsabschnitts 32 ausgehend von der Lichteinkoppelfläche 30 derart auseinander, dass sich der zur Lichtleitung wirksame Querschnitt des Lichtführungsabschnitts 32 im Verlauf ausgehend von der Lichteinkoppelfläche 30 insbesondere stetig vergrößert.
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Zur detaillierten Erläuterung des Strahlengangs bei der Auskopplung ist in 2 ein das Auskoppelelement 22 zeigender Schnitt durch den Lichtleiter 10 entlang der Hauptlichtleitlinie 12 und senkrecht zu der Hauptlichtleitfläche 18 dargestellt.
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In der 2 sind eine Mehrzahl von in dem Lichtleitabschnitt 14 verlaufenden und mittels des Auskoppelelements 22 auszukoppelnden Eingangslichtstrahlen 40 für das Auskoppelelement 22 mit gestrichelten Linien angedeutet. Die Eingangslichtstrahlen 40 treffen zunächst auf die Erstreflexionsfläche 24, welche sich an die Hauptlichtleitfläche 18 anschließt. An der Erstreflexionsfläche 24 erfolgt Totalreflexion der Eingangslichtstrahlen 40 zu der Zwischenreflexionsfläche 26 hin. Die Zwischenreflexionsfläche 26 kann sich z.B. im Wesentlichen senkrecht zu der Erstreflexionsfläche 24 erstrecken.
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Vorzugsweise schließt die Erstreflexionsfläche 24 mit der Hauptlichtleitfläche 18 einen in der Erstreckungsrichtung des Lichtleitabschnitts 14 ausgehend von dem Einkoppelabschnitt 16 aus, offenen, spitzen Winkel (kleiner 90°) ein. Dadurch kann sichergestellt werden, dass für sämtliche Eingangslichtstrahlen 40, welche in dem Lichtleitabschnitt 14 geführt werden und mit dem Auskoppelelement 22 ausgekoppelt werden sollen, die Bedingung der Totalreflexion an der Erstreflexionsfläche 24 (sowie an der Zwischenreflexionsfläche 26) erfüllt ist.
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Nach Reflexion an der Zwischenreflexionsfläche 26 treffen die Lichtstrahlen auf die Ausgangsreflexionsfläche 28 des Auskoppelelements 22. Unter Totalreflexion werden die Lichtstrahlen hier in Auskoppellichtstrahlen 41 umgelenkt, welche den Lichtleitabschnitt 14 in Richtung der gegenüberliegenden Seitenfläche 20 durchqueren.
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Die dreimalige Totalreflexion an den drei Begrenzungsflächen 24, 26 und 28 des Auskoppelelements 22 führt zu einer Richtungsänderung der Eingangslichtstrahlen 40 um mehr als 90° (d.h. der positiv orientierte Winkel zwischen den Eingangslichtstrahlen 40 und den Auskoppellichtstrahlen 41 im Lichtleitabschnitt 14 ist größer als 90°).
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Der die Lichtaustrittsfläche 23 des Lichtleiters 10 bildende Abschnitt der Seitenfläche 20 ist derart in Bezug auf das Auskoppelelement 22 ausgerichtet, dass die in dem Lichtleitabschnitt 14 Auskoppellichtstrahlen 41 unter Brechung durch die Lichtaustrittsfläche 23 durchtreten und in Ausgangslichtstrahlen 42 übergehen. Die Ausgangslichtstrahlen 42 schließen zu den jeweils zugeordneten Auskoppellichtstrahlen 41 einen nicht verschwindenden Winkel ein (der sich aus dem Snellius-Brechungsgesetz ergibt).
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In den 3 und 4 ist ein Lichtleiter 50 dargestellt, welcher einen plattenartig ausgebildeten Lichtleitabschnitt 14 aufweist. Insgesamt betrachtet ist die Form des Lichtleitabschnitts 14 ähnlich einem flachen Quader. Der plattenartige Lichtleitabschnitt 14 weist eine sich flächig erstreckende Oberseite 52 und eine dieser gegenüberliegende Unterseite auf (in 3 verdeckt aufgrund der perspektivischen Darstellung). In den Richtungen im Wesentlichen senkrecht zur Erstreckung der Oberseite 52 und der Unterseite ist der Lichtleitabschnitt 14 von einer Längsseite 54 (sowie einer dieser gegenüberliegenden Längsseite, in 3 verdeckt) und einer Schmalseite 56 (und einer in 3 verdeckten, dieser gegenüberliegenden Schmalseite) begrenzt.
