DE102013212355A1

DE102013212355A1 - Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung mit einem eine Einkoppeloptik und eine Transport- und Umformoptik aufweisenden Lichtleiter

Info

Publication number: DE102013212355A1
Application number: DE102013212355.8A
Authority: DE
Inventors: Matthias Gebauer
Original assignee: Automotive Lighting Reutlingen GmbH
Current assignee: Marelli Automotive Lighting Reutlingen Germany GmbH
Priority date: 2013-06-26
Filing date: 2013-06-26
Publication date: 2014-12-31
Anticipated expiration: 2033-06-27
Also published as: US9377170B2; DE102013212355B4; US20150003095A1

Abstract

Vorgestellt wird eine Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung (40) mit einer Lichtquelle (38) und mit einem Lichtleiter (10), der eine Einkoppeloptik (24) aufweist, die mindestens einen Reflektor (32) aufweist, wobei der Lichtleiter (10) erste Ebenen und zweite Ebenen aufweist, die senkrecht aufeinander stehen und sich schneiden, und wobei die Schnittlinien jeweils durch einen von dem Reflektor (32) ausgehenden Lichtstrahl (50, 52) definiert werden. Die Einrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Umformung durch die Einkoppeloptik (24) so erfolgt, dass ein Öffnungswinkel von in den zweiten Ebenen) liegenden Ausbreitungsrichtungen der Lichtstrahlen (50, 52) verringert wird und Öffnungswinkel von in den ersten Ebenen liegenden Ausbreitungsrichtungen nicht oder weniger stark verändert werden und dass der Lichtleiter (10) eine Transport- und Umformoptik (30) aufweist, wobei die Einkoppeloptik (24) und die Transport- und Umlenkoptik (30) separate Bauteile sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine solche Beleuchtungseinrichtung ist aus der DE 199 25 363 A1 bekannt und weist eine Lichtquelle und einen Lichtleiter auf, der eine erste Seite, eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite, und zwischen einem Rand der ersten Seite und einem Rand der zweiten Seite liegende und die erste Seite mit der zweiten Seite verbindende Schmalseiten aufweist. Darüber hinaus weist der Lichtleiter eine Licht der Lichtquelle einkoppelnde und umformende Einkoppeloptik auf. Die Einkoppeloptik weist mindestens einen Reflektor auf, der von der Lichtquelle in einen Raumwinkel ausgehendes Licht umformt. Es lassen sich gedachte erste Ebenen und zweite Ebenen in dem Lichtleiter dadurch definieren, dass diese Ebenen senkrecht aufeinander stehen und sich schneiden, wobei die Schnittlinie jeweils durch einen von dem Reflektor ausgehenden Lichtstrahl definiert werden.
Der Lichtleiter der bekannten Beleuchtungseinrichtung ist plattenförmig und besitzt ausgedehnte, parallel zueinander liegende Grenzflächen als erste Seite und als zweite Seite und Schmalseiten in Form von schmalen Seitenflächen, welche die plattenförmigen Grenzflächen miteinander verbinden.
Die gedachten ersten Ebenen liegen parallel zu den ausgedehnten Grenzflächen, die man auch als Breitseiten des plattenförmigen Lichtleiters bezeichnen könnte. Die gedachten zweiten Ebenen liegen senkrecht dazu. Eine bandförmige Lichtaustrittsfläche liegt in einer weiteren Schmalseite des bekannten plattenförmig-flächigen Lichtleiters.
Um eine parallele Lichtausbreitung im Lichtleiter in der zur Lichtaustrittsfläche weisenden Richtung zu erzielen, sieht der bekannte Gegenstand vor, dass die der bandförmigen Lichtaustrittsseite gegenüberliegende Schmalseite des plattenförmigen Lichtleiters als Reflektor ausgestaltet ist, der in den ersten Ebenen, also in den zu den ausgedehnten Plattenflächen parallelen Ebenen parabelförmige Konturen besitzt, und der senkrecht dazu eine prismenartige Kontur besitzt, welche einfallendes Licht zweimal umlenkt. Im Ergebnis lenkt der Reflektor mit einem Öffnungswinkel auf ihn einfallendes Licht damit als paralleles Licht auf die dem Reflektor gegenüber liegende bandförmige Lichtaustrittsfläche.
Ein großer Nachteil dieses Lichtleiters besteht darin, dass direkt in den der Lichtaustrittsfläche zugewandten Halbraum radial abgestrahltes Licht nicht auf den Reflektor trifft und daher nicht parallelisiert wird. Für eine Verwendung in Beleuchtungseinrichtungen von Kraftfahrzeugen, sei es für Scheinwerferlichtfunktionen oder für Signallichtfunktionen, wird jedoch eine möglichst von parallelem Licht und homogen (gleichmäßig hell) beleuchtete Lichtaustrittsfläche gewünscht. Solches Licht hat z.B. den Vorteil dass es sich durch nachfolgende und/oder in der Lichtaustrittsfläche angeordnete Optiken besonders einfach in regelkonforme Lichtverteilungen verteilen lässt. Aus gestalterischen Gesichtspunkten wird darüber hinaus ein Lichtleiter gewünscht, der eine bandförmige Lichtaustrittsfläche mit einem großen Verhältnis der Länge der Lichtaustrittsfläche zu ihrer Breite besitzt und der diese Anforderungen an die Homogenität und Parallelität erfüllt.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Beleuchtungseinrichtung mit einem Lichtleiter anzugeben, der eine bandförmige Lichtaustrittsfläche aufweist, die mit möglichst parallelem Licht homogen beleuchtet ist und die sich einfach und variantenreich herstellen lässt und an verschiedene Ausführungen von Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtungen anpassen lässt, die sich zum Beispiel in dem zur Verfügung stehenden Bauraum unterscheiden.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich von dem eingangs genannten Stand der Technik dadurch, dass die Umformung durch die Einkoppeloptik so erfolgt, dass ein Öffnungswinkel von in den zweiten Ebenen liegenden Ausbreitungsrichtungen der Lichtstrahlen verringert wird, und Öffnungswinkel von in den ersten Ebenen liegenden Ausbreitungsrichtungen nicht oder zumindest weniger stark als Öffnungswinkel der in den zweiten Ebenen liegenden Ausbreitungsrichtungen verändert werden, und dass der Lichtleiter eine Transport- und Umlenkoptik aufweist, die von der Einkoppeloptik umgeformtes Licht zu einer Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters transportiert, wobei die Einkoppeloptik und die Transport- und Umlenkoptik separate Bauteile sind.
Dadurch, dass die Umformung durch die Einkoppeloptik so erfolgt, dass ein Öffnungswinkel von in den zweiten Ebenen liegenden Ausbreitungsrichtungen verringert wird, und Öffnungswinkel von in den ersten Ebenen liegenden Ausbreitungsrichtungen nicht oder zumindest weniger stark als Öffnungswinkel der in den zweiten Ebenen liegenden Ausbreitungsrichtungen verändert werden, kann die Einkoppeloptik für die in den zweiten Ebenen erfolgende Umformung optimiert gestaltet werden. Weitere Umformungen des Lichtbündels, die in den ersten Ebenen erfolgen, können dann durch in der Transport- und Umlenkoptik angeordnete Strukturen erfolgen.
Die insgesamt bis zum Lichtaustritt über die Lichtaustrittsfläche der Transport- und Umlenkoptik erfolgende Umformung des von der Lichtquelle ausgehenden Lichtbündels kann damit auf zwei Bauteile verteilt werden. Dadurch wird eine nachteilig hohe Komplexität eines Bauteils, das sämtliche Umformungen ausführt, vermieden. Dadurch, dass die ersten Ebenen und die zweiten Ebenen senkrecht zueinander ausgerichtet sind, kann die Umformung in den ersten Ebenen durch konstruktive Änderungen verändert werden, ohne dass sich die Umformung in den zweiten Ebenen ändert. Jedes der beiden Bauteile kann unabhängig voneinander für die in oder an ihm erfolgende Umformung optimiert gestaltet werden.
Dadurch, dass der Lichtleiter eine Transport- und Umlenkoptik aufweist, die von der Einkoppeloptik umgeformtes Licht zu einer Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters transportiert, wobei die Einkoppeloptik und die Transport- und Umlenkoptik separate Bauteile sind, ist es auch möglich, die Einkoppeloptik getrennt von der Transport- und Umformoptik herzustellen.
Lichtleiter werden üblicherweise im Spritzgussverfahren hergestellt. Daher sind stark gekrümmte oder abgewinkelt geformte Lichtleiter schlecht zu fertigen. Durch die Trennung des Lichtleiters in eine zum Beispiel kreisringartige Einkoppeloptik und eine zum Beispiel plattenartige Transport- und Umformoptik, ergeben sich zwei einfach geformte und damit leicht herstellbare Bauteile, die zusammengefügt einen kompliziert geformten Lichtleiter bilden.
