DE102013204620A1

DE102013204620A1 - Kfz-Beleuchtungseinrichtung

Info

Publication number: DE102013204620A1
Application number: DE102013204620.0A
Authority: DE
Inventors: Hubert Zwick; Hermann Kellermann
Original assignee: Automotive Lighting Reutlingen GmbH
Current assignee: Marelli Automotive Lighting Reutlingen Germany GmbH
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2013-03-15
Publication date: 2014-09-18
Anticipated expiration: 2033-03-16
Also published as: DE102013204620B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kfz-Beleuchtungseinrichtung mit einem Leuchtmittel und einem Lichtleitelement, welches einen Grundkörper aufweist, welcher eine Lichteinkoppelfläche zum Einkoppeln von Licht des Leuchtmittels und einen Lichtauskoppelabschnitt aufweist, wobei der Grundkörper als Abschnitt eines durch Rotation einer gedachten Rotationsbasisfläche um eine Leitachse gebildeten Rotationskörpers ausgebildet ist, wobei die Rotationsbasisfläche von einer gedachten Basisinnenkante in Richtung zur Leitachse hin und von einer gedachten Basisaußenkante in Richtung von der Leitachse weg begrenzt ist, und wobei die Rotationsbasisfläche außerdem von einer Einkoppelkante begrenzt ist, an welche sich einerseits die Basisinnenkante und andererseits die Basisaußenkante anschließt. Dabei verlaufen die Basisinnenkante und die Basisaußenkante ausgehend von der Einkoppelkante in Richtung zum Lichtauskoppelabschnitt zur Leitachse hin gewölbt, und die Rotationsbasisfläche berührt die Leitachse entlang der Einkoppelkante, und die Einkoppelkante verläuft in der Lichteinkoppelfläche.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kfz-Beleuchtungseinrichtung mit einem Lichtleitelement gemäß dem Anspruch 1.
Im Bereich der Beleuchtungseinrichtungen ist zum einen die Verwendung von Lichtformelementen oder Linsen bekannt, welche als Rotationskörper aus einem transparenten Material ausgebildet sind. Beispielsweise ist in der DD 21 907 A eine Topflinse beschrieben, welche als Rotationskörper einer Rotationsbasisfläche um eine optische Achse der Topflinse gebildet ist. Die gedachte Rotationsbasisfläche weist eine der optischen Achse zugewandte Begrenzungsinnenkante auf, deren Rotation um die optische Achse eine dieser zugewandte Lichteintrittsfläche der Topflinse definiert. Die Rotationsbasisfläche ist nach außen hin von einer Basisaußenkante begrenzt, deren Rotation um die optische Achse eine dieser abgewandte Lichtaustrittsfläche der Topflinse definiert. Die Begrenzungsinnenkante und die Begrenzungsaußenkante der gedachten Rotationsbasisfläche (und damit auch die genannte Lichteintrittsfläche und die Lichtaustrittsfläche) laufen in einem Punkt der optischen Achse zusammen. Entlang der optischen Achse betrachtet, weist die Topflinse daher eine von der Lichteintrittsfläche begrenzte, im Wesentlichen kegelartige Ausnehmung auf. Mit dieser Ausnehmung kann die Topflinse über eine Lichtquelle gestülpt werden. Die Rotationsbasisfläche dieser Topflinse weist im Wesentlichen einen Sammellinsenquerschnitt auf, mit einer sich von der optischen Achse weg wölbenden Lichteintrittsfläche und einer zu der optischen Achse hin gewölbten Lichtauskoppelfläche.
Außerdem finden für Beleuchtungseinrichtungen verschiedene Lichtleitelemente Verwendung, welche eine Lichteintrittsfläche und eine Lichtaustrittsfläche aufweisen und von Seitenwänden derart begrenzt sind, dass Licht unter interner Totalreflexion von der Lichteintrittsfläche zu der Lichtaustrittsfläche geleitet werden kann.
Bei solchen Lichtleitelementen besteht zum einen das Problem, dass die in dem Lichtleitelement geführte Lichtverteilung durch Unebenheiten oder durch mechanische Kontaktierung der leitenden Seitenflächen beeinflusst oder beeinträchtigt wird. Insbesondere kann es zu einer unerwünschten Lichtauskopplung kommen. Somit ist es oftmals schwierig, derartige Lichtleitelemente in einer Beleuchtungseinrichtung zu haltern oder zu befestigen.
Außerdem ist eine die Lichtleitung nach dem Prinzip der vielfachen internen Totalreflexion an den begrenzenden Seitenwänden in der Regel damit verbunden, dass die Winkelanhängigkeit der Intensitätsverteilung des durch die Lichteinkoppelfläche eingekoppelten Lichts gänzlich verändert wird. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Lichtbündel durch vielfache interne Totalreflexion in dem Lichtleiter an in verschiedenen Winkeln zueinander ausgerichteten Seitenwänden gleichsam durchmischt werden. Dieser Effekt kann es problematisch machen, aus derartigen Lichtleitelementen eine Abstrahllichtverteilung mit einer kontrollierten Intensitätsverteilung auszukoppeln.
Bei Verwendung von solchen Lichtleitelementen in modernen Kfz-Beleuchtungseinrichtungen besteht oftmals die Anforderung, das Licht nach Abstrahlung durch das Leuchtmittel mit mehrfacher Richtungsänderung und ggf. Querschnittsänderungen des Lichtleitelements zu führen, beispielsweise wegen eines begrenzten Bauraums. Dies ist vor dem Hintergrund der oben genannten Effekte besonders problematisch.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die genannten nachteiligen Effekte zu minimieren. Insbesondere soll es für eine Kfz-Beleuchtungseinrichtung ermöglicht werden, das von dem Leuchtmittel ausgestrahlte Licht unter weitgehendem Erhalt der Ordnung der eingekoppelten Lichtbündel untereinander zu führen und eine Beeinträchtigung der Lichtleiteigenschaften durch mechanische Kontaktierung und Haltern des Lichtleitelements weitgehend zu verhindern.
Diese Aufgabe wird durch eine Kfz-Beleuchtungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine solche Beleuchtungseinrichtung weist ein Leuchtmittel und ein Lichtleitelement auf, welches einen Grundkörper mit einer Lichteinkoppelfläche und einem Lichtauskoppelabschnitt aufweist und welcher derart ausgebildet ist, dass Licht unter interner Totalreflexion von der Lichteinkoppelfläche zu dem Lichtauskoppelabschnitt geleitet werden kann.
Der Grundkörper ist als Abschnitt, vorzugsweise Segment oder Sektor, eines Rotationskörpers ausgebildet, welcher durch Rotation einer gedachten ebenen Rotationsbasisfläche um eine Leitachse des Lichtleitelements definiert ist.
Die gedachte Rotationsbasisfläche wird von einer Basisinnenkante in Richtung zu der Leitachse hin und von einer Basisaußenkante in Richtung von der Leitachse weg begrenzt. Die Rotationsbasisfläche ist zusätzlich von einer Einkoppelkante begrenzt, an welche sich einerseits die Basisinnenkante und andererseits die Basisaußenkante anschließt. Ausgehend von der Einkoppelkante verläuft sowohl die Basisinnenkante, als auch die Basisaußenkante, in ihrem Verlauf zum Lichtauskoppelabschnitt in Richtung zur Leitachse hin gewölbt. Der Abschnitt des Rotationskörpers ist dabei derart gebildet, dass die gedachte Rotationsbasisfläche die Leitachse zumindest entlang der Einkoppelkante berührt und die Einkoppelkante in der Lichteinkoppelfläche des Grundkörpers verläuft.
Ein so definierter Grundkörper weist eine der Leitachse zugewandte Leitinnenfläche und eine von der Leitachse abgewandte Leitaußenfläche auf, welche jeweils als Ganzes betrachtet, ausgehend von der Lichteinkoppelfläche des Grundkörpers bezüglich zweier Richtungen gewölbt sind (nämlich zum einen entlang ihres Verlaufs von der Lichteinkoppelfläche in Richtung zum Lichtauskoppelabschnitt mit Wölbung zur Leitachse hin, und zum anderen in ihrem Verlauf in einer gedachten Ebene senkrecht zur Leitachse mit Wölbung um die Leitachse herum). Da die Einkoppelkante in der Lichteinkoppelfläche verläuft, schließen sich die in dieser Art doppelt gewölbten Lichtleitflächen des Grundkörpers unmittelbar an die Lichteinkoppelfläche an.