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Eine der Längsseiten (in 3 die der Längsseite 54 gegenüberliegende, verdeckte Längsseite) bildet die Hauptlichtleitfläche 18 des Lichtleitabschnitts 14. Entlang der Hauptlichtleitfläche 18 sind eine Vielzahl von im Verlauf der Hauptlichtleitfläche 18 aufeinanderfolgender Auskoppelelementen 58 angeordnet. Die Auskoppelelemente 58 sind als über die Hauptlichtleitfläche 18 vorspringende, mit dem Lichtleitabschnitt 14 einstückig verbundene Strukturelemente ausgebildet und werden nachfolgend zu 4 noch näher erläutert.
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Der Einkoppelabschnitt 16 des Lichtleiters 50 schließt sich an Abschnitte der Schmalseite 56 des Lichtleitabschnitts 14 an. Anders als in 1 sind eine Mehrzahl (im Beispiel sieben) von jeweils voneinander beabstandeten Lichteinkoppelflächen 30 vorgesehen, welche jeweils Lichtführungsabschnitte 32 in der zu dem Lichtleitabschnitt 14 entgegengesetzten Richtung begrenzen. Die jeweiligen Lichtführungsabschnitte 32 verlaufen separat voneinander zwischen der jeweiligen Lichteinkoppelfläche 30 und dem Lichtleitabschnitt 14, in welchen sie in dessen Schmalseite 56 münden. Vorzugsweise ist jeder Lichtführungsabschnitt 32 zumindest von zwei gegenüberliegenden Seitenflächen begrenzt, wobei eine der Seitenflächen in die Oberseite 52, die andere Seitenfläche in die Unterseite des Lichtleitabschnitts 14 übergeht. Jeder Lichtführungsabschnitt 32 ist vorzugsweise außerdem von zwei einander gegenüberliegenden, weiteren Seitenflächen begrenzt, welche in der Schmalseite 56 des Lichtleitabschnitts 14 münden.
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Durch die unterschiedlichen Lichteinkoppelflächen 30 kann beispielsweise das Licht verschiedener Lichtquellen (z.B. mit unterschiedlicher Farbe oder unterschiedlicher Intensität) in den Lichtleitabschnitt 14 eingeleitet werden.
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Die 4 zeigt einen Schnitt durch den Lichtleiter 50 parallel zu der Oberseite 52 des Lichtleitabschnitts 14 und senkrecht zu der Hauptlichtleitfläche 18. Ähnlich wie in 2 sind eine Vielzahl von durch den Einkoppelabschnitt 16 eingekoppelte und in dem Lichtleitabschnitt 14 verlaufende Eingangslichtstrahlen 40 dargestellt, welche jeweils in den Wirkungsbereich eines Auskoppelelements 58 gelangen und mittels diesem ausgekoppelt werden, d.h. in Ausgangslichtstrahlen 42 übergehen, welche aus dem Lichtleitabschnitt 14 austreten.
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Die den Auskoppelelementen 58 gegenüberliegende Längsseite 54 stellt jeweils eine zugeordnete Lichtaustrittsfläche 23 für jeweils ein Auskoppelelement 58 bereit. Dies ist im dargestellten Beispiel so zu verstehen, dass jeweils ein Flächenabschnitt 23’ der Schmalseite 56 als Austrittsfläche für die mittels eines jeweils zugeordneten Auskoppelelements 58’ umgelenkten Lichtstrahlen wirkt.
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Die in 4 beispielhaft dargestellten Auskoppelelemente 58 unterscheiden sich von den Auskoppelelementen 52 insbesondere dadurch, dass ein Auskoppelelement 58 von vier Begrenzungsflächen 61, 62, 63, 64 begrenzt ist. Vorzugsweise ist die erste Begrenzungsfläche 61 eines Auskoppelelements 58 in einem spitzen Winkel zu der Hauptlichtleitfläche 18 hin geneigt und bildet eine Erstreflexionsfläche 24 im Sinne der 2. An diese schließt sich die Begrenzungsfläche 62 und an diese wiederum die Begrenzungsfläche 63. Die Begrenzungsfläche 64 schließlich verläuft zwischen der Begrenzungsfläche 63 und der Hauptlichtleitfläche 18 und begrenzt das Auskoppelelement 58 in seiner der Begrenzungsfläche 61 gegenüberliegenden Richtung.