Durch die bauliche Trennung lassen sich mit wenigen Grundformen viele Kombinationen herstellen.
Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Einkoppeloptik als kreisförmig berandetes Bauteil ausgeführt ist. Diese Ausgestaltung eignet sich für Anordnungen, bei denen das Licht über eine Breitseite in den Lichtleiter eingekoppelt wird. Dies hat den Vorteil, dass die optischen Eigenschaften relativ unempfindlich auf Lagetoleranzen der Lichtquelle reagieren.
Eine ebenfalls bevorzugte Alternative zeichnet sich dadurch aus, dass die Einkoppeloptik die Grundform eines geraden Zylinders mit halbkreisringförmiger Grundfläche besitzt.
Ein Vorteil dieser Einkoppeloptik liegt darin, dass die Lichtquelle so angeordnet werden kann, dass ihre Hauptabstrahlrichtung parallel zur Hauptabstrahlrichtung der Beleuchtungseinrichtung liegt. Damit können bauliche Beschränkungen, betreffend die Anordnung der Lichtquelle und der dazugehörigen Energieversorgungselemente, umgangen werden.
Für beide Alternativen der Einkoppeloptiken gilt, dass sie bevorzugt eine Lichtauskoppelfläche mit einer Form aufweisen, die der Form der Lichteinkoppelfläche der Transport- und Umformoptik angepasst ist. Damit kann eine bereits vorhandene Transport- und Umformoptik mit verschiedenen Einkoppeloptiken kombiniert werden.
Die als kreisförmig berandetes Bauteil ausgeführte Einkoppeloptik weist bevorzugt in ihrem Zentrum einen ersten Reflektor auf, der die Form einer trichterförmigen Vertiefung mit kreisförmiger Grundfläche besitzt. Unter einer trichterförmigen Vertiefung wird hier eine rotationssymmetrische Vertiefung verstanden, deren geometrische Form durch Rotieren einer Randkurve um eine Achse erzeugt wird. Die Randkurve kann gerade oder gekrümmt sein. Das durch die rotierte Randkurve erzeugte Volumen soll in einer Ausgestaltung eine auf der Drehachse liegende Spitze aufweisen, die zur Lichtquelle zeigt. In einer anderen Ausgestaltung soll sich das Volumen in Richtung zur Lichtquelle verjüngen, aber nicht in einer Spitze auslaufen, sondern eine stumpfartige Form haben, wie es zum Beispiel bei einem Kegelstumpf der Fall ist.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung dieser Einkoppeloptik ist die Vertiefung rotationssymmetrisch und konzentrisch zu dem kreisförmigen Rand der Einkoppeloptik.
Bei einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung dieser Einkoppeloptik besitzt die tiefste Stelle der Vertiefung die Form einer Spitze, die in das Innere der Einkoppeloptik weist.
Bevorzugt ist auch, dass eine Transport- und Umformoptik mit mehreren Einkoppeloptiken versehen ist, um eine kompliziert geformte bandartige Lichtaustrittsfläche mit parallelem Licht homogen auszuleuchten. Dabei weist jede der Einkoppeloptiken eine ihr zugeordnete Lichtquelle auf.
Ferner ist bevorzugt, dass die Einkoppeloptik und die Transport- und Umlenkoptik aus dem gleichen Material gefertigt sind. Die Einkoppeloptik und die Transport- und Umlenkoptik weisen dann denselben Brechungsindex auf, was die Verluste beim Übertritt der Lichtstrahlen von der Einkoppeloptik in die Transport- und Umformoptik reduziert. Bevorzugte Materialien sind Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Polycarbonat (PC). Bei der Ausgestaltung der Reflektoren ist zu berücksichtigen, dass der Grenzwinkel der internen Totalreflexion für die beiden Materialen unterschiedlich ist.
Bevorzugt ist auch, dass eine Lichtauskoppelfläche der Einkoppeloptik kongruent zu einer Lichteinkoppelfläche der Transport-und Umlenkoptik ist und dass diese Flächen in Richtung der durch sie hindurchtretenden Lichtstrahlen direkt aneinander anschließen, so dass sie sich flächenmäßig berühren.
Unter einer Kongruenz wird dabei verstanden, dass beide Flächen deckungsgleich zueinander sind. Die Kongruenz der Lichteinkoppelfläche und der Lichtauskoppelfläche hat dann zur Folge, dass nahezu alles Licht über die Lichtauskoppelfläche aus der Einkoppeloptik über die Lichteinkoppelfläche in die Transport- und Umlenkoptik übergeht und Verluste insofern minimiert sind.
Bevorzugt ist auch, dass die Lichtauskoppelfläche der Einkoppeloptik als eine senkrecht zu den ersten Ebenen und senkrecht zu den zweiten Ebenen stehende Zylindermantelfläche ausgestaltet ist. Der Öffnungswinkel der in den ersten Ebenen liegenden Ausbreitungsrichtungen wird durch die Einkoppeloptik nicht oder nur wenig verändert. Die in den ersten Ebenen radialen Ausbreitungsrichtungen des Lichtes bleiben daher beim Übergang in die Transport- und Umlenkoptik erhalten. Der Öffnungswinkel der in den zweiten Ebenen liegenden Ausbreitungsrichtungen wird durch die Einkoppeloptik verringert. In einem Idealfall wird der Öffnungswinkel soweit verringert, dass das Licht parallel ausgerichtet ist und senkrecht auf die als Zylindermantel ausgebildete Lichtauskoppelfläche trifft. Die senkrecht auftreffenden Lichtstrahlen werden nicht gebrochen und nicht reflektiert. Die mit dem Übergang einhergehenden Fresnelverluste werden somit deutlich reduziert und liegen bei ca. 8%.
Ferner ist bevorzugt, dass die Lichtauskoppelfläche der Einkoppeloptik in eine Vielzahl von Einzelflächen unterteilt ist, die so angeordnet und geformt sind, dass die in den ersten Ebenen liegenden Ausbreitungsrichtungen des Lichts beim Durchtritt durch eine Einzelfläche infolge Brechung verändert werden.
Dadurch können die im Strahlengang nachfolgenden Strukturen der Transport- und Umlenkoptik, die eine Richtungsänderung der Lichtstrahlen in den ersten Ebenen bewirken sollen, weniger komplex gestaltet sein. Außerdem erleichtert eine zum Beispiel zahnartige Anordnung der Einzelflächen eine radial formschlüssige Verbindung des Einkoppelmoduls mit der Transport- und Umformoptik.
Als Alternative oder Ergänzung ist bevorzugt, dass die Lichtauskoppelfläche in eine Vielzahl von Einzelflächen unterteilt ist, die stufenartig so angeordnet sind, dass die Einkoppeloptik in quer zur Rotationsachse ihrer Vertiefung liegenden ersten Ebenen von Ebene zu Ebene unterschiedliche Querschnitte aufweisen.
Diese Ausgestaltung begünstigt eine formschlüssige Einpassung der Einkoppeloptik in die Transport- und Umformoptik in axialer Richtung.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Transport- und Umlenkoptik Strukturen aufweist, die dazu geeignet und angeordnet sind, den Öffnungswinkel der in den ersten Ebenen liegenden Ausbreitungsrichtungen der Lichtstrahlen zu verändern.
Die Strukturen sind zum Beispiel als Begrenzungsflächen von Ausnehmungen in der Transport- und Umlenkoptik und/oder als Außenflächen der Transport- und Umlenkoptik verwirklicht. Die Begrenzungsflächen oder Außenflächen sind als Reflexionsflächen oder als brechende Flächen verwirklicht. Die Lichtausbreitungsrichtung wird demnach durch Brechung oder Reflexion abgelenkt, wobei in Bezug auf Reflexionen interne Totalreflexionen bevorzugt sind.
Denkbar ist auch eine Ausbildung der Strukturen als Umlenkflächen, an denen eine interne Totalreflexion dergestalt stattfindet, dass der Öffnungswinkel der in den ersten Ebenen liegenden Ausbreitungsrichtungen reduziert wird. Insgesamt betrachtet dienen die Strukturen einer homogenen Ausleuchtung der Lichtaustrittsfläche mit möglichst parallelem Licht.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Einkoppeloptik, die auf einem Trägerelement angeordnete Lichtquelle sowie ein eventuell mit dem Trägerelement in thermischem Kontakt stehender Kühlkörper zu einem Einkoppelmodul vereint montiert sind. Beispielhafte Verbindungstechniken für das Einkoppelmodul, sind Clippen, Prägen, Nieten oder Schrauben. Die Lichtquelle, beispielsweise eine LED, ist auf dem Trägerelement angeordnet. Auf dem Trägerelement sind üblicherweise neben der LED noch andere Bauteile und Leiterbahnen angeordnet, die zu einer Energieversorgung und zu einer Steuerung der LED dienen. Das Trägerelement steht meist in einem thermischen Kontakt mit einem Kühlkörper. Der Kühlkörper ist dazu eingerichtet, die beim Betrieb der LED entstehenden Wärme aufzunehmen und an die Umgebung abzuleiten.