Durch die Ausgestaltung als Rotationskörper kann ein unerwünschter Einfluss von lateralen Begrenzungswänden vermieden werden. Diese können, wie eingangs beschrieben, zu einer winkelmäßigen Durchmischung der in dem Lichtleiter geführten Lichtverteilung führen können. Insbesondere ist der Grundkörper derart gewählt, dass keine interne Totalreflexion an Begrenzungswänden erfolgt, welche zu den genannten Lichtleitflächen in einem Winkel ausgerichtet sind.
Für die Winkelabhängigkeit der Intensitätsverteilung des in dem Lichtleitelement geführten Lichts ergibt sich daher ein leicht nachvollziehbarer Verlauf. Insbesondere verläuft aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ein ausgewähltes, durch die Lichteinkoppelfläche eingekoppeltes Lichtbündel auch bei mehrfacher Totalreflexion zwischen der Leitinnenfläche und der Leitaußenfläche im Wesentlichen in einer sich parallel zu der Leitachse erstreckenden Ebene. Eine laterale Durchmischung von Lichtbündeln wird weitgehend vermieden.
Die Basisinnenkante und die Basisaußenkante (und damit auch die durch Rotation definierte Leitinnenfläche und Leitaußenfläche des Grundkörpers) sind im Wesentlichen in dieselbe Richtung zur Leitachse hin gewölbt. Diese Begrenzungsflächen dienen grundsätzlich zur Lichtleitung. Optional können an einer der oder an beiden Begrenzungsflächen Auskoppelelemente zur kontrollierten Auskopplung von in dem Lichtleiter geleiteten vorgesehen sein, wie nachfolgend noch erläutert. Als Lichteinkoppelfläche dient bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung daher nicht eine der durch die Basisinnenkante oder Basisaußenkante definierten Begrenzungsflächen, sondern die Lichteinkoppelfläche des Grundkörpers, in welcher die Einkoppelkante verläuft und an welche sich die genannten Flächen (Leitinnenfläche, Leitaußenfläche) anschließen.
Unter einem Rotationskörper wird im vorliegenden Zusammenhang ein Körper verstanden, der durch Rotation einer erzeugenden, ebenen Kurve – oder durch eine von dieser Kurve berandeten Rotationsbasisfläche – um die Rotationsachse (Leitachse) gebildet ist. Die Rotationsbasisfläche erstreckt sich dabei in einer Ebene mit der Leitachse. Aus einem solchen rotationssymmetrischen Körper wird der Grundkörper des erfindungsgemäßen Lichtleitelements als Abschnitt gebildet, welcher vorzugsweise die Rotationsachse enthält (z.B. im Wesentlichen als Sektor). Insbesondere ist der Grundkörper als Ausschnitt aus dem Rotationskörper ausgebildet, der von zwei sich entlang der oder parallel zur Rotationsachse (Leitachse) schneidenden, insbesondere parallel zur Rotationsachse verlaufenden Sektorebenen begrenzt ist. Die Sektorebenen schließen einen Sektorwinkel miteinander ein. Der Sektorwinkel beträgt vorzugsweise zwischen 90° und 270°, beispielsweise 180°.
Die Einkoppelkante sowie die Basisinnenkante und die Basisaußenkante der gedachten Rotationsbasisfläche liegen vorzugsweise in einer gemeinsamen Ebene.
Durch Rotation der Basisinnenkante der Rotationsbasisfläche wird eine der Leitachse zugewandte Leitinnenfläche des Grundkörpers definiert. Entsprechend wird durch Rotation der Basisaußenkante eine der Leitachse abgewandte Leitaußenfläche des Grundkörpers definiert.
Der Grundkörper ist vorzugsweise aus einem optisch wirksamen Linsenmaterial gebildet, beispielsweise ein transparentes Material mit größerer optischer Dichte als Luft (d.h. größerem Brechungsindex). In Frage kommen insbesondere Glas- oder Kunststoffe, wie Acrylglas oder Polykarbonat oder Polymetylmethacrylat (PMMA). Insbesondere die letztgenannten Materialien können kostengünstig mit hoher Präzision im Spritzgussverfahren verarbeitet werden.
Die Basisinnenkante und die Basisaußenkante bzw. die Leitinnenfläche und die Leitaußenfläche sind in ihrem Verlauf ausgehend von der Einkoppelkante bzw. der Lichteinkoppelfläche in Richtung Lichtauskoppelabschnitt vorzugsweise in dieselbe Richtung gewölbt. Die beiden genannten Kanten können beispielsweise in mathematischem Sinne eine Krümmung mit gleichem Vorzeichen aufweisen (z.B. bezüglich eines von der Leitachse und einer Senkrechten zur Leitachse aufgespannten Koordinatensystems). Insbesondere ist die Steigung der Basisinnenkante und der Basisaußenkante im Bereich ihres Ansatzes an der Einkoppelkante derart, dass die Basisinnenkante und die Basisaußenkante jeweils einen spitzen Winkel mit der Leitachse einschließen, wobei die beiden eingeschlossenen Winkel in dieselbe Richtung bezüglich der Leitachse geöffnet sind.
Der Grundkörper ist vorzugsweise derart in lateraler Richtung bezüglich der Leitachse begrenzt oder der Abschnitt des zugrundeliegenden Rotationskörpers ist derart gewählt, dass Licht unter interner Totalreflexion ausschließlich an der durch die Basisinnenkante definierte Leitinnenfläche und an der durch die Basisaußenkante definierten Leitaußenfläche von der Lichteinkoppelfläche zu dem Lichtauskoppelabschnitt geleitet werden kann. Es erfolgt somit keine interne Totalreflexion an anderen als an den durch Rotation erzeugten Flächen. Eine Durchmischung verschiedener Winkelkomponenten der eingekoppelten Intensitätsverteilung erfolgt bei Lichtleitern in der Regel durch aufeinanderfolgende Reflexionsvorgänge an Seitenflächen, deren Ausrichtung zueinander deutlich von einer Parallelität abweicht. Die genannte Ausgestaltung der Erfindung führt somit dazu, dass die Winkelverteilung des eingekoppelten Lichts weitgehend erhalten bleibt.
Der Grundkörper muss grundsätzlich nicht als vollständiger Rotationskörper ausgebildet sein. Vielmehr ist erfindungsgemäß ein Abschnitt oder Ausschnitt bzw. Sektor eines Rotationskörpers ausreichend. Vorzugsweise ist dieser Abschnitt derart bemessen, dass er von der Leitachse aus gesehen zumindest einen Sektorwinkel überdeckt, welcher gleich oder größer ist als der doppelte Grenzwinkel der Totalreflexion nach dem Snellius-Brechungsgesetz für den Übergang aus dem Material des Grundkörpers zu Luft. Zur Platzeinsparung kann der Grundkörper daher auf eine laterale Ausdehnung beschnitten werden, wobei dennoch eine störende Reflexion an lateralen Seitenwänden vermieden werden kann. Insofern kann der Grundkörper im Wesentlichen auf denjenigen Abschnitt beschnitten werden, welcher im Betrieb der Beleuchtungseinrichtung lichtdurchflutet ist. Diese Möglichkeit besteht insbesondere deswegen, da der Divergenzwinkel eines durch eine ebene Lichteinkoppelfläche in den Grundkörper eingekoppelten Lichtbündels im Innern des Grundkörpers maximal dem doppelten Grenzwinkel der Totalreflexion entsprechen kann (da dies einer Einkopplung parallel zu der Lichteinkoppelfläche entsprechen würde).