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Die Begrenzungsflächen 61 bis 64 können derart in Bezug zueinander ausgerichtet sein, dass die der Erstreflexionsfläche 61 abgewandte Begrenzungsfläche 64 für keinen durch den Einkoppelabschnitt 16 eingekoppelten Eingangslichtstrahl 40 nach Umlenkung durch die weiteren Begrenzungsflächen 61 bis 63 als Totalreflexionsfläche wirkt. Insbesondere kann die Begrenzungsfläche 64 derart verlaufen, dass sie optisch wirkungslos ist und sich im Strahlengang keines mittels des Auskoppelelements 58 auszukoppelnden Lichtstrahls befindet. In diesem Fall findet Totalreflexion nur an den Begrenzungsflächen 61, 62 und 63 statt. Die Begrenzungsfläche 63 wirkt insofern als Ausgangsreflexionsfläche 28 im Sinne der 2. Nach Reflexion an der Begrenzungsfläche 63 verläuft ein Lichtstrahl in Richtung der zugeordneten Lichtaustrittsfläche 23 an der Schmalseite 56 des Lichtleitabschnitts 14.
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Die Umlenkung eines Eingangslichtstrahls 40 durch ein Auskoppelelement im Sinne der Erfindung sowie der Übergang in den Ausgangslichtstrahl 42 durch die Lichtaustrittsfläche 23 wird im Folgenden anhand der skizzierten Darstellung in 5 näher erläutert. Hierbei ist ein unter einem Winkel µ verkippter Verlauf der Lichtaustrittsfläche 23 eines Lichtleiters gegenüber der gewünschten Lichtdurchtrittsebene einer Kfz-Beleuchtungseinrichtung angedeutet. Insofern ist ein Ausgangslichtstrahl 42 mit einer gewünschten Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der gewünschten Lichtdurchtrittsebene angedeutet. Eine derartige Anordnung findet beispielsweise in modernen Kfz-Beleuchtungseinrichtungen Verwendung, bei welchen Lichtleitern mit einer sogenannten Pfeilung verbaut werden. Diese Pfeilung ist beispielsweise durch einen Winkel zwischen der Hauptlichtleitlinie 12 eines Lichtleiters 14 und der gewünschten Hauptabstrahlrichtung einer Kfz-Beleuchtungseinrichtung definiert.
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Zusätzlich zu der Lichtaustrittsfläche 23 sind in 5 die Erstreckungsrichtungen im Dargestellten Schnitt von Erstreflexionsfläche 24, Zwischenreflexionsfläche 26 und Ausgangsreflexionsfläche 28 eines Auskoppelelements im Sinne der Erfindung angedeutet. Betrachtet man einen Eingangslichtstrahl 40, welcher in einem Lichtleitabschnitt geführt wird und mittels eines Auskoppelelements durch die Lichtaustrittsfläche 23 ausgekoppelt werden soll, so trifft der Eingangslichtstrahl 40 in einem Punkt P auf die Erstreflexionsfläche 24. In 5 ist mittels eines Dreiecks derjenige Winkelbereich um den Punkt P angedeutet, innerhalb welchem für auf die Erstreflexionsfläche 24 auftreffende Lichtstrahlen die Bedingung der Totalreflexion nach dem Snellius-Gesetz nicht erfüllt ist und somit eine unerwünschte Transmission durch die Erstreflexionsfläche 24 erfolgen kann. Für den dargestellten Eingangslichtstrahl 40 tritt im Punkt P jedoch Totalreflexion auf, so dass der Strahl zu der Zwischenreflexionsfläche 26 umgelenkt wird. Auch hier tritt Totalreflexion wiederum dann auf, wenn der Auftreffwinkel des Lichtstrahls auf die Zwischenreflexionsfläche 26 außerhalb des durch ein Dreieck dargestellten Winkelbereichs liegt. Nach Totalreflexion an der Zwischenreflexionsfläche erfolgt wiederum unter der entsprechend mit einem Dreieck dargestellten Bedingung Totalreflexion an der Ausgangsreflexionsfläche 28, wodurch der Lichtstrahl in den Auskoppellichtstrahl 41 umgelenkt wird.
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Die Ausrichtungen der Flächenabschnitte 24, 26 und 28 sind derart gewählt, dass keiner der mittels des jeweils betrachteten Auskoppelelements auszukoppelnden Lichtstrahlen 40 unter einem Winkel auf eine der Begrenzungsflächen 24, 26, 28 auftrifft, welcher innerhalb des mittels Dreiecken symbolisierten Winkelbereichs liegt.
