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Die Erfindung betrifft einen Lichtleiter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein solcher Lichtleiter ist in der
US 2007/0 268 715 A1 gezeigt. Derartige Lichtleiter werden in Beleuchtungseinrichtungen für Kraftfahrzeuge (Kfz) eingesetzt. Solche Lichtleiter weisen einen Lichteinkoppelabschnitt auf, durch welchen Licht in den Lichtleiter eingekoppelt werden kann. In dem Lichtleiter wird das Licht durch vielfache Totalreflexion an Begrenzungsflächen des Lichtleiters geleitet. Für die einzelnen Lichtstrahlen eines in den Lichtleiter geleiteten Lichtbündels können daher abschnittsweise eine Vielzahl verschiedener Ausbreitungsrichtungen auftreten. Im räumlichen Mittel jedoch wird bei der vielfachen Totalreflexion zwischen den Begrenzungsflächen das Licht in dem Lichtleiter entlang eines Strahlenganges ausgehend von dem Lichteinkoppelabschnitt geleitet.
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Bei Verwendung in einer Kfz-Beleuchtungseinrichtung soll mit dem Lichtleiter das Licht einer Lichtquelle, z. B. einer LED, in eine gewünschte Lichtverteilung umgeformt werden.
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Hierbei sind oftmals gesetzliche Anforderungen an die Lichtverteilung zu erfüllen. Die Lichtleiter sollen daher optische Funktionen zur Formung des eingekoppelten Lichtes in die gewünschte Lichtverteilung bereitstellen können. Insofern können die Lichtleiter als Primäroptikelemente in einer Beleuchtungseinrichtung eingesetzt werden.
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In Beleuchtungseinrichtungen für den Kfz-Bereich ist es außerdem oftmals erwünscht, mit dem Lichtleiter eine oder mehrere Richtungsänderungen des Strahlenganges herbeizuführen, beispielsweise da oftmals nur ein eng begrenzter Bauraum für die Kfz-Beleuchtungseinrichtung in dem Kfz zur Verfügung steht. Hierzu können die Lichtleiter als Ganzes gebogen oder gewölbt verlaufen. Solche Wölbungen oder Biegungen des Lichtleiters können jedoch dazu führen, dass die Lichtverteilung in dem Lichtleiter aufgrund von Totalreflexion an den gebogenen oder gewölbten Begrenzungsflächen in unkontrollierter Weise verändert und beeinträchtigt wird.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Lichtleiter bereitzustellen, mit dem das geleitete Licht den genannten Anforderungen entsprechend, ggf. mit Richtungsänderung, geleitet werden kann und optische Funktionalitäten zur Formung des Lichts in eine gewünschte Lichtverteilung auf kontrollierte Weise erzielt werden können.
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Diese Aufgabe wird durch einen Lichtleiter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Der Lichtleiter weist einen Lichteinkoppelabschnitt auf, welcher insbesondere eine Lichteinkoppelfläche zum Einkoppeln von Licht in den Lichtleiter umfasst. Der Lichtleiter umfasst außerdem wenigstens einen ersten, flächigen und dünnwandigen Lichtleitabschnitt und einen auf diesen im Strahlengang durch den Lichtleiter folgenden, zweiten flächigen und dünnwandigen Lichtleitabschnitt.
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Jeder Lichtleitabschnitt ist jeweils von zwei einander gegenüberliegenden, die Erstreckungsfläche des plattenartigen Lichtleiters definierenden, Begrenzungsflächen begrenzt. Die beiden gegenüberliegenden Begrenzungsflächen werden im Folgenden in eine Lichtleitfläche und eine Gegenlichtleitfläche unterschieden. Diese Unterscheidung dient jedoch nur zur individuellen Benennung der gegenüberliegenden Flächen. Insofern ist die Rolle von Lichtleitfläche und Gegenlichtleitfläche in verschiedenen Lichtleitschnitten austauschbar.
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Der erste und der zweite Lichtleitabschnitt gehen derart ineinander über, dass sich die Lichtleitfläche des ersten Lichtleitabschnitts (also die Begrenzungsfläche auf einer Seite des Lichtleitabschnitts) entlang einer Knicklinie an die Lichtleitfläche des zweiten Lichtleitabschnitts (also diejenige Begrenzungsfläche des zweiten Lichtleitabschnitts, die auf derselben Seite liegt, wie die anschließende Begrenzungsfläche des ersten Lichtleitabschnitts) anschließt. Insofern weist die von der ersten und zweiten Lichtleitfläche gebildete Oberfläche des Lichtleiters eine Knicklinie auf.
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Am Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Lichtleitabschnitt ist auf der der Knicklinie gegenüberliegenden Seite des flächigen Lichtleiters eine Umlenkfläche vorgesehen, an welche sich die Gegenlichtleitflächen des ersten und zweiten Lichtleitabschnitts anschließen. Einer der beiden entlang der Knicklinie aneinander stoßenden Lichtleitabschnitte ist gewölbt ausgebildet, und dabei sind die beiden aneinander stoßenden Lichtleitabschnitte derart in Bezug aufeinander ausgerichtet, dass die Knicklinie ebenfalls gewölbt verläuft.