Vorzugsweise ist die Lichteinkoppelfläche derart am Grundkörper ausgebildet, dass eine Ebene, die senkrecht zur Lichteinkoppelfläche und parallel oder entlang der Leitachse verläuft, eine Winkelhalbierende des genannten Sektorwinkels bildet.
Der Sektorwinkel ist insbesondere kleiner als 180° gewählt. Der genannte Grenzwinkel der Totalreflexion α_G ergibt sich aus dem Zahlenwert des Brechungsindexes n des Materials des Grundkörpers unter Zuhilfenahme des Snellius-Brechungsgesetzes aus der Bedingung n·sin(α_G) = 1, wobei α_G der Grenzwinkel gemessen zum Lot auf die Begrenzungsfläche im Einstrahlpunkt eines Lichtstrahles ist. Der Grenzwinkel α_G liegt in der Regel zwischen 0° und 90°, z.B. für einen Glas-Luft-Übergang im Bereich von 40° bis 45°.
Der genannte Abschnitt des Grundkörpers ist vorzugsweise als Ausschnitt bzw. Sektor des Rotationskörpers ausgebildet, d.h. in lateraler Richtung von zwei Sektorebenen begrenzt, welche parallel zur Leitachse verlaufen und miteinander den Sektorwinkel einschließen.
An einem evtl. Überstand des Grundkörpers über den lichtdurchfluteten Bereich können Halteabschnitte oder Befestigungsabschnitte vorgesehen sein, ohne dass die Totalreflexion an den Begrenzungsflächen und damit der Lichtverlauf im Inneren des Grundkörpers beeinträchtigt wird.
Die Basisinnenkante und/oder die Basisaußenkante weisen ausgehend von der Einkoppelkante vorzugsweise einen kreisbogenartigen Verlauf auf. Denkbar ist auch ein elliptischer Verlauf oder ein parabolischer Verlauf ausgehend von der Einkoppelkante. Die erfindungsgemäßen Ausgestaltungen sind jedoch nicht auf derartige Formen eingeschränkt. Vielmehr können die genannten vorteilhaften Effekte mit jeglichen Kurvenverläufen erzielt werden, welche sich ausgehend von der Einkoppelkante zu der Leitachse hin wölben.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Basisinnenkante und/oder die Basisaußenkante ausgehend von der Einkoppelkante einen gewellten Verlauf auf, d.h. einen Verlauf mit zumindest einem Wechsel der Wölbungsrichtung entlang der Erstreckung der Kante. Die Basisinnenkante und/oder die Basisaußenkante sind vorzugsweise derart gewählt, dass die durch Rotation der Kanten gebildete Leitinnenfläche und/oder Leitaußenfläche wenigstens einen (z.B. lokalen) Extremalpunkt mit minimalem Abstand von der Leitachse aufweisen. Zusätzlich kann ein Extremalpunkt mit maximalem Abstand von der Leitachse vorgesehen sein. Im Bereich eines Extremalpunkts mit minimalem Abstand kann der Grundkörper eine Einschnürung bezüglich seiner lateralen Ausdehnung in Bezug auf die Leitachse aufweisen. Dies ist aufgrund der erfindungsgemäßen Gestaltung des Lichtleitelements möglich, ohne dass in unerwünschter Weise eine Lichtauskopplung durch eine Seitenfläche des Lichtleiters erfolgt. Dieses Problem besteht bei konventionellen Lichtleitern im Falle einer Einschnürung, da dort lokal der Grenzwinkel der Totalreflexion in Bezug auf ein lokales Lot zur Seitenfläche überschritten sein kann.
Die Leitinnenfläche und die Leitaußenfläche können sich ausgehend von der Lichteinkoppelfläche im Wesentlichen parallel zueinander erstrecken. Insofern können die Basisinnenkante und die Basisaußenkante im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
Die Basisinnenkante und die Basisaußenkante (und somit die Leitinnenfläche und die Leitaußenfläche) laufen in ihrem Verlauf ausgehend von der Einkoppelkante (bzw. die Flächen in ihrem Verlauf ausgehend von der Lichteinkoppelfläche) auseinander. Dies führt dazu, dass die in dem Grundkörper verlaufenden Lichtstrahlen um eine Mittelfaser (oder um eine zwischen Leitinnenfläche und Leitaußenfläche verlaufende Mittelfaserfläche) kollimiert werden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass aufgrund des bezüglich der Mittelfaser (bzw. der Mittelfaserebene) auseinander laufenden Verlaufs ein reflektierter Lichtstrahl nach Reflexion einen geringeren Winkel zur Mittelfaser (bzw. zur Mittelfaserebene) einschließt, als vor der Reflexion. Insbesondere ist der Grundkörper derart ausgebildet, dass sich der Lichtleitquerschnitt im Verlauf von der Lichteinkoppelfläche zu dem Lichtauskoppelabschnitt vergrößert.
Denkbar ist jedoch auch, dass die Basisinnenkante und die Basisaußenkante (bzw. die von ihnen definierten Flächen) in ihrem Verlauf ausgehend von der Einkoppelkante (bzw. ausgehend von der Lichteinkoppelfläche) zusammenlaufen.
Der Lichtauskoppelabschnitt des Grundkörpers umfasst vorzugsweise eine Lichtauskoppelfläche. Der Lichtauskoppelabschnitt kann jedoch auch von einer Lichtauskoppelfläche des Grundkörpers gebildet sein. Diese Lichtauskoppelfläche erstreckt kann sich z.B. senkrecht zu der Leitachse erstrecken. Beispielsweise verläuft die Lichtauskoppelfläche in einem Extremalpunkt der den Grundkörper begrenzenden Leitaußenfläche, welche wie erläutert zumindest abschnittsweise durch Rotation der Basisaußenkante um die Leitachse definiert ist. Bei dieser Ausgestaltung verlaufen die in dem Grundkörper geführten Lichtstrahlen bei Austritt durch die Lichtauskoppelfläche weitgehend parallel zur Leitachse. Im Falle einer kreisbogenartig verlaufenden Basisaußenkante und/oder Basisinnenkante kann die Lichtauskoppelfläche vorzugsweise am Äquator der so gebildeten Kugelschale angeordnet sein.
Denkbar ist jedoch auch, dass sich die genannte Lichtauskoppelfläche gekrümmt erstreckt, beispielsweise mit Krümmung um eine senkrecht zur Leitachse orientierten Achse. Eine solche Lichtauskoppelfläche kann zur Auskopplung von Lichtbündeln mit einer kontrollierten Divergenz führen.
Vorteilhaft kann auch sein, wenn die Lichtauskoppelfläche mehrere ebene Abschnitte aufweist, welche ggf. in Knickkanten aneinander stoßen. Die ebenen Abschnitte können jeweils unterschiedliche Winkel zur Leitachse einnehmen.
Insgesamt lässt sich durch geeignete Ausgestaltung der Lichtauskoppelfläche eine gewünschte Abstrahllichtverteilung der Beleuchtungseinrichtung realisieren, in welche die durch die Lichteinkoppelfläche eingekoppelte von dem Leuchtmittel erzeugte Lichtverteilung umgeformt wird.
Der Lichtauskoppelabschnitt kann auch wenigstens ein Lichtauskoppelelement aufweisen, welches über eine Begrenzungsfläche des Grundkörpers hervorsteht und vorzugsweise einstückig an den Grundkörper angeformt ist. Das Lichtauskoppelelement kann in an sich bekannter Weise eine Begrenzungsfläche derart aufweisen, dass ein in dem Grundkörper geführtes und auf die Grenzfläche treffendes Lichtbündel aus dem Grundkörper ausgekoppelt werden kann. Das Auskoppelelement kann beispielsweise als prismatischer Vorsprung oder Facette ausgebildet sein. Da bei dem erfindungsgemäßen Lichtleitelement die Winkelabhängigkeit der Intensitätsverteilung des in dem Grundkörper geführten Lichts auf einfache Weise kontrolliert werden kann, kann durch geeignete Anordnung von Auskoppelelementen die Intensitätsverteilung der Abstrahllichtverteilung der Beleuchtungseinrichtung auf einfache Weise kontrolliert werden.