Ein Problem bei der Verwendung von Lichtleitern in Beleuchtungseinrichtungen ist, dass die Lichtquelle aufgrund der kleinen Brennweite der Einkoppeloptik sehr genau zu dieser positioniert werden muss. Dies ist mit diesem Modul leicht möglich.
Licht, das aus dem Einkoppelmodul austritt, ist in den zweiten Ebenen bereits parallelisiert. Die Parallelisierung in den ersten Ebenen erfolgt dann mit einer Optik großer Brennweite, beispielsweise durch die Strukturen der Transport- und Umformoptik. Diese Parallelisierung ist wegen der langen Brennweite relativ unempfindlich gegenüber Lagetoleranzen der an der Breitseite liegenden Lichtquelle, was einen Vorteil der über die Breitseite erfolgenden Einkopplung darstellt.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Einkoppeloptik Halterungsstrukturen aufweist, die dazu geeignet und angeordnet sind, die Einkoppeloptik am Einkoppelmodul zu haltern. Diese Halterungsstrukturen sind aus demselben Material gefertigt wie die Einkoppeloptik und werden in einem relativ einfach gestalteten Werkzeug durch Spritzgießen zusammen mit dem Einkoppelmodul hergestellt.
Ergänzend wird vorgeschlagen, dass die Einkoppeloptik Positionierungselemente aufweist, die dazu geeignet sind, die Transport- und Umlenkoptik an der Einkoppeloptik zu positionieren. Diese Positionierungselemente können beim Spritzgiesen der Einkoppeloptik mit einem entsprechend geeigneten Werkzeug hergestellt werden.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den jeweils angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Merkmale der Erfindung aufweisenden Lichtleiters in perspektivischer Darstellung;
2 eine den Lichtleiter aus der 1 aufweisende und damit ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung verkörpernde Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung in einer Schnittdarstellung;
3 den Lichtleiter aus der 1 und der 2 zusammen mit einer Lichtquelle in perspektivischer Darstellung;
4 ein Einkoppelmodul und eine Anordnung des Einkoppelmoduls im Lichtleiter für das erste Ausführungsbeispiel in einer Draufsicht;
5 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Merkmale der Erfindung aufweisenden Lichtleiters in perspektivischer Darstellung;
6 eine Einkoppeloptik des Lichtleiters aus der 5 zusammen mit einer Lichtquelle und Strahlengängen in einem Querschnitt, der in einer zweiten Ebene liegt;
7 eine erste Ausgestaltung einer Transport- und Umformoptik mit der Einkoppeloptik aus den 1 bis 4 in einer perspektivischen Darstellung;
8 eine zweite Ausgestaltung der Transport- und Umlenkoptik mit der Einkoppeloptik aus den 1 bis 4 in einer perspektivischen Darstellung;
9 eine Ansicht einer dritten Ausgestaltung der Transport- und Umlenkoptik mit mehreren Einkoppeloptiken aus den 1 bis 4 aus einer auf die Lichtaustrittsfläche gerichteten Blickrichtung;
10 weitere Ausgestaltungen der Einkoppeloptik, die sich in einer Gestaltung einer Lichtauskoppelfläche unterscheiden;
11 eine Draufsicht auf eine Anordnung mit einer gestuften Einkoppeloptik; und
12 eine Ausgestaltung mit einer rotationssymmetrischen Einkoppeloptik mit 360°-Abstrahlung und einer alternativen Transport- und Umlenkoptik.
Gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren bezeichnen jeweils gleiche oder zumindest ihrer Funktion nach vergleichbare Elemente.
1 zeigt einen Lichtleiter 10 in perspektivischer Ansicht, der eine erste Seite 12, eine der ersten Seite 12 gegenüberliegende zweite Seite 14 und eine zwischen einem Rand 16 der ersten Seite 12 und einem Rand 18 der zweiten Seite 14 liegende und die erste Seite 12 mit der zweiten Seite 14 verbindende Schmalseite 20 aufweist. Die erste Seite 12 und die zweite Seite 14 liegen hier zur xy-Ebene eines gedachten Koordinatensystems parallel. Es ist aber für die Erfindung nicht zwingend erforderlich, dass die erste Seite 12 parallel zur zweiten Seite 14 ist. Die Abmessungen der ersten Seite 12 und der zweiten Seite 14 sind groß im Verhältnis zur Breite der Schmalseite, die dem Abstand der ersten Seite 12 zu der zweiten Seite 14 entspricht. Dieses große Verhältnis prägt das Erscheinungsbild des Lichtleiters 10 als plattenförmiges Teil. Das Verhältnis ist bevorzugt größer als fünf.
Ein hier mit einer Normalen in x-Achsenrichtung liegender Bereich der Schmalseite 20 ist als Lichtaustrittsfläche 22 ausgebildet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Ausdehnung der Lichtaustrittsfläche 22 in y-Achsenrichtung um ein Vielfaches größer als ihre Ausdehnung in Richtung der z-Achse, wodurch sich eine streifenförmige Gestalt der Lichtaustrittsfläche 22 ergibt. Die in Form von vertikalen Linien sichtbare Strukturierung der Lichtaustrittsfläche dient zur Erzeugung einer regelkonformen Lichtverteilung. Eine solche Strukturierung ist ein optionales Merkmal, da die Lichtverteilung zum Beispiel durch ein weiteres optisches Element erzeugt werden könnte, das sich gegebenenfalls im Strahlengang hinter dem Lichtleiter befindet.
Der Lichtleiter 10 weist eine als separates Bauteil ausgeführte Einkoppeloptik 24 auf. In der in der 1 dargestellten Ausgestaltung ist die Einkoppeloptik 24 als kreisförmig berandetes Bauteil ausgeführt. Die Einkoppeloptik 24 besitzt eine Lichtauskoppelfläche. Sowohl die Lichtauskoppelfläche als auch die Lichteinkoppelfläche besitzen hier eine halbzylinderförmige Form. Die halbzylinderförmig-konkave Lichteinkoppelfläche stellt mit ihrer konkaven Wölbung gewissermaßen ein Negativ zu der hier halbzylinderförmig-konvexen Lichtauskoppelfläche der Einkoppeloptik 24 dar. Die Lichtauskoppelfläche ist damit kongruent zu einer Lichteinkoppelfläche einer Transport- und Umlenkoptik 30 des Lichtleiters 10. Von den beiden kongruenten Flächen ist in der 1 jeweils nur eine Kante 27 zu sehen.
In ihrem Zentrum weist die Einkoppeloptik 24 einen ersten Reflektor 32 auf, der die Form einer trichterförmigen Vertiefung mit kreisförmiger Grundfläche besitzt. Die Vertiefung ist rotationssymmetrisch und konzentrisch zu dem kreisförmigen Rand der Einkoppeloptik 24. Die tiefste Stelle der Vertiefung besitzt die Form einer Spitze 34, die in das Innere des Bauteils 24 weist. Die Spitze 34 liegt auf einer Rotationsachse der Vertiefung. Die Grenzfläche der trichterförmigen Vertiefung dient, wie nachfolgend näher erläutert wird, als Reflektor 32. Die Grenzfläche der Vertiefung ist darüber hinaus bevorzugt so geformt, dass das von einer auf der Rotationsachse liegenden Lichtquelle her auf sie einfallende Licht dort eine interne Totalreflexion erfährt.
Alternativ oder ergänzend ist die reflektierende Fläche des ersten Reflektors 32 verspiegelt, beispielsweise durch eine darauf aufgebrachte Metallschicht. Dies gilt analog für alle in dieser Anmeldung genannten reflektierenden Flächen. Es ist jedoch bevorzugt, diese Flächen, soweit es die Winkelverhältnisse jeweils erlauben, als intern totalreflektierende Grenzflächen auszugestalten, weil bei internen Totalreflexionen weniger Verluste auftreten als an verspiegelten Grenzflächen, was für das angestrebte Ziel einer hohen Effizienz hilfreich ist. Vorteilhaft ist auch, dass keine spiegelnde Schicht aufgebracht werden muss.
Eine Achse 36 der Einkoppeloptik 24 liegt parallel zur z-Achse des Koordinatensystems und ist identisch mit der Rotationsachse der trichterförmigen Vertiefung. Auf der Achse 36 ist unterhalb der Spitze 34 der Vertiefung eine Lichtquelle 38 angeordnet, die in der 1 durch die Einkoppeloptik 24 verdeckt ist.