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Wie erläutert ist die Benennung von Lichtleitfläche und Gegenlichtleitfläche grundsätzlich austauschbar. In jedem Fall sind die Knicklinie und die Umlenkfläche auf jeweils von gegenüberliegenden Begrenzungsflächen der aneinanderstoßenden Lichtleitabschnitte gebildet.
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In Schnitten entlang des Strahlenganges (ausgehend von dem Lichteinkoppelabschnitt durch den Lichtleiter) betrachtet, weist der Lichtleiter einen Knick auf. Der Knick folgt in der Erstreckung der Lichtleitflächen betrachtet der gewölbten Knicklinie. Dies wird dadurch erreicht, dass einer der Lichtleitabschnitte gewölbt ausgebildet ist und derart orientiert ist, dass auch die Knicklinie in der Erstreckungsfläche des Lichtleiters betrachtet entlang einer gewölbten Kontur verläuft. Die Umlenkfläche verläuft auf der der Knicklinie gegenüberliegenden Oberfläche des Lichtleiters und folgt in ihrem Verlauf dem Verlauf der Knicklinie. Die Knicklinie weist einen parabolischen Verlauf auf.
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Je nach Ausgestaltung des die Knicklinie und die Umlenkfläche umfassenden Übergangs, insbesondere je nach Wölbung der Knicklinie, kann der Übergang zwischen den Lichtleitabschnitten für ein in dem Lichtleiter geleitetes Lichtbündel bündelnd oder zerstreuend wirken. Insbesondere kann der Knick und die Umlenkfläche derart gestaltet werden, dass für jeden Strahl eines in dem Lichtleiter verlaufenden Lichtbündels eine individuelle Richtungsänderung erzielt werden kann. Damit lassen sich durch verschiedene Ausgestaltungen von Knick- und Umlenkfläche verschiedene optische Funktionalitäten erzielen, z. B. die Wirkung einer Sammellinse (in der Erstreckungsfläche des jeweiligen Lichtleitabschnitts) oder die Wirkung einer entsprechenden Zerstreuungslinse.
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Der Lichtleiter kann zwei oder mehrere der genannten Lichtleitabschnitte aufweisen, die insbesondere einstückig miteinander verbunden sind. Denkbar ist beispielsweise, dass sich die Lichtleitabschnitte in der genannten Art mit Knicklinie und gegenüberliegender Umlenkfläche aneinander anschließen. Insofern ist der Lichtleiter als Ganzes betrachtet ebenfalls ein sich flächig erstreckendes Gebilde.
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Die Lichtleitfläche und die Gegenlichtleitfläche werden von den großen, als Oberseite und Unterseite des flächigen Lichtleitabschnitts dienenden Begrenzungsflächen gebildet. Sie sind zur Lichtleitung in dem jeweiligen Lichtleitabschnitt unter interner Totalreflexion ausgebildet. Daher kann in dem Lichtleiter Licht, welches durch den Lichteinkoppelabschnitt einkoppelbar ist, unter interner Totalreflexion geleitet werden. Der Strahlengang bezeichnet dabei den gemittelten Verlauf des Lichtes ausgehend von dem Lichteinkoppelabschnitt durch den Lichtleiter, d. h. diejenige Kurve, entlang welcher im Mittel die Lichtenergie für durch den Lichteinkoppelabschnitt eingekoppeltes Licht geleitet wird, in der Art eines räumlichen Mittels über alle geleiteten Strahlen des eingekoppelten Lichtes.
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Die Umlenkfläche ist derart ausgebildet und orientiert, dass in den ersten Lichtleitabschnitt geleitetes Licht in den zweiten Lichtleitabschnitt umleitbar ist. Sie dient insofern der Überleitung des Lichtes von einem Lichtleitabschnitt in den hieran anschließenden Lichtleitabschnitt. Die Umlenkfläche ist vorzugsweise derart orientiert, dass für jeden Strahl, der in dem Lichtleiter ausgehend von dem Lichteinkoppelabschnitt geleitet wird, die Bedingung der Totalreflexion erfüllt ist, da andernfalls Licht in unerwünschter Weise aus dem Lichtleiter verloren geht.
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Die Wölbung der Umlenkfläche und der Knicklinie ist insbesondere derart ausgestaltet, dass zumindest ein Anteil der verschiedenen Strahlen eines in dem Lichtleiter geleiteten Lichtbündels (nach Einkopplung durch den Lichteinkoppelabschnitt) beim Auftreffen auf die Umlenkfläche in einer nicht senkrechten Ebene in Bezug auf die Umlenkfläche (d. h. nicht in einer Normalenebene auf die Umlenkfläche) verläuft. Dadurch kann für unterschiedliche Winkelanteile eines Lichtbündels eine jeweils unterschiedliche Richtungsänderung für die Lichtstrahlen bei der Totalreflexion an der Umlenkfläche erzielt werden. So wird z. B. eine Bündelungswirkung oder Zerstreuungswirkung für das Lichtbündel erzielt. Um dies zu erreichen, ist die Wölbung der Knicklinie und der entsprechende Verlauf der Umlenkfläche vorzugsweise von einer idealen Kreisform abweichend.
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Um eine gewölbt verlaufende Knicklinie und eine gewölbt verlaufende Umlenkfläche zu erzielen, ist einer der aneinander anschließenden