Nach einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung verlaufen die Basisinnenkante und die Basisaußenkante ausgehend von der Einkoppelkante gewölbt und laufen zu der Leitachse zurück. Vorzugsweise ist die Rotationsbasisfläche zusätzlich von einer Auskoppelkante begrenzt, welche auf der Leitachse verläuft und welche vorzugsweise in einer Lichtaustrittsfläche des Grundkörpers verläuft.
Insbesondere ist der Grundkörper sowie die erzeugende Rotationsbasisfläche derart ausgebildet, dass die Leitachse den Grundkörper bzw. die Rotationsbasisfläche nur in der Lichteinkoppelfläche berührt oder schneidet (und ansonsten den Grundkörper außer in einer optional vorgesehenen Auskoppelkante bzw. einer diese enthaltenden Lichtaustrittsfläche nicht schneidet).
Der Grundkörper weist vorzugsweise stetige und knickfreie Begrenzungsflächen auf. Insbesondere ist die ebene Rotationsbasisfläche von knickfreien Kanten (Basisinnenkante und/oder Basisaußenkante sowie Einkoppelkante) begrenzt. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die Basisinnenkante und/oder die Basisaußenkante einen in mathematischem Sinne stetig differenzierbaren Verlauf mit zumindest abschnittsweise nicht verschwindender Krümmung zur Leitachse hin auf.
Denkbar ist jedoch auch, dass die Basisinnenkante und/oder die Basisaußenkante abschnittsweise einen geraden Verlauf aufweisen. Der durch Rotation einer derartigen Rotationsbasisfläche gebildete Rotationskörper weist dann an seiner Oberfläche Kegelflächenabschnitte auf. Stoßen beispielsweise zwei gerade Abschnitte der Basisinnenkante (und entsprechend für die Basisaußenkante) mit unterschiedlicher Steigung aneinander, so führt dies zu einem Knick in der jeweiligen Oberfläche des Grundkörpers bei Blick entlang der Leitachse.
Das Leuchtmittel der Beleuchtungseinrichtung ist vorzugsweise derart angeordnet, dass das abstrahlbare Licht durch die Lichteinkoppelfläche in den Grundkörper tritt. Vorzugsweise ist das Leuchtmittel im Bereich der Lichteinkoppelfläche angeordnet. Beispielsweise hat das Leuchtmittel eine Lichtabstrahlfläche, welche der Lichteinkoppelfläche des Grundkörpers gegenüberliegt und einen Verlauf parallel zu dieser aufweist. Insbesondere ist eine ebene Lichtabstrahlfläche vorteilhaft, wie sie beispielsweise bei einer Leuchtdiode üblich ist.
Die Lichteinkoppelfläche des Grundkörpers ist vorzugsweise eben. Denkbar ist jedoch auch ein konvexer Verlauf, oder aber ein konkaver, sich vorzugsweise um das Leuchtmittel wölbender Verlauf.
Zur weiteren Ausgestaltung kann der Grundkörper mehrere Leitabschnitte aufweisen, wobei jeder Leitabschnitt wiederum als Abschnitt eines Rotationskörpers einer insbesondere ebenen Rotationsbasisfläche um die Leitachse ausgebildet ist. Die Leitabschnitte laufen in einer gemeinsamen Lichteinkoppelfläche des Grundkörpers zusammen. Vorzugsweise sind sämtliche Rotationsbasisteilflächen durch eine gemeinsame, auf der Leitachse verlaufende Einkoppelkante begrenzt. Die verschiedenen Rotationsbasisteilflächen können aber unterschiedlich verlaufende Basisinnenkanten und/oder Basisaußenkanten aufweisen. Jeweils nebeneinander verlaufende Leitabschnitte des Grundkörpers schließen sich vorzugsweise entlang einer sich parallel zur Leitachse erstreckenden Kontaktebene, insbesondere einstückig, aneinander an. Jeder Leitabschnitt kann einen separaten Lichtauskoppelteilabschnitt aufweisen. Dadurch lassen sich auch komplexe Abstrahllichtverteilungen der Beleuchtungseinrichtung realisieren.
Weitere Einzelheiten 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:
1 Skizze einer ersten Ausführungsform der Erfindung in perspektivischer Darstellung;
2 Längsschnitt durch die Beleuchtungseinrichtung gemäß 1;
3 Draufsicht auf die Ausführungsform gemäß 1;
4 Skizze einer weiteren Ausführungsform in perspektivischer Darstellung;
5 eine weitere Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung;
6 eine weitere Ausführungsform der Erfindung in Längsansicht senkrecht zur Leitachse;
7 Ausführungsform gemäß 6 in Draufsicht;
8 eine weitere Ausführungsform;
9 und 10 eine Ausführungsform mit mehreren Leitabschnitten;
11 skizzierte Darstellung zur Gestaltung von Lichtauskoppelflächen bei erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtungen;
12 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtungen; und
13 bis 15 skizzierte Darstellungen zur Erläuterung von Auskoppelelementen.
In der nachfolgenden Beschreibung sowie in den Figuren sind für identische oder einander entsprechende Merkmale jeweils dieselben Bezugszeichen verwendet.
Die 1 zeigt eine Kfz-Beleuchtungseinrichtung 10 mit einem skizziert dargestellten Leuchtmittel 12 sowie einem Lichtleitelement 14 für das von dem Leuchtmittel 12 ausgestrahlte Licht.
Das Lichtleitelement 14 weist einen Grundkörper 16 auf, an welchem eine Lichteinkoppelfläche 18 und eine Lichtauskoppelfläche 20 definiert ist.
Der Grundkörper 16 ist als Abschnitt eines Rotationskörpers ausgebildet, welcher durch Rotation einer gedachten Rotationsbasisfläche um eine Leitachse 22 des Lichtleitelements 14 definiert ist. Die Rotationsbasisfläche kann somit in jedem Schnitt durch den Grundkörper 16 mit einer gedachten Schnittebene, welche durch die Leitachse 22 verläuft, dargestellt werden. In 1 ist die Rotationsbasisfläche als die den Grundkörper 16 in der Horizontalen Ebene begrenzenden Seitenfläche erkennbar und mit dem Bezugszeichen 24 versehen.
Das Leuchtmittel 12 ist beispielsweise als Leuchtdiode (LED) mit einer ebenen Lichtabstrahlfläche ausgebildet, wobei die Lichtabstrahlfläche sich in der Darstellung der 1 in der Horizontalen erstreckt und vorzugsweise mit nur geringem Abstand (z.B. kleiner 1 mm) parallel zu der Lichteinkoppelfläche 18 des Grundkörpers 16 verläuft.
Die 2 zeigt einen Schnitt durch die Beleuchtungseinrichtung 10 entlang einer durch die Leitachse 22 verlaufenden vertikalen Schnittebene. Von dem Grundkörper 16 ist daher in dieser Schnittdarstellung die Rotationsbasisfläche 24 zu erkennen. Die Rotationsbasisfläche 24 ist in der Schnittebene von einer Einkoppelkante 26 begrenzt, welche auf der Leitachse 22 verläuft. Ausgehend von der Einkoppelkante 26 verläuft eine die Rotationsbasisfläche 24 begrenzende Basisinnenkante 28 zunächst von der Leitachse 22 weg und wölbt sich im dargestellten Beispiel kreisbogenartig zu der Leitachse 22 hin. An dem der Basisinnenkante 28 abgewandten Ende der Einkoppelkante 26 schließt sich an diese eine Basisaußenkante 30 an, welche ebenfalls zunächst von der Einkoppelkante 26 weg verläuft und sich entlang ihres Verlaufs in Richtung der Leitachse 22 wölbt (im dargestellten Beispiel kreisbogenförmig).
Die Basisinnenkante 28 und die Basisaußenkante 30 wölben sich in ihrem Verlauf ausgehend von der Einkoppelkante 26 in dieselbe Richtung zur Leitachse 22 hin. Im dargestellten Beispiel weisen die Basisinnenkante 28 und die Basisaußenkante 30 beide eine Krümmung derart auf, dass die Steigung entlang des Verlaufs ausgehend von der Einkoppelkante 26 stetig abnimmt (d.h. konstante negative Krümmung). Im dargestellten Beispiel verlaufen die Basisinnenkante 28 und die Basisaußenkante 30 parallel zueinander, wobei diese Ausgestaltung nicht zwingend ist. Insgesamt hat die Rotationsbasisfläche 24 in der Darstellung der 1 eine Ausgestaltung als Abschnitt eines Kreisringes oder eine Sichelartige Ausgestaltung.
Da sich sowohl die Basisinnenkante 28, als auch die Basisaußenkante 30 ausgehend von der Einkoppelkante 26 in dieselbe Richtung zur Leitachse 22 hin wölben, treffen beide Kanten in ihrem Verlauf wieder auf die Leitachse 22. Im dargestellten Beispiel wird die Rotationsbasisfläche 24 ferner von einer Auskoppelkante 32 begrenzt, an welcher sich einerseits die Basisinnenkante 28, andererseits die Basisaußenkante 30 anschließt.
Der Grundkörper 16 des in der 1 dargestellten Lichtleitelements 14 ist als Sektor mit Sektoröffnungswinkel 180° aus dem durch Rotation der Rotationsbasisfläche 24 gebildeten Rotationskörper ausgestaltet. Insofern stellt der Grundkörper 16 eine halbe Kugelschale dar, wobei die Dicke der Kugelschale durch die Länge der Einkoppelkante 26 bestimmt ist.
Die Einkoppelkante 26 verläuft in der Lichteinkoppelfläche 18, die Auskoppelkante 32 im dargestellten Beispiel in der Lichtauskoppelfläche 20. Die Lichteinkoppelfläche 18 ist im dargestellten Beispiel von einem begrenzten Bereich der den Grundkörper begrenzenden Seitenfläche gebildet. Dieser Bereich kann in seiner Größe derart bemessen sein, dass er der Lichtabstrahlfläche des Leuchtmittels 12 entspricht. Vorzugsweise wird die Größe der Lichteinkoppelfläche 18 durch die Wandstärke des Grundkörpers 16 bestimmt, z.B. 2 mm bis 5 mm, insbesondere 4 mm. Wie nachfolgend noch erläutert, kann auch die Lichtauskoppelfläche 20 als begrenzter Bereich der genannten Begrenzungsfläche des jeweiligen Abschnitts des Rotationskörpers definiert werden.
In den 1 und 2 ist außerdem beispielhaft der Verlauf eines Lichtstrahls 34 skizziert, welcher von dem Leuchtmittel 12 ausgestrahlt wird, durch die Lichteinkoppelfläche 18 in den Grundkörper 16 eintritt und in dem Grundkörper 16 zu der Lichtauskoppelfläche 20 geleitet wird. Der Grundkörper 16 ist vorzugsweise aus einem optisch dichteren Material als Luft gebildet, beispielsweise Glas oder Acrylglas oder Polykarbonat. Daher kann für einen in dem Grundkörper 16 geführten Lichtstrahl interne Totalreflexion an den Begrenzungsflächen des Grundkörpers 16 auftreten.
Die Rotationsbasisfläche 24 ist derart gewählt, dass der Grundkörper 16 einerseits in Richtung zur Leitachse 22 hin von einer Leitinnenfläche 36, andererseits in Richtung von der Leitachse 22 weg von einer Leitaußenfläche 38 begrenzt ist, wobei für durch die Lichteinkoppelfläche 18 eingekoppelte Lichtstrahlen 34 die Bedingung der internen Totalreflexion an der Leitinnenfläche 36 und der Leitaußenfläche 38 erfüllt ist. Die Leitinnenfläche 36 und die Leitaußenfläche 38 sind jeweils bezüglich zweier Raumrichtungen gewölbt, nämlich einerseits in Richtung von der Lichteinkoppelfläche zur Lichtauskoppelfläche zur Leitachse 22 hin, andererseits in Richtung senkrecht zur Leitachse 22 aufgrund der Eigenschaft des Grundkörpers 16 als Rotationskörper. Aus dieser Ausgestaltung ergibt sich, dass ein Lichtstrahl 34 im Inneren des Grundkörpers durch (mehrfache) Totalreflexion ausschließlich an der Leitinnenfläche 36 und der Leitaußenfläche 38 von der Lichteinkoppelfläche 18 zu der Lichtauskoppelfläche 20 geleitet werden kann. Totalreflexion an weiteren Begrenzungsflächen des Grundkörpers 16, beispielsweise in einer Ebene durch die Leitachse 22 verlaufenden lateralen Begrenzungsfläche, ist zur Führung des Lichtstrahls 34 zur Lichtauskoppelfläche 20 bei Wahl eines ausreichend großen Abschnitts des zugrundeliegenden Rotationskörpers nicht erforderlich.
Dieser Aspekt ist in 3 verdeutlicht, welche eine Draufsicht auf den Grundkörper 16 des Lichtleitelements 14 in Richtung senkrecht zur Leitachse 22 und senkrecht zu der die Halbkugelschale definierenden Schnittebene zeigt. Hierbei sind eine Vielzahl von durch die Lichteinkoppelfläche 18 eingekoppelten und in dem Grundkörper 16 verlaufenden Lichtstrahlen 34 skizziert. Unmittelbar nach der Lichteinkoppelfläche 18 bilden die Lichtstrahlen 34 im Innern des Grundkörpers 16 zunächst ein divergierendes Lichtbündel. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung werden sämtliche Lichtstrahlen des divergierenden Lichtbündels durch Totalreflexion an der Leitinnenfläche 36 und der Leitaußenfläche 38 zu dem der Lichteinkoppelfläche 18 gegenüberliegenden Pol der Halbkugelschale geleitet, an welchem die Lichtauskoppelfläche 20 angeordnet ist. In Projektion auf die Darstellungsebene in 3 werden aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung divergierende Lichtbündel somit in konvergierende Lichtbündel umgeformt, welche im Bereich der Lichtauskoppelfläche 20 zusammenlaufen. Auch bei mehrfacher Totalreflexion zwischen der Leitinnenfläche 36 und der Leitaußenfläche 38 verlaufen alle Abschnitte eines geführten Lichtstrahls 34 stets in einer Ebene, welche die Leitachse 22 enthält. Diese Eigenschaft ist darauf zurückzuführen, dass die Leitinnenfläche 36 und die Leitaußenfläche 38 als Rotationsflächen definiert sind. Dies wird beispielsweise anhand des in 2 skizzierten Lichtstrahls 34 deutlich, welcher in der vertikalen Schnittebene verläuft.
Wie aus 3 ersichtlich, weist die Intensitätsverteilung des in dem Grundkörper 16 geführten Lichtes – d.h. die Dichte der Lichtstrahlen 34 – im Bereich unmittelbar vor der Lichtauskoppelfläche 20 dieselbe Winkelabhängigkeit auf, wie unmittelbar nach der Lichteinkoppelfläche 18.
Aus der Darstellung der 3 wird ferner deutlich, dass in einem Schnitt senkrecht zur Leitachse 22 durch denjenigen Abschnitt des Grundkörpers 16, in welchem die Leitinnenfläche 36 und die Leitaußenfläche 38 einen maximalen Abstand von der Leitachse 22 haben (also hier die Äquatorebene), sich sämtliche Lichtstrahlen 34 des in dem Grundkörper 16 geleiteten Lichts im Wesentlichen in durch die Leitachse 22 verlaufenden Ebenen fortpflanzen. Insofern weisen die Lichtstrahlen in diesem Bereich nahezu keine lateralen Richtungskomponenten auf, sondern pflanzen sich entlang der Leitachse 22 fort (ggf. unter mehrfacher Totalreflexion, was mit radialen Richtungskomponenten bezüglich der Leitachse 22 verbunden ist). Dieser Effekt lässt sich im Wesentlichen in jedem Schnitt durch den Grundkörper 16 feststellen, in welchem die gewölbte Leitinnenfläche 36 und/oder die gewölbte Leitaußenfläche 38 einen extremalen (minimalen oder maximalen) Abstand zu der Leitachse 22 aufweist.
Die 4 zeigt eine weitere Beleuchtungseinrichtung 40, bei welcher der Grundkörper 16 – bei ansonsten vergleichbarer Ausgestaltung – nicht als halbe Kugelschale abgeschnitten ist, sondern einen verkleinerten Abschnitt des gedachten Rotationskörpers der Rotationsbasisfläche 24 um die Leitachse 22 umfasst. Im dargestellten Beispiel ist die Rotationsbasisfläche 24 wiederum von einer kreisförmig verlaufenden Basisinnenkante 28 und einer ebenfalls kreisförmig verlaufenden Basisaußenkante 30 begrenzt (siehe Erläuterungen zu 2). Der Grundkörper 16 umfasst einen Ausschnitt aus der durch Rotation dieser Rotationsbasisfläche 24 gebildeten Kugelschale. Der Ausschnitt wird von zwei gedachten Sektorebenen begrenzt, welche parallel zur Leitachse 22 verlaufen und miteinander einen Sektoröffnungswinkel µ einschließen. Die Sektorebenen weisen in einem Schnitt mit der durch die Leitachse 22 verlaufenden Horizontalebene (welche hier diejenige durch die Leitachse verlaufende Ebene ist, die senkrecht zur Winkelhalbierenden Ebene der Sektorebenen verläuft) voneinander einen Abstand auf. Dieser Abstand wird durch die Lichteinkoppelfläche 18 überdeckt. Insofern erstreckt sich die Lichteinkoppelfläche 18 zwischen den Sektorebenen.
Dieser Sektorwinkel µ kann gleich oder geringfügig größer als der doppelte Grenzwinkel der Totalreflexion für den Übergang von Licht durch eine Grenzfläche zwischen dem Material, aus welchem der Grundkörper 16 gefertigt ist, und Luft betragen. Dies ist deswegen ausreichend, da ein durch die Lichteinkoppelfläche 18 eingekoppeltes, divergierendes Lichtbündel im Innern des Grundkörpers 16 (eine ebene Lichteinkoppelfläche 18 vorausgesetzt) maximal den doppelten Grenzwinkel der Totalreflexion als Divergenzwinkel aufweisen kann. Die beschriebene Ausgestaltung zielt somit darauf ab, den Grundkörper 16 als denjenigen Abschnitt des gedachten Rotationskörpers zuzuschneiden, welcher im Betrieb der Beleuchtungseinrichtung 40 lichtdurchflutet ist.
Der Verlauf der Basisinnenkante 28 und/oder der Basisaußenkante 30 ist nicht auf einen kreisförmigen Verlauf eingeschränkt. Die vorteilhaften Eigenschaften der Erfindung lassen sich vielmehr durch eine Vielzahl von Formen realisieren, bei welchen die Rotationsbasisfläche 24 von einer Basisinnenkante 28 und einer Basisaußenkante 30 begrenzt ist, welche sich ausgehend von der auf der Leitachse 22 verlaufenden Einkoppelkante 26 zu der Leitachse 22 zurückwölben.
Beispielsweise zeigt 5 ein Lichtleitelement 14 mit einem Grundkörper 16, welcher als Abschnitt des Rotationskörpers einer Rotationsbasisfläche 24 gebildet ist, welche von einer im Wesentlichen elliptisch verlaufenden Basisinnenkante 28 und einer im Wesentlichen parallel hierzu verlaufenden Basisaußenkante 30 begrenzt ist. Im dargestellten Beispiel ist der Grundkörper 16 wiederum als Sektor des gedachten Rotationskörpers mit Sektoröffnungswinkel µ ausgebildet, ähnlich wie zu 4 erläutert.
Bei der in den 6 und 7 dargestellten Ausgestaltung wird die Rotationsbasisfläche 24 von einer Basisinnenkante 28 und einer Basisaußenkante 30 begrenzt, welche ausgehend von der Einkoppelkante 26 zunächst zur Leitachse 22 hin gewölbt verlaufen und dann einen gewellten Verlauf aufweisen. Somit wechselt die Basisinnenkante 28 und die Basisaußenkante 30 im Verlauf ausgehend von der Einkoppelkante 26 ein erstes Mal die Wölbungsrichtung in einem ersten Wendepunkt und geht in einen von der Leitachse 22 weg gewölbten Verlauf über. Aufgrund dieses Wölbungswechsels weist die Basisinnenkante 28 und die Basisaußenkante 30 im Verlauf ausgehend von der Einkoppelkante 26 zunächst einen Extremalpunkt 52 mit maximalem Abstand von der Leitachse 22 und darauf im Verlauf von der Einkoppelkante 26 aus folgend einen zweiten Extremalpunkt 54 mit minimalem Abstand von der Leitachse 22 auf. Im dargestellten Beispiel weist die Basisinnenkante 28 und die Basisaußenkante 30 in ihrem weiteren Verlauf einen weiteren Wendepunkt auf, in welchem sich die Wölbungsrichtung wieder zu der Leitachse 22 hin ändert. Dadurch wird von der Basisinnenkante 28 und der Basisaußenkante 30 ein weiterer Extremalpunkt 56 definiert, in welchem die Basisinnenkante 28 bzw. die Basisaußenkante 30 wiederum einen (lokal) maximalen Abstand von der Leitachse 22 aufweist.
In dem in 6 und 7 dargestellten Beispiel laufen die Basisinnenkante 28 und die Basisaußenkante 30 schließlich in einem spitzen Winkel mit der Leitachse 22 zusammen und schließen sich dort an eine auf der Leitachse 22 verlaufende Auskoppelkante 32 an.
Aus der Darstellung gemäß 7 wird deutlich, dass die in einem derartigen Grundkörper 16 durch interne Totalreflexion von der Lichteinkoppelfläche des Grundkörpers 16 (in welcher die Einkoppelkante 26 verläuft) zu der Lichtauskoppelfläche (in welcher die Auskoppelkante 32 verläuft) geführten Lichtstrahlen (skizziert mit Bezugszeichen 34 dargestellt) im Bereich der Extremalpunkte 52, 54 und 56 im Wesentlichen parallel zur Leitachse 22 verlaufen. Bemerkenswert ist insbesondere, dass auch im Bereich der Einschnürung des Grundkörpers 16, welche von dem Minimum 54 gebildet wird, keine unerwünschte Auskopplung von Licht aus dem Grundkörper 16 erfolgt.
In den 8a und 8b ist eine Ausgestaltung für die Rotationsbasisfläche 24 dargestellt, bei welcher die Basisaußenkante 30 einen zumindest abschnittsweise geraden Verlauf aufweist. Im dargestellten Beispiel umfasst die Basisaußenkante 30 mehrere aneinander anschließende, gerade Abschnitte 30a, 30b, 30c, 30d, ..., wobei jeder der geraden Abschnitte 30a bis 30d einen unterschiedlichen Neigungswinkel in Bezug auf die Leitachse 22 aufweist. Auch die Basisinnenkante kann, wie in der 8a dargestellt, einen Verlauf mit abschnittsweise aneinander anschließenden geraden Stücken 28a, 28b, 28c ... aufweisen.
Durch Rotation einer derartig begrenzten Rotationsbasisfläche 24 um die Leitachse 22 ergibt sich ein Rotationskörper, dessen von der Basisaußenkante 30 definierte Leitaußenfläche mehrere entlang von Kreislinien aneinander anschließende Kegelmantelabschnitte 38a, 38b, 38c, 38d aufweist. Dies ist in der 8b dargestellt, welche den Grundkörper 16 gemäß 8a mit Blick auf die Leitaußenfläche 38 entlang der Leitachse 22 darstellt. Entlang des Verlaufs ausgehend von der Lichteinkoppelfläche 18 weist die Leitaußenfläche 38 daher einen Verlauf mit Knicklinien 58a, 58b, 58c, ... auf, welcher jeweils durch Rotation der Knickpunkte in der Basisaußenkante 38 definiert sind, in welchem benachbarte geraden Abschnitte 30a, 30b, 30c, 30d ... aneinander anstoßen. Auch der so ausgestaltete Grundkörper 16 weist im Wesentlichen die vorstehend geschilderten vorteilhaften Lichtleiteigenschaften auf, da der die Basisinnenkante 28 und/oder die Basisaußenkante 30 bildende Kurvenzug ebenfalls ausgehend von der Einkoppelkante 26 zu der Leitachse 22 hin gewölbt ist.
Die 9 und 10 zeigen eine Ausgestaltung mit einem Grundkörper 16, welcher drei sich im Wesentlichen parallel zueinander erstreckende Leitabschnitte 16a, 16b und 16c aufweist. Jeder der Leitabschnitte 16a, 16b, 16c ist als Abschnitt eines Rotationskörpers einer ebenen Rotationsbasisteilfläche ausgebildet (dabei erzeugt die Rotationsbasisteilfläche 24a den ersten Leitabschnitt 16a, 24b erzeugt 16b und 24c ist 16c zugeordnet, wie aus 9 ersichtlich). Im dargestellten Beispiel laufen die Leitabschnitte 16a, 16b und 16c in einer gemeinsamen Lichteinkoppelfläche 18 zusammen. Die erzeugenden Rotationsbasisteilflächen 24a, 24b, 24c laufen weisen eine gemeinsame Einkoppelkante 26 auf, welche vorzugsweise in der gemeinsamen Lichteinkoppelfläche 18 verläuft.
Ausgehend von der Einkoppelkante 26 verläuft eine die erste Rotationsbasisteilfläche 24a begrenzende Basisinnenkante 28a elliptisch gekrümmt zur Leitachse 22 hin. In Richtung von der Leitachse weg wird die Rotationsbasisteilfläche 24a von der ersten Basisaußenkante 30a begrenzt. Der Verlauf der Basisinnenkanten 28a, 28b, 28c sowie der Basisaußenkanten 30a, 30b, 30c kann grundsätzlich für die verschiedenen Leitabschnitte 16a, 16b, 16c unterschiedlich sein. Im dargestellten Beispiel gehen die verschiedenen Basisaußenkanten 30a, 30b, 30c durch Rotation um die Leitachse 22 auseinander hervor. Die jeweils zugeordneten Basisinnenkanten jedoch (28a, 28b, 28c) gehen nicht durch Rotation auseinander hervor, sondern weisen einen voneinander abweichenden Verlauf auf. Insbesondere verläuft im dargestellten Beispiel die erste Basisinnenkante 28a parallel zu der ersten Basisaußenkante 30a der ersten Rotationsbasisteilfläche 24a. Für die beiden weiteren Rotationsbasisteilflächen 24b und 24c wurde demgegenüber jeweils ein Verlauf der Basisinnenkante 28b oder 28c derart gewählt, dass sich der Lichtleitquerschnitt des erzeugten Leitabschnitts 16b oder 16c ausgehend von der Lichteinkoppelfläche 18 erweitert.
Im dargestellten Beispiel ist jeder Leitabschnitt 16a, 16b, 16c als Ausschnitt bzw. Sektor eines Rotationskörpers um die Leitachse 22 ausgebildet. Je zwei nebeneinander verlaufende Leitabschnitte 16a und 16b bzw. 16b und 16c schließen aneinander über eine gedachte, die Leitachse 22 enthaltende, Kontaktebene an. Insofern erstrecken sich die Leitabschnitte 16a, 16b, 16c des Grundkörpers 16 im Wesentlichen parallel zueinander entlang der Leitachse 22.
Bei den in den 8 bis 10 dargestellten Beispielen erstreckt sich der Grundkörper 16 ausgehend von der Lichteinkoppelfläche 18 nicht zur Leitachse 22 zurück, sondern weist einen Auskoppelabschnitt auf, welcher von einer Lichtauskoppelfläche 60 begrenzt ist. In den 8 bis 10 verläuft die Leitachse 22 nicht in der Lichtauskoppelfläche 60.
Anhand von 11 werden im Folgenden mögliche Ausgestaltungen der Lichtauskoppelfläche 60 des Grundkörpers 16 erläutert. Die 11 zeigt beispielhaft einen von einer im Wesentlichen elliptisch begrenzten Rotationsbasisfläche erzeugten Grundkörper ähnlich dem in der 5 dargestellten Grundkörper in einer Draufsicht auf die Leitaußenfläche 38. Entsprechende Ausgestaltungen der Lichtauskoppelfläche 60 sind für beliebige Formen des Grundkörpers denkbar.
Die Lichtauskoppelfläche 60 des Grundkörpers 16 kann bei den Lichtleitelementen im Sinne der Erfindung dadurch erzielt werden, dass der gedachte Rotationskörper mit einer vorzugsweise die Leitachse 22 schneidenden (d.h. diese insbesondere nicht vollständig enthaltenden) Schnittfläche geschnitten wird. Die Wahl dieser Schnittfläche und damit die Ausgestaltung der Lichtauskoppelfläche 60 hat entscheidenden Einfluss auf die Abstrahllichtverteilung des aus dem Grundkörper 16 durch die Lichtauskoppelfläche 60 ausgekoppelten Lichts.
Die in der 11 durch den Schnitt 60a definierte Lichtauskoppelfläche verläuft senkrecht zur Leitachse 22. Der Schnitt 60a verläuft auch derart, dass er die Leitaußenfläche 38 (und ggf. auch die Leitinnenfläche 36) in einem Extremalpunkt schneidet, welcher hier einen maximalen Abstand der Leitaußenfläche 38 von der Leitachse 22 aufweist (im dargestellten Beispiel ein Schnitt durch eine Hauptachsenebene des Rotationsellipsoids; denkbar ist auch ein Schnitt durch eine Äquatorialebene einer Kugelschale). Diese Ausgestaltung führt dazu, dass Lichtstrahlen, welche durch die Lichteinkoppelfläche 18 in den Grundkörper 16 eingekoppelt und in diesem geführt sind, durch die als Schnitt 60a definierte Lichtauskoppelfläche einen Verlauf im Wesentlichen parallel zur Leitachse 22 aufweisen. Ein so ausgestaltetes Lichtleitelement 14 kann daher zum Kollimieren von durch die Lichteinkoppelfläche 18 eingekoppelten Lichts dienen.
Alternativ ist in 11 ein Schnitt 60b angedeutet, welcher in einer Ebene verläuft, die sich um eine Achse senkrecht zur Leitachse 22 krümmt und im Schnittpunkt mit der Leitachse 22 senkrecht auf dieser steht. Eine derartig ausgebildete Lichtauskoppelfläche führt dazu, dass die ausgekoppelte Abstrahllichtverteilung eine durch die Krümmung der Lichtauskoppelfläche 60b bestimmte Divergenz aufweist.
Vorteilhaft kann auch sein, wenn die Lichtauskoppelfläche als Schnitt des Grundkörpers 16 mit einer Ebene definiert ist, die einen nicht senkrechten Winkel mit der Leitachse 22 einschließt. Die die Lichtauskoppelfläche definierende Schnittfläche kann auch mehrere ebene Abschnitte aufweisen, welche beispielsweise in einer Knicklinie aneinander anschließen, wie dies in 11 als Schnitt 60c dargestellt ist. Durch eine solche Schnittführung kann eine vorgegebene Winkelverteilung der abgestrahlten Lichtintensität realisiert werden.
Ein weiterer vorteilhafter Aspekt zur Ausgestaltung der Lichtleitelemente für erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtungen wird anhand von 12 erläutert. Ausgehend von der Einkoppelkante verlaufen die Basisinnenkante 28 und die Basisaußenkante 30 von der Leitachse 22 weg zunächst mit starker Krümmung in Richtung zur Leitachse 22 hin, wobei beide Kanten 28 und 30 in dieselbe Richtung gekrümmt sind. In dem Bereich, in welchem die Basisinnenkante 28 und die Basisaußenkante 30 im Wesentlichen eine zur Leitachse 22 parallele Steigung aufweisen, geht die Basisinnenkante 28 und die Basisaußenkante jeweils in einen geraden, sich parallel zur Leitachse 22 erstreckenden Abschnitt 28’ bzw. 30’ über (vgl. 12a). Im dargestellten Beispiel laufen die Basisinnenkante 28 und die Basisaußenkante 30 in dem ersten, sich an die Einkoppelkante anschließenden Abschnitt zunächst auseinander und in dem sich hieran anschließenden, gerade verlaufenden Abschnitt, parallel zueinander.
Durch Rotation einer derartig berandeten Rotationsbasisfläche wird ein Lichtleitelement 14 erzeugt, mit einem sich an die Lichteinkoppelfläche 18 anschließenden, von einer gekrümmten Leitaußenfläche 38 und einer gekrümmten Leitinnenfläche 36 begrenzten gekrümmten Lichtführungsabschnitt 62 des Grundkörpers 16. Hieran schließt sich im Verlauf entlang der Leitachse 22 ein von im Wesentlichen zylindrisch verlaufenden Flächen begrenzter Lichttransportabschnitt 64 des Grundkörpers 16 an. Insofern dient der Lichtführungsabschnitt 62 als Einkoppelelement für den Lichttransportabschnitt 64.
Zur weiteren Ausgestaltung der Lichtleitelemente 14 im Sinne der Erfindung können an der durch Rotation der Basisaußenkante 30 erzeugten Leitaußenfläche 38 und/oder an der durch Rotation der Basisinnenkante 28 erzeugten Leitinnenfläche 36 ein oder mehrere Auskoppelelemente vorgesehen sein. Diese Auskoppelelemente sind vorzugsweise polyedrische Körper, welche über die Leitaußenfläche bzw. die Leitinnenfläche hervorstehen. Typischerweise handelt es sich um prismatische Körper, welche an den Grundkörper einstückig angeformt sind.
In den 13 bis 15 sind verschiedene beispielhafte Ausgestaltungen für Auskoppelelemente dargestellt. Die Figuren zeigen jeweils einen Ausschnitt aus einem Grundkörper 16 in einem Schnitt mit einer Ebene, welche die Leitachse 22 enthält.
Die 13 zeigt ein Auskoppelelement 66, welches eine Auskoppelfläche 68 aufweist und an der Leitaußenfläche 38 angeordnet ist. Die Auskoppelfläche 68 ist derart in Bezug auf die Leitaußenfläche 38 orientiert, dass ein in das Auskoppelelement 66 eintretender Lichtstrahl 34 beim Auftreffen auf die Auskoppelfläche 68 zum Lot im Auftreffpunkt den Grenzwinkel der Totalreflexion unterschreitet und so aus dem Auskoppelelement 66 austritt.
14 zeigt ein Auskoppelelement 66, welches an der Leitaußenfläche 38 angeordnet ist und eine Mehrzahl von Totalreflexionsflächen 70 aufweist. Diese sind derart im Bezug auf die Leitaußenfläche 38 orientiert, dass ein in das Auskoppelelement 66 eintretender Lichtstrahl 34 an den Totalreflexionsflächen 70 totalreflektiert wird und den Grundkörper 16 derart durchquert, dass der Lichtstrahl 34 auf die gegenüberliegende Leitinnenfläche 34 des Grundkörpers 16 unter einem Winkel auftrifft, für welchen die Bedingungen der Totalreflexion nicht mehr erfüllt ist. Somit ist für das Auskoppelelement 66 auf der gegenüberliegenden Leitinnenfläche 36 eine Lichtauskoppelfläche 60’ definiert, durch welche das in das Auskoppelelement 66 eintretende Licht ausgekoppelt werden kann. Die Auskoppelfläche befindet sich hier nicht am Auskoppelelement.
Eine weitere Ausgestaltung eines Auskoppelelements 66 ist in 15 gezeigt. Dieses weist jedoch nur eine Totalreflexionsfläche 70 auf, welche in Bezug auf die Leitaußenfläche 38 (an welcher das Auskoppelelement 66 angeordnet ist) derart orientiert ist, dass ein in das Auskoppelelement 66 eintretender Lichtstrahl 34 totalreflektiert wird und auf die gegenüberliegende Leitinnenfläche 36 unter einem Winkel auftrifft, für welchen die Bedingungen der Totalreflexion nicht erfüllt ist. Somit befindet sich auch hier die dem Auskoppelelement zugeordnete Lichtauskoppelfläche 60’ auf der dem Auskoppelelement 66 gegenüberliegenden Begrenzungsfläche des Grundkörpers 16.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DD 21907 A [0002]

Claims

Kfz-Beleuchtungseinrichtung (10, 40) mit einem Leuchtmittel (12) und einem Lichtleitelement (14), welches einen Grundkörper (16) aufweist, welcher eine Lichteinkoppelfläche (18) zum Einkoppeln von Licht des Leuchtmittels (12) und einen Lichtauskoppelabschnitt (20, 60, 66) aufweist, wobei der Grundkörper (16) als Abschnitt eines durch Rotation einer Rotationsbasisfläche (24) um eine Leitachse (22) gebildeten Rotationskörpers ausgebildet ist, wobei die Rotationsbasisfläche (24) von einer Basisinnenkante (28) in Richtung zur Leitachse (22) hin und von einer Basisaußenkante (30) in Richtung von der Leitachse (22) weg begrenzt ist, und wobei die Rotationsbasisfläche (24) außerdem von einer Einkoppelkante (26) begrenzt ist, an welche sich einerseits die Basisinnenkante (28) und andererseits die Basisaußenkante (30) anschließt, wobei die Basisinnenkante (28) und die Basisaußenkante (30) ausgehend von der Einkoppelkante (26) in Richtung zum Lichtauskoppelabschnitt (20, 60, 66) zur Leitachse (22) hin gewölbt verlaufen, wobei die Rotationsbasisfläche (24) die Leitachse (22) entlang der Einkoppelkante (26) berührt, und die Einkoppelkante (26) in der Lichteinkoppelfläche (18) verläuft.
Beleuchtungseinrichtung (10, 40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisinnenkante (28) und die Basisaußenkante (30) in ihrem Verlauf ausgehend von der Einkoppelkante (26) in die dieselbe Richtung gewölbt sind.
Beleuchtungseinrichtung (10, 40) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (16) derart ausgebildet ist, dass Licht unter interner Totalreflexion ausschließlich an der durch Rotation der Basisinnenkante (28) definierten Leitinnenfläche (36) und der durch Rotation der Basisaußenkante (30) definierten Leitaußenfläche (38) von der Lichteinkoppelfläche (18) zu dem Lichtauskoppelabschnitt (20, 60, 66) geleitet werden kann.
Beleuchtungseinrichtung (40) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der den Grundkörper (16) definierende Abschnitt des Rotationskörpers von der Leitachse (22) aus gesehen zumindest einen Sektorwinkel (11) überdeckt, welcher größer als der doppelte Grenzwinkel der Totalreflexion für den Übergang aus dem Material des Grundkörpers (16) zu Luft ist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisinnenkante (28) und/oder die Basisaußenkante (30) ausgehend von der Einkoppelkante (26) einen kreisbogenförmigen, elliptischen oder parabolischen Verlauf aufweist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisinnenkante (28) und/oder die Basisaußenkante (30) ausgehend von der Einkoppelkante (26) einen gewellten Verlauf aufweist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisinnenkante (28) und die Basisaußenkante (30) der gedachten ebenen Rotationsbasisfläche (24) zueinander im Wesentlichen parallel verlaufen.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisinnenkante (28) und die Basisaußenkante (30) der gedachten, ebenen Rotationsbasisfläche (24) zumindest abschnittsweise in ihrem Verlauf ausgehend von der Einkoppelkante (26) auseinanderlaufen oder zusammenlaufen.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtauskoppelabschnitt (60) eine Lichtauskoppelfläche (60) umfasst, welche sich senkrecht zu der Leitachse (22) erstreckt.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsbasisfläche (24) außerdem von einer auf der Leitachse (22) verlaufenden Auskoppelkante (32) begrenzt ist, welche in einer Lichtaustrittsfläche (20) des Grundkörpers (16) verläuft.