Von der Lichtquelle geht Licht in einen Raumwinkel aus, in dessen Zentrum die Achse 36 liegt. Dieses Licht fällt zumindest teilweise auf den Reflektor 32 und wird von dort so reflektiert, dass die reflektierten Lichtstrahlen in erste Ebenen, die in der 1 parallel zu der xy-Ebene liegen, umgelenkt werden. Radial zur Achse 36 liegende Richtungskomponenten der Lichtstrahlen bleiben wegen der Rotationssymmetrie des Reflektors 32 zur Achse 36 zunächst erhalten. Das so umgeformte Licht tritt durch die Lichtauskoppelfläche 26 aus der Einkoppeloptik 24 aus und über die sich hier direkt an die Lichtauskoppelfläche der Einkoppeloptik 24 anschließende und diese Lichtauskoppelfläche bevorzugt flächig berührende Lichteinkoppelfläche 28 der Transport- und Umformoptik 30 in letztere ein.
Die Transport- und Umlenkoptik 30 weist Strukturen 70 auf, die dazu eingerichtet sind, in der Transport- und Umlenkoptik 30 propagierendes Licht so umzulenken, dass die Lichtaustrittsfläche 22 des Lichtleiters 10 aus dessen Innerem gleichmäßig hell mit weitgehend parallel ausgerichtetem Licht beleuchtet wird. Mit solchem Licht kann leicht eine regelkonforme Lichtverteilung erzeugt werden, die sich zum Beispiel über eine horizontale Winkelbreite von +/–20° und eine vertikale Winkelbreite von +/–10° erstreckt. Eine Funktionsweise der Strukturen 70 wird weiter unten anhand einer 4 detailliert beschrieben. Die Umformung des parallelen Lichtes in eine regelkonforme Lichtverteilung erfolgt zum Beispiel mit Streuoptiken in der Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters.
Die 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung 40. Die Beleuchtungseinrichtung 40 besitzt ein Gehäuse 42, dessen Lichtaustrittsöffnung mit einer transparenten Abdeckscheibe 44 abgedeckt ist. In dem Gehäuse 42 sind der Lichtleiter 10 und die Lichtquelle 38 angeordnet. Aus Platzgründen ist der Lichtleiter 10 in x-Richtung verkürzt dargestellt. Die Lichtquelle 38 ist auf einem zur elektrischen Kontaktierung dienenden Trägerelement 46 angeordnet, das hier auch einen Kühlkörper mit umfasst.
Die Lichtquelle 38 ist bevorzugt eine Halbleiterlichtquelle in Form einer Licht Emittierenden Diode (LED). Die LED besitzt eine ebene Lichtaustrittsfläche. Solche Halbleiterlichtquellen können näherungsweise als Lambert-Strahler betrachtet werden, die ihr Licht über einen Winkelbereich von 90 Grad zu einer Normalen der LED-Lichtaustrittsfläche in einen Halbraum mit Raumwinkel 2Π emittieren. Eine Hauptabstrahlrichtung der Lichtquelle 38 weist in der 2 nach oben.
Die Lichtquelle 38 strahlt somit von unten gegen die den ersten Reflektor 32 darstellende trichterförmige Vertiefung. Die Vertiefung durchdringt den Lichtleiter 10 nicht vollständig. Die Tiefe der Ausnehmung und damit der Abstand ihrer Spitze 34 von der ersten Seite 12 ist etwa gleich der Hälfte der Plattenbreite oder bevorzugt etwas größer als die Hälfte der Plattenbreite, wobei die Plattenbreite dem außerhalb der Vertiefung gemessenen Abstand der ersten Seite 12 von zweiten Seite 14 entspricht.
Die Achse 36 teilt den Lichtleiter 10 in einen vorderen Bereich, der in Richtung der Lichtaustrittsfläche 22 weist und der zwischen der Achse und dieser Lichtaustrittsfläche liegt, und einen hinteren Bereich, der durch einen zweiten Reflektor 47 begrenzt ist und der somit zwischen dem zweiten Reflektor und der Achse 36 liegt. Die als erster Reflektor 32 dienende Grenzfläche der trichterförmigen Ausnehmung weist bevorzugt eine in Bezug zur Rotationsachse rotationssymmetrische Form auf, die in Bezug auf von der Rotationsachse wegweisende Radialrichtungen gewölbt ist. Dabei ist die Wölbung vom Inneren des Lichtleiters her betrachtet konkav. Mit dieser Ausgestaltung wird der Öffnungswinkel des Lichtbündels durch die Reflexion an dieser Grenzfläche in den zweiten Ebenen verringert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Grenzfläche eine Form auf, die entsteht, wenn ein Zweig einer Parabel, deren Achse senkrecht zur Achse 36 liegt, um die Achse 36 rotiert wird. Die Lichtquelle 38 ist auf der Achse 36 bevorzugt im Brennpunkt dieser Parabel angeordnet. Mit dieser Ausgestaltung wird eine parallele Lichtausbreitung in den zweiten Ebenen erreicht. Der Öffnungswinkel des Lichtbündels wird demnach entsprechend stark verringert.
Der zweite Reflektor 47 ist als Umlenkreflektor ausgeführt. Der Umlenkreflektor weist eine erste Reflektorfläche 48 und eine zweite Reflektorfläche 49 auf, die so gegeneinander geneigt sind, dass ein auf eine der beiden Reflektorflächen treffender Lichtstrahl zunächst in Richtung der anderen Reflektorfläche reflektiert wird. An dieser anderen Reflektorfläche wird der Lichtstrahl bei der Reflexion nochmals umgelenkt, so dass seine Richtung entgegengesetzt zu der Richtung ist, aus der der Lichtstrahl zuerst auf eine der beiden Reflektorflächen eingefallen ist.
Aufgrund der beiden dachartig gegeneinander geneigten Reflektorflächen 48 und 49, wird der zweite Reflektor 47 auch als Dachkantenreflektor bezeichnet. In ersten Ebenen, also beispielsweise in einer zur Zeichnungsebene der 2 senkrechten Ebene, weist der zweite Reflektor 47 eine halbkreisförmige Gestalt auf, die über den Halbkreis betrachtet konzentrisch zur kreisförmigen Grundfläche des ersten Reflektors 32 und damit koaxial zur Achse 36 ist.
Lichtstrahlen 50, die auf eine im vorderen Bereich liegende Fläche 51 des ersten Reflektors 32 treffen, werden an dieser einmal in Richtung zu der Lichtauskoppelfläche 26 der Einkoppeloptik reflektiert. Lichtstrahlen 52, die auf eine im hinteren Bereich liegende Fläche 54 der Reflektors 32 treffen, werden an dieser zunächst in Richtung des zweiten Reflektors 47 gelenkt.
Die Seiten des ersten Reflektors 32 sind für das einfallende Licht konkav gewölbt ausgeführt, so dass ein Öffnungswinkel, den die Ausbreitungsrichtungen der Lichtstrahlen 50 und 52 einschließen, reduziert wird. Im Grenzfall geht die Verringerung des Öffnungswinkels soweit, dass die von dem ersten Reflektor 32 ausgehenden Lichtstrahlen 50 und 52 die in einer selben zweiten Ebene liegen, parallel zueinander sind, wenn die Seiten des ersten Reflektors 32 parabelförmig sind.
Die Zeichnungsebene der 2 entspricht einer zweiten Ebene im Sinne der weiter oben erläuterten Definition. Neben der dargestellten zweiten Ebene existiert noch eine Vielzahl anderer zweiter Ebenen. Allen zweiten Ebenen gemeinsam ist, dass sie durch die Achse 36 und einen reflektierten Lichtstrahl 50 oder 52 aufgespannt werden. Die reflektierten Lichtstrahlen 50 und 52 weisen radial von der Achse 36 der Einkoppeloptik 24 weg oder weisen zumindest eine Radialkomponente auf. Somit erstrecken sich die zweiten Ebenen radial zur Achse 36 und werden deshalb auch als Radialebenen bezeichnet.
Die reflektierten Lichtstrahlen 50 oder 52 definieren eine Schnittlinie, die die zweite Ebene mit der ersten Ebene gemeinsam hat. Die erste Ebene steht dabei senkrecht zu der zweiten Ebene. Im Prinzip lässt sich zu jedem von dem ersten Reflektor 32 reflektierten Lichtstrahl 50 und 52 ein solches Paar, bestehend aus erster Ebene und dazu senkrecht stehender zweiter Ebene, finden.
Die an der im vorderen Bereich liegenden Fläche 51 reflektierten Lichtstrahlen 50 treten durch die Lichtauskoppelfläche 26 aus der Einkoppeloptik 24 aus und über die hier daran anschließende Lichteinkoppelfläche 28 in die Transport- und Umlenkoptik 30 ein.
Eine Mittelebene 56 teilt den Lichtleiter 10 in eine obere Hälfte 59, in der der größte Teil der Vertiefung liegt, und eine untere Hälfte 60, in die nur noch die Spitze der Vertiefung hineinragt. Die untere Hälfte 60 ist der Lichtquelle 38 zugewandt. Sie liegt also zwischen der Lichtquelle und der ersten Hälfte und damit zwischen der Lichtquelle und der Vertiefung. Die an der im hinteren Bereich liegenden Fläche 54 reflektierten Lichtstrahlen 52 treffen auf die erste Reflektorfläche 48 des zweiten Reflektors 47. Die erste Reflektorfläche 48 ist so gegen die Mittelebene 56 des Lichtleiters 10 geneigt, dass dort auftreffende Lichtstrahlen 52 in Richtung der zweiten Reflexionsfläche 49 gelenkt werden.
An der zweiten Reflektorfläche 49 werden die an der ersten Reflektorfläche 48 umgelenkten Lichtstrahlen 52 in Richtung der Lichtauskoppelfläche 26 und damit in Richtung zu der Transport- und Umlenkoptik reflektiert. Aufgrund der in den ersten Ebenen halbkreisförmigen Geometrie des zweiten Reflektors 47 reflektiert der zweite Reflektor 47 das vom ersten Reflektor 32 her radial einfallende Licht in der zur Einfallsrichtung entgegengesetzten Radialrichtung zurück. Dabei wird das reflektierte Licht in der zweiten Ebene zweimal hintereinander rechtwinklig zu seiner jeweiligen Einfallsrichtung umgelenkt. Dabei wird zunächst in der oberen Hälfte propagierendes Licht in die untere Hälfte 60 umgelenkt.
Da der erste Reflektor 32 die untere Hälfte 60 nicht vollständig durchdringt, propagiert das Licht unterhalb des ersten Reflektors 32 durch die untere Hälfte 60 des Lichtleiters 10 zur Lichtauskoppelfläche 26 und wird dabei nicht durch den ersten Reflektor gestört. Durch die Lichtauskoppelfläche 26 tritt dieses Licht aus der Einkoppeloptik 24 aus und tritt über die hier direkt daran anschließende Lichteinkoppelfläche 28 in die Transport- und Umlenkoptik 30 ein.
Dabei weist dieses Licht in den ersten Ebenen die gleiche Winkelverteilung auf wie das direkt vom ersten Reflektor ohne Umlenkung am Dachkantenreflektor zur Transport- und Umlenkoptik reflektierte Licht. Die Winkelverteilung kann daher in den ersten Ebenen mit den gleichen Strukturen umgeformt werden. Dabei stellt sich dann auch die gleiche Winkelverteilung ein. Da die Transport- und Umlenkoptik 30 und die Einkoppeloptik 24 vorzugsweise aus demselben Material gefertigt sind und die Breite eines Luftspaltes zwischen ihnen vernachlässigbar ist, findet beim Übergang des Lichts von der Einkoppeloptik 24 in die Transport- und Umlenkoptik 30 keine relevante Richtungsänderung durch Brechung statt.
Die Lichtauskoppelfläche 26 und die Lichteinkoppelfläche 28 sind hier, wie insbesondere aus den 1, 3, und 4 ersichtlich ist, zylindermantelförmig ausgebildet. Diese Form sowie die vorangegangene Parallelisierung der Lichtstrahlen 50 und 52 in den zweiten Ebenen führen dazu, dass alle Lichtstrahlen senkrecht auf die Lichtauskoppelfläche 26 der Einkoppeloptik und damit auch senkrecht auf die Lichteinkoppelfläche 28 der Transport- und Umlenkoptik treffen. Dadurch werden die beim Übergang von der Einkoppeloptik 24 in die Transport- und Umformoptik 30 unvermeidlich auftretenden Fresnelverluste minimiert.
Die kreisförmige Berandung der Einkoppeloptik 24 und die dazu konzentrische Anordnung des ersten Reflektors bewirkt, dass sich der Winkel zwischen den Lichtstrahlen 48 und 52 zunächst nur in den zweiten Ebenen verringert, während die Winkelverteilung und damit die Richtungen der Lichtstrahlen in den ersten Ebenen zunächst erhalten bleibt.
Die trichterförmige Form des ersten Reflektors 32 und der als Umkehrreflektor ausgestaltete zweite Reflektor 47 bewirken, dass die Lichtstrahlen 48, die in Richtung der Transport- und Umformoptik 30 von der Lichtquelle 38 ausgehen, in der 2 oberhalb der Mittelebene 56 der Transport- und Umlenkoptik 30 propagieren. Die Lichtstrahlen 52, die in einer Richtung von der Transport- und Umlenkoptik 30 weg von der Lichtquelle 38 ausgehen, erfahren eine zweifache Reflexion an dem Umkehrreflektor 47. Die zweifache Reflexion bewirkt eine Richtungsumkehr und eine Höhenverschiebung der Lichtstrahlen 52. Somit propagieren die Lichtstrahlen 52 in der Figur unterhalb der Mittelebene 56. In Verbindung mit einer innerhalb der zweiten Ebenen parallelen Ausrichtung der Lichtstrahlen ergibt sich dann der Vorteil einer über ihre Ausdehnung längs der z-Achse gleichmäßigen Beleuchtung der Lichtaustrittsfläche 22.
Zusammen zeigen die 1 und die 2 eine Beleuchtungseinrichtung 40 für ein Kraftfahrzeug, mit einer Lichtquelle 38 und mit einem Lichtleiter 10, der eine erste Seite 12, eine der ersten Seite 12 gegenüberliegende zweite Seite 14, und zwischen einem Rand 16 der ersten Seite 12 und einem Rand 18 der zweiten Seite 16 liegende und die erste Seite 12 mit der zweiten Seite 14 verbindende Schmalseiten 20 aufweist. Eine Licht der Lichtquelle 38 einkoppelnde und umformende Einkoppeloptik 24 weist mindestens einen ersten Reflektor 32 auf, der von der Lichtquelle 38 in einen Raumwinkel ausgehendes Licht umformt. Der Lichtleiter 10 weist gedachte erste Ebenen und zweite Ebenen auf, die dadurch definiert sind, dass sie senkrecht aufeinander stehen und sich schneiden, wobei die Schnittlinien jeweils durch einen von dem Reflektor 38 ausgehenden Lichtstrahl 50 oder 52 definiert werden.
Die Einkoppeloptik 24 formt Licht so um, dass ein Öffnungswinkel von in den zweiten Ebenen liegenden Ausbreitungsrichtungen der Lichtstrahlen 50 und 52 verringert wird und Öffnungswinkel von in den ersten Ebenen liegenden Ausbreitungsrichtungen nicht oder zumindest weniger stark als der Öffnungswinkel der in den zweiten Ebenen liegenden Ausbreitungsrichtungen verändert werden. Der Lichtleiter 10 weist eine Transport- und Umformoptik 30 auf, die von der Einkoppeloptik 24 umgeformtes Licht zu einer Lichtaustrittsfläche 22 des Lichtleiters 10 transportiert. Die Einkoppeloptik 24 und die Transport- und Umlenkoptik 30 sind separate Bauteile.
3 zeigt den Lichtleiter 10, der aus der Einkoppeloptik 24 und der Transport- und Umformoptik 30 zusammengesetzt ist. Die Lichtquelle 38 ist als LED ausgeführt. Die LED ist auf dem Trägerelement 46 angeordnet. Auf dem Trägerelement 46 sind üblicherweise neben der LED noch andere Bauteile und Leiterbahnen angeordnet, die zu einer Energieversorgung und zu einer Steuerung der LED dienen. Das Trägerelement 46 steht in thermischem Kontakt mit einem Kühlkörper 62. Der Kühlkörper 62 ist dazu eingerichtet, die beim Betrieb der LED entstehenden Wärme aufzunehmen und an die Umgebung abzuleiten. An der Einkoppeloptik 24 sind Halterungsstrukturen 64 ausgebildet. Die Halterungsstrukturen 64 sind dazu eingerichtet, die Einkoppeloptik 24, das Trägerelement 46 mit der Lichtquelle 38 und den Kühlkörper 62 zu einem Einkoppelmodul 66 zu verbinden.
4 zeigt das Einkoppelmodul 66 mit daran angeordneter Transport und Umformoptik 30. Pfeile 68 markieren Lichtaustrittsrichtungen in einer ersten Ebene. Die Lichtaustrittsrichtung ist senkrecht zu der zylindrischen Lichtauskoppelfläche 26 der Einkoppeloptik 24. Die Transport- und Umformoptik 30 weist Strukturen 70 auf, die dazu eingerichtet und angeordnet sind, Licht, das senkrecht zu der zylindrischen Lichteinkoppelfläche 28 in die Transport- und Umformoptik 30 eintritt, so auf die Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters umzulenken, dass diese mit möglichst parallelem Licht möglichst homogen beleuchtet wird. Die Strukturen 70 der Transport- und Umformoptik 30 nach der 4b sind als Grenzflächen von im Lichtleiter liegenden Ausnehmungen und/oder als Außenflächen, die Teilflächen der Schmalseiten der Transport- und Umlenkoptik 30 des Lichtleiters 10 sind, gestaltet.
Die Strukturen 70 sind symmetrisch zu einer zweiten Ebene 71 angeordnet, die den Lichtleiter in zwei bevorzugt symmetrische Hälften teilt. Die zweite Ebene 71 steht senkrecht zu den ersten Ebenen und enthält die Achse 36 der Einkoppeloptik 24. Eine zentral angeordnete Ausnehmung 70.1 ist als – konkav-plane Linse aus Luft ausgeführt. Die konkav-plane Luftlinse verringert den Öffnungswinkel des auf sie einfallenden Lichtbündels und trägt somit zu einer Parallelisierung des Lichts in den ersten Ebenen bei. Grenzflächen 73.2 und 73.3 seitlicher Ausnehmungen 70.2, 70.3, sowie eine Außenfläche 73.4. sind als Parabelabschnitte ausgebildet.
Eine Steigung der Parabeln nimmt dabei von Parabelabschnitt zu Parabelabschnitt betrachtet, von außen nach innen in Richtung zu der zweiten Ebene 71 zu. Die beim Lichtleiter 10 nach der 4b am weitesten außen liegenden Parabelabschnitte, die durch die Außenflächen 73.4 gebildet werden, weisen eine kleinere Steigung auf, als die weiter innen liegenden Parabelabschnitte, die sich aus den Flächen 73.2 und 73.3 der Ausnehmungen 70.2 und 70.3 ergeben. Dies ist gerade umgekehrt zur Veränderung der Steigung einer zusammenhängenden Parabel. Dort liegen die Abschnitte mit kleineren Steigungen innen, und die Abschnitte mit größeren Steigungen liegen außen.
Eine zusammenhängende Parabel erzeugt aus Licht, das von ihrem Brennpunkt ausgeht, eine Lichtverteilung, die in der Mitte heller als außen ist. Eine solche Lichtverteilung ist daher in Bezug auf die Helligkeit inhomogen. Diese Inhomogenität wird beim Gegenstand der 4b dadurch verringert, dass Parabelabschnitte mit vergleichsweise kleinerer Steigung, die bei einer zusammenhängenden Parabel die vergleichsweise größere Helligkeit erzeugen, weiter außen angeordnet sind, während Parabelabschnitte mit vergleichsweise größerer Steigung, die bei einer zusammenhängenden Parabel die vergleichsweise kleinere Helligkeiten erzeugen, weiter innen angeordnet sind.
Dadurch wird insgesamt eine Homogenisierung der Helligkeit des von den Parabelabschnitten insgesamt abgestrahlten Lichts erzielt. Die einzelnen Parabelabschnitte sind dabei nicht Teile einer einzigen Parabel. Sie sind vielmehr dadurch definiert, dass sie zwar alle denselben Brennpunkt, aber eine jeweils unterschiedliche Brennweite aufweisen. Der Brennpunkt liegt auf der optischen Achse 36 der Einkoppeloptik 24. Die Brennweite der weiter außen liegenden Parabelabschnitte ist größer als die Brennweite der weiter innen liegenden Parabelabschnitte.
Die Lichtstrahlen 68, die in radialer Richtung durch die Lichteinkoppelfläche 28 in die Transport- und Umlenkoptik eintreten, werden an den Flächen 73 durch Brechung oder Reflexion umgelenkt. Die Form der Flächen 73 bewirkt einerseits, dass die Umlenkung so erfolgt, dass ein Öffnungswinkel der Ausbreitungsrichtung des Lichtes in ersten Ebenen, also beispielsweise in der Zeichnungsebene, verringert wird. Folglich dienen die Strukturen 70 dazu, die Lichtstrahlen, die sich in einer ersten Ebene radial ausbreiten, zu parallelisieren. Andererseits dienen sie, wie bereits erläutert, zu einer Homogenisierung der Helligkeit des durch die Lichtaustrittsfläche 22 austretenden Lichts. Sie erfüllen also zwei Funktionen.
Das Einkoppelmodul 66 kann als vormontiertes Bauteil mit verschiedenen Transport- und Umformoptiken kombiniert werden um eine gewünschte, regelkonforme Lichtverteilung zu erzielen.
Denkbar ist auch ein Einkoppelmodul 66, das mehrere Lichtquellen 38 und mehrere, den jeweiligen Lichtquellen 38 zugeordnete Einkoppeloptiken 24 aufweist. Die Lichtquellen 38 können dabei auf einem gemeinsamen Kühlkörper 62 angeordnet sein. Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung sind unterhalb der Einkopplung zwei LEDs mit unterschiedlichen Lichtfarben wie rot und gelb oder weiß und gelb, so dass je nach dem, welche LED eingeschaltet wird, unterschiedliche Lichtfunktionen wie Schlusslicht (rot), Blinklicht (gelb) oder Tagfahrlicht (weiß) erfüllt werden.
Die 5 zeigt eine zweite Ausgestaltung des Lichtleiters 10. Dieser Lichtleiter 10 unterscheidet sich von dem bisher beschriebenen Lichtleiter 10 durch eine andere Ausgestaltung der Einkoppeloptik. Diese Einkoppeloptik 75 besitzt die Grundform eines geraden Zylinders mit halbkreisringförmiger Grundfläche. Die Einkoppeloptik 75 weist eine Lichtauskoppelfläche 26 auf, die kongruent zu einer Lichteinkoppelfläche 28 einer Transport- und Umlenkoptik 30 ist. Die Lichteinkoppelfläche 28 schließt sich direkt und flächig berührend an die Lichtauskoppelfläche an.
Die 6 zeigt eine Schnittdarstellung der Einkoppeloptik 75 aus der 5 mit einer parallel zur zur xz-Ebene liegenden Schnittebene. Diese Ebene ist eine zweite Ebene im Sinne der weiter oben angegebenen Definition. Im Unterschied zu den bisher beschriebenen Lichtleitern ist die Lichtquelle 38 so auf der Achse 36 angeordnet, dass ihre Hauptabstrahlrichtung nicht parallel sondern senkrecht zur Achse 36 ausgerichtet ist.
Das von der Lichtquelle 38 in einen die Hauptabstrahlrichtung umgebenden Raumwinkel ausgehende Licht trifft auf eine Lichteintrittsfläche der Einkoppeloptik 75. Diese Lichteintrittsfläche weist einen zentralen Bereich und eine den zentralen Bereich umgebende seitliche Innenfläche auf. Die seitliche Innenfläche ist derart gestaltet, dass das durch sie eintretende Licht 74 infolge Brechung auf einen ersten Reflektor 72 gelenkt wird. Der erste Reflektor 72 wird hier durch Außenflächen der Einkoppeloptik 75 gebildet. Der erste Reflektor 72 formt das von der Lichtquelle 38 in einen Raumwinkel ausgehende Lichtbündel 74 durch interne Totalreflexion um.
Der zentrale Bereich 77 der Lichteintrittsfläche ist konvex geformt, so dass sich eine Linsenwirkung ergibt. Der zentrale Bereich 77 ist also insbesondere so ausgestaltet, dass über ihn eintretendes Licht 79 durch Brechung umgeformt wird. Die Umformung durch interne Totalreflexion an dem ersten Reflektor 72 und die refraktive Umformung durch den zentralen Bereich 77 erfolgt dabei jeweils so, dass ein Öffnungswinkel von in den zweiten Ebenen liegenden Ausbreitungsrichtungen der Lichtstrahlen verringert wird. Eine zweite Ebene ist in der 6 beispielsweise identisch mit der Zeichnungsebene. Die halbkreisartige Form der Einkoppeloptik 75 bewirkt, dass die Öffnungswinkel der Ausbreitungsrichtungen in den ersten Ebenen, die senkrecht zu den zweiten Ebenen stehen und deren Schnittlinie mit den zweiten Ebenen durch die von dem Reflektor 72 ausgehenden Lichtstrahlen 74 definiert sind, nicht oder zumindest weniger stark als die Öffnungswinkel der in den zweiten Ebenen liegenden Ausbreitungsrichtungen verändert werden. Diese zweite Ausgestaltung erlaubt eine Anordnung der Lichtquelle 38 so, dass ihre Hauptabstrahlrichtung senkrecht zur Achse 36 liegt. Dadurch kann der Lichtleiter 10 auch in Beleuchtungseinrichtungen 40 eingesetzt werden, die beispielsweise aus baulichen Gründen eine Hauptabstrahlrichtung der Lichtquelle 38 senkrecht zur Lichtaustrittsrichtung des Lichtleiters 10 nicht erlauben.
Insgesamt zeigen auch die 5 und 6 einen Lichtleiter 10 für eine Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung mit einer Lichtquelle 38, der eine erste Seite 12, eine der ersten Seite 12 gegenüberliegende zweite Seite 14, und zwischen einem Rand 16 der ersten Seite 12 und einem Rand 18 der zweiten Seite 14 liegende und die erste Seite 12 mit der zweiten Seite 14 verbindende Schmalseiten 20 aufweist, und der eine Licht der Lichtquelle 38 einkoppelnde und umformende Einkoppeloptik 75 aufweist, wobei die Einkoppeloptik 75 mindestens einen Reflektor 72 aufweist, der von der Lichtquelle 38 in einen Raumwinkel ausgehendes Licht umformt, und der Lichtleiter 10 gedachte erste Ebenen und zweite Ebenen aufweist, die dadurch definiert sind, dass sie senkrecht aufeinander stehen und sich schneiden, wobei die Schnittlinien jeweils durch einen von dem Reflektor 72 ausgehenden Lichtstrahl 74 definiert werden. Die Umformung erfolgt durch die Einkoppeloptik 75 so, dass ein Öffnungswinkel von in den zweiten Ebenen liegenden Ausbreitungsrichtungen der Lichtstrahlen 74 verringert wird und Öffnungswinkel von in den ersten Ebenen liegenden Ausbreitungsrichtungen nicht oder zumindest weniger stark als der Öffnungswinkel der in den zweiten Ebenen liegenden Ausbreitungsrichtungen verändert werden. Der Lichtleiter 10 weist eine Transport- und Umformoptik 30 auf, die von der Einkoppeloptik 75 umgeformtes Licht zu einer Lichtaustrittsfläche 22 des Lichtleiters 10 transportiert, wobei die Einkoppeloptik 75 und die Transport- und Umlenkoptik 30 separate Bauteile sind.
7 zeigt eine weitere Ausgestaltung des Lichtleiters 10, die sich durch eine andere Ausgestaltung der Transportund Umlenkoptik 30 von weiter oben erläuterten Lichtleitern 10 unterscheidet. Eine Einkoppeloptik 24 ist in eine Transport- und Umformoptik 30 eingefügt angeordnet, so dass die Lichtauskoppelfläche 26 der Einkoppeloptik 24 hier direkt an die Lichteinkoppelfläche 28 der Transport- und Umformoptik 30 anschließt. Die Transport- und Umformoptik 30 weist eine erste Teilplatte 76 auf, an die sich stufenartig versetzt eine zweite Teilplatte 78 anschließt. Die erste Teilplatte 76 weist an ihrer der Lichteinkoppelfläche 26 gegenüberliegenden Schmalseite eine zur Achse 36 konzentrische Umlenkfläche 80 auf. Die Umlenkfläche 80 ist gegen die Achse 36 geneigt, so dass aus radialen Richtungen auftreffendes Licht nach oben, in parallel zur z-Achse liegende Richtungen gelenkt wird. Die Umlenkfläche hat bevorzugt die Form eines Ausschnitts aus einer Kegelmantelfläche.
Eine der Einkoppeloptik 24 zugewandte Schmalseite der zweiten Teilplatte 78 ist in eine Vielzahl facettenartiger Umlenkflächen 82 unterteilt. Eine Anordnung der Umlenkflächen 82 in einem über der der Umlenkfläche liegenden Halbkreis, der den gleichen Radius wie die Umlenkfläche besitzt, bedingt, dass die facettenartigen Umlenkflächen 82 mit von der konzentrischen Umlenkfläche 80 ausgehendem Licht beleuchtet werden. Die Umlenkflächen 82 sind so angeordnet und ausgestaltet, dass sie das auftreffende Licht zur Lichtaustrittsfläche 22 der Transport- und Umlenkoptik 30 richten. Die facettenartigen Umlenkflächen 82 reduzieren den Öffnungswinkel der Ausbreitungsrichtungen in den ersten Ebenen, so dass die Lichtaustrittsfläche auch hier aus dem Inneren des Lichtleiters homogen mit parallel ausgerichtetem Licht beleuchtet wird. Daraus lässt sich auf einface Weise eine regelkonforme Lichtverteilung erzeugen. Dies erfolgt zum Beispiel mit Hilfe von in die Lichtaustrittsfläche integrierten Streuoptiken.
Zusammenfassend stellen die Umlenkfläche 80 und die facettenartigen Umlenkflächen 82 Strukturen 70 dar, die dazu geeignet sind den Öffnungswinkel von in ersten Ebenen liegenden Ausbreitungsrichtungen des Lichts zu verändern, vorzugsweise zu verringern, so dass eine Parallelisierung der Ausbreitungsrichtungen in den ersten Ebenen erzielt wird.
Bei der in der 8 dargestellten Ausgestaltung des Lichtleiters 10 weist die Transport- und Umformoptik 30 eine erste Teilplatte 76 und eine zweite Teilplatte 78 auf. Die erste Teilplatte 76 weist eine Umlenkfläche 80 auf, die bevorzugt die Form eines Ausschnitts aus einem Kegelmantel besitzt. Die zweite Teilplatte 78 weist eine Vielzahl facettenartiger Umlenkflächen 82 auf. Die bevorzugt kegelmantelförmige Umlenkfläche 80 und die facettenartigen Umlenkflächen 82 bilden zusammen Strukturen 70, die mit Blick auf ihre lichtbündelumformende Wirkung den vorangehend anhand der 7 erläuterten Strukturen 70 gleichen. Im Gegensatz zu den vorherigen Ausgestaltung der Transport- und Umlenkoptik 30 ist hier die Lichtaustrittsfläche 22 gekrümmt ausgeführt. Die Krümmung der Lichtaustrittsfläche 22 erfolgt um die x-Achse oder um die z-Achse, um beispielsweise mit gepfeilter Form einer Außenkontur einer Kraftfahrzeugkarosserie zu folgen.
Das von der Einkoppeloptik 24 ausgehende und in den zweiten Ebenen parallel und in den ersten Ebenen radial propagierende Licht trifft zunächst auf die konzentrische Umlenkfläche 80. Diese lenkt das auftreffende Licht bei der dargestellten Ausgestaltung nach oben, in Richtung der z-Achse. Das umgelenkte Licht trifft auf die facettenartigen Umlenkflächen 82 und wird von diesen zur Lichtaustrittsfläche 22 umgelenkt. Die konzentrische Anordnung der Umlenkflächen 80 und 82 bewirkt, dass das Licht in den ersten Ebenen parallelisiert wird. Weil die Umlenkflächen 80 und 82 der Krümmung Lichtaustrittsfläche 22 folgen, werden gekrümmte Lichtaustrittsflächen 22 mit nahezu parallelem Licht homogen beleuchtet.
Die 9 zeigt eine Ausgestaltung des Lichtleiters 10, dessen Lichtaustrittsfläche 22 u-förmig ausgeführt ist. Der Lichtleiter 10 weist mehrere Einkoppeloptiken 24 auf. Selbstverständlich weist jede der Einkoppeloptiken 24 eine, ihr zugeordnete Lichtquelle 38 auf. Der Lichtleiter 10 weist Halterungsstrukturen 64 auf, die dazu geeignet und angeordnet sind, den Lichtleiter 10 in dem Gehäuse zu haltern. Die Einkoppeloptiken 24 sind längs der Lichtaustrittsfläche 22 auf der Rückseite des Lichtleiters verteilt, so dass eine gleichmäßige homogene Beleuchtung der kompliziert geformten bandartigen Lichtaustrittsfläche 22 mit nahezu parallelem Licht gewährleistet ist.
Die U-förmige Ausführung der Lichtaustrittsfläche wird durch Aneinanderreihung vieler Lichtaustrittsflächen einzelner Lichtleiteranordnungen erzeugt. Allgemein gilt, dass eine solche Lichtaustrittsfläche einstückig oder mehrstückig verwirklicht werden kann, wobei in beiden Fällen mehrere Einkoppelmodule zur Einkopplung von Licht genutzt werden können. Die in der Figur dargestellte Ansicht bietet sich einem Betrachter, der sich in der Abstrahlrichtung in einiger Entfernung von der Lichtaustrittsfläche entfernt befindet und auf die Lichtaustrittsfläche blickt. Der Lichtleiter weist mehrere Einkoppeloptiken auf. Man kann sich den Lichtleiter als primär nebeneinander angeordnete Lichtleiteranordnungen vorstellen, wobei einzelne dieser Lichtleiteranordnungen um gekrümmt sind, um die benötigten Bögen zu erzeugen. Jede der Einkoppeloptiken weist eine ihr zugeordnete Lichtquelle auf. Der Lichtleiter weist Halterungsstrukturen auf, die dazu eingerichtet und angeordnet sind, den Lichtleiter in dem Gehäuse zu haltern. Die Einkoppeloptiken sind längs der Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters verteilt, so dass eine gleichmäßige homogene Beleuchtung der kompliziert geformten bandartigen Lichtaustrittsfläche mit nahezu parallelem Licht gewährleistet ist. Es versteht sich, dass damit auch andere langgestreckte und Krümmungen aufweisende Formen verwirklicht werden können.
Die 10a zeigt eine Ausgestaltung der Einkoppeloptik 24 in der Draufsicht. Die Lichtauskoppelfläche der Einkoppeloptik ist hier in eine Vielzahl von Einzelflächen unterteilt, die so angeordnet und geformt sind, dass die in den ersten Ebenen liegenden Ausbreitungsrichtungen des Lichts beim Durchtritt durch eine Einzelfläche infolge Brechung verändert werden.
Dadurch ist es möglich, dass ein Öffnungswinkel der in den ersten Ebenen liegenden Ausbreitungsrichtungen des Lichts bereits beim Übergang von der Einkoppeloptik 24 in die Transport- und Umlenkoptik 30 gezielt geändert wird. Die Transport- und Umformoptik 30 ist weniger aufwändig gestaltet, insbesondere können gegebenenfalls die Strukturen 70 entfallen.
10b zeigt eine weitere Ausgestaltung der Einkoppeloptik 24 in einer Schnittdarstellung parallel zu xz-Ebene. In der dargestellten Ausgestaltung ist die Lichtauskoppelfläche der Einkoppeloptik in eine Vielzahl von Einzelflächen unterteilt ist, die so angeordnet und geformt sind, dass die in den ersten Ebenen liegenden Ausbreitungsrichtungen des Lichts beim Durchtritt durch eine Einzelfläche infolge Brechung verändert werden.
Die Einzelflächen 84 sind dabei stufenartig übereinander angeordnet. Die stufenartige Anordnung der Einzelflächen ermöglicht eine formschlüssige Einpassung der Einkoppeloptik 24 in x-Achsenrichtung und in z-Achsenrichtung in die Transport- und Umlenkoptik 30.
An der Einkoppeloptik können auf der Fläche 26 Strukturen, zum Beispiel zahnartige Elemente angeordnet werden, zu denen in der Fläche 28 der Transport- und Umlenkoptik 30 komplementäre Strukturen angeordnet werden, die eine genaue Zentrierung und Positionierung von Einkoppeloptik und Transport- und Umlenkoptik in Bezug zueinander gewährleisten.
11 zeigt eine Draufsicht auf eine Anordnung mit einer gestuften Einkoppeloptik. Es handelt sich hier um eine Ausgestaltung mit lediglich zwei Stufen 109, 102. Die in der 11 auch sichtbare Transport- und Auskoppeloptik 30 besitzt eine zentrale Luftlinse, die als Fresnel-Linse 104 verwirklicht ist.
12 zeigt eine Ausgestaltung mit einer rotationssymmetrischen Einkoppeloptik 24 mit 360°-Abstrahlung und einer alternativen Transport- und Umlenkoptik 30, die zwei zentrale in Form von Fresnel-Linsen gestufte Luftlinsen 104, 106 im Innenbereich und TIR-Reflektoren 108, 110, 112, 114 (TIR: total internal reflection) im Außenbereich aufweist. Die Transport- und Umlenkoptik weist an einer Seite eine 180°-Umlenkkante 107 107. An der gegenüberliegenden Lichtaustrittsseite sind Streustrukturen angeordnet. Die Transport- und Umlenkoptik kann auch mehrteilig verwirklicht werden, zum Beispiel mit einem Teil, das die Lichtaustrittsfläche enthält und einem Teil, das die um 180° umlenkende Kante enthält.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19925363 A1 [0002]

Claims

Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung (40) mit einer Lichtquelle (38) und mit einem Lichtleiter (10), der eine erste Seite (12), eine der ersten Seite (12) gegenüberliegende zweite Seite (14), und zwischen einem Rand (16) der ersten Seite (12) und einem Rand (18) der zweiten Seite (14) liegende und die erste Seite (12) mit der zweiten Seite (14) verbindende Schmalseiten (20) aufweist, und der eine Licht der Lichtquelle (38) einkoppelnde und umformende Einkoppeloptik (24) aufweist, wobei die Einkoppeloptik (24) mindestens einen Reflektor (32) aufweist, der von der Lichtquelle (38) in einen Raumwinkel ausgehendes Licht umformt, und der (10) gedachte erste Ebenen und zweite Ebenen aufweist, die dadurch definiert sind, dass sie senkrecht aufeinander stehen und sich schneiden, wobei die Schnittlinien jeweils durch einen von dem Reflektor (32) ausgehenden Lichtstrahl (50, 52) definiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformung durch die Einkoppeloptik (24) so erfolgt, dass ein Öffnungswinkel von in den zweiten Ebenen liegenden Ausbreitungsrichtungen der Lichtstrahlen (50, 52) verringert wird und Öffnungswinkel von in den ersten Ebenen liegenden Ausbreitungsrichtungen nicht oder zumindest weniger stark als der Öffnungswinkel der in den zweiten Ebenen liegenden Ausbreitungsrichtungen verändert werden und dass der Lichtleiter (10) eine Transport- und Umformoptik (30) aufweist, die von der Einkoppeloptik (24) umgeformtes Licht zu einer Lichtaustrittsfläche (22) des Lichtleiters (10) transportiert, wobei die Einkoppeloptik (24) und die Transport- und Umlenkoptik (30) separate Bauteile sind.
Beleuchtungseinrichtung (40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppeloptik (24) und die Transport- und Umlenkoptik (30) aus dem gleichen Material gefertigt sind.
Beleuchtungseinrichtung (40) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppeloptik (24) als kreisförmig berandetes Bauteil ausgeführt ist.
Beleuchtungseinrichtung (40) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppeloptik (75) die Grundform eines geraden Zylinders mit halbkreisringförmiger Grundfläche besitzt.
Beleuchtungseinrichtung (40) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppeloptik (24) in ihrem Zentrum einen ersten Reflektor (32) aufweist, der die Form einer trichterförmigen Vertiefung mit kreisförmiger Grundfläche besitzt.
Beleuchtungseinrichtung (40) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung rotationssymmetrisch und konzentrisch zu dem kreisförmigen Rand der Einkoppeloptik (24) ist.
Beleuchtungseinrichtung (40) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die tiefste Stelle der Vertiefung die Form einer Spitze (34) besitzt, die in das Innere der Einkoppeloptik (24) weist.
Beleuchtungseinrichtung (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lichtauskoppelfläche (26) der Einkoppeloptik (24) kongruent zu einer Lichteinkoppelfläche (28) der Transport- und Umlenkoptik (30) ist und in Richtung der durch sie hindurchtretenden Lichtstrahlen (50, 52) direkt aneinander anschließen.
Beleuchtungseinrichtung (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtauskoppelfläche (26) der Einkoppeloptik (24) als eine senkrecht zu den ersten Ebenen und senkrecht zu den zweiten Ebenen stehende Zylindermantelfläche ausgestaltet ist.
Beleuchtungseinrichtung (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtauskoppelfläche der Einkoppeloptik in eine Vielzahl von Einzelflächen unterteilt ist, die so angeordnet und geformt sind, dass die in den ersten Ebenen liegenden Ausbreitungsrichtungen des Lichts beim Durchtritt durch eine Einzelfläche infolge Brechung verändert werden.
Beleuchtungseinrichtung (40) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtauskoppelfläche in eine Vielzahl von Einzelflächen unterteilt ist, die stufenartig so angeordnet sind, dass die Einkoppeloptik in quer zur Rotationsachse ihrer Vertiefung liegenden ersten Ebenen von Ebene zu Ebene unterschiedliche Querschnitte aufweist.
Beleuchtungseinrichtung (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transport- und Umlenkoptik (30) Strukturen (70) aufweist, die dazu geeignet und angeordnet sind, den Öffnungswinkel der in den ersten Ebenen liegenden Ausbreitungsrichtungen der Lichtstrahlen (50, 52) zu verändern.
Beleuchtungseinrichtung (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppeloptik (24, 75), die auf einem Trägerelement (46) angeordnete Lichtquelle (38) sowie ein eventuell mit dem Trägerelement (46) in thermischem Kontakt stehender Kühlkörper (62) zu einem Einkoppelmodul (66) montiert sind.
Beleuchtungseinrichtung (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppeloptik (24) Halterungsstrukturen (64) aufweist, die dazu geeignet und angeordnet sind, die Einkoppeloptik (24) am Einkoppelmodul (66) zu haltern.
Beleuchtungseinrichtung (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppeloptik (24) Positionierungselemente aufweist, die dazu geeignet und angeordnet sind die Transport- und Umlenkoptik (30) an der Einkoppeloptik (24) zu positionieren.