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Die Begrenzungsflächen 24, 26 und 28 sind vorzugsweise derart ausgerichtet, dass für keinen Lichtstrahl eines Lichtbündels, welches mit einem Eintrittsöffnungswinkel um den Eingangslichtstrahl 40 divergierend verläuft, eine unerwünschte Auskopplung von Licht durch die Begrenzungsflächen 24, 26 und 28 erfolgt, sofern der Eingangsöffnungswinkel kleiner als ein bestimmter Eingangsgrenzwinkel ist. Im dargestellten Beispiel beträgt der Eingangsgrenzwinkel ca. 10°. Somit ist für ein mit Eintrittsöffnungswinkel von maximal 10° um den Eingangslichtstrahl 40 verlaufendes Lichtbündel sichergestellt, dass kein darin enthaltener Lichtstrahl innerhalb des durch die Dreiecke visualisierten unerwünschten Winkelbereichs auf eine der Begrenzungsflächen 24, 26, 28 auftrifft.
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Im weiteren Verlauf trifft der umgelenkte Auskoppellichtstrahl 41 auf die Lichtaustrittsfläche 23 des Lichtleitabschnitts 14. Die Lichtaustrittsfläche 23 ist vorzugsweise derart in Bezug auf das Auskoppelelement ausgerichtet, dass für jeden Lichtstrahl, der die oben dargestellte Bedingung erfüllt, die Bedingung der Totalreflexion nicht erfüllt ist. Dies ist in 5 dadurch angedeutet, dass der Auskoppellichtstrahl 41 innerhalb des durch ein Dreieck angedeuteten Winkelbereichs um seinen Auftreffpunkt auf die Lichtaustrittsfläche 23 verläuft. Der Auskoppellichtstrahl 41 wird beim Durchgang durch die Lichtaustrittsfläche 23 vorzugsweise gebrochen, so dass der Ausgangslichtstrahl 42 gegenüber dem Auskoppellichtstrahl 41 verkippt verläuft und die gewünschte Richtung aufweist.
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Die Lichtaustrittsfläche 23 ist vorzugsweise derart in Bezug auf das Auskoppelelement geneigt, dass aufgrund der Brechung beim Durchtritt durch die Lichtaustrittsfläche 23 das ausgekoppelte Lichtbündel einen Austrittsöffnungswinkel aufweist, welcher größer ist als der Eintrittsöffnungswinkel des mittels des jeweiligen Auskoppelelements ausgekoppelten Lichtbündels.
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Wie in 6 dargestellt, kann der Einkoppelabschnitt 16 derart gestaltet werden, dass Licht einer Mehrzahl von Lichtquellen (beispielsweise LEDs 70) auf effiziente Weise in den Lichtleitabschnitt 14 eingekoppelt werden kann. Hierzu kann der Einkoppelabschnitt 16 einen in den Lichtleitabschnitt 14 übergehenden Lichtführungsabschnitt 32’ aufweisen, welcher mit einer Mehrzahl von Lichtzuführungsleitern 72 derart verbunden ist, dass das in den Lichtzuführungsleitern 72 geführte Licht in den Lichtführungsabschnitt 32 eingekoppelt wird und von diesem einem (in 6 nicht dargestellten) Lichtleitabschnitt zugeführt wird. Die Lichtzuführungsleiter 72 können gekrümmt verlaufen. Über einen derartigen Einkoppelabschnitt 16 kann ein Lichtleiter von mehreren Lichtquellen (z.B. Leuchtdioden) 70 gespeist werden, welche von dem Lichtleiter beabstandet und ggf. in verkippter Orientierung zu diesem angeordnet sind. Vorzugsweise ist je ein Lichtführungsleiter 72 einer Lichtquelle 70 zugeordnet.
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Derartige Ausgestaltungen erlauben es, auch bei begrenztem Bauraum eine lichtstarke Beleuchtungseinrichtung zu erzielen. Insbesondere kann über einen derartigen Einkoppelabschnitt 16 ein Lichtleiter mit einer Mehrzahl von Lichtquellen 70 gespeist werden. Diese können derart angeordnet sein, dass eine effiziente Abführung von Wärme gewährleistet ist, was die Lebensdauer der Beleuchtungseinrichtung erhöhen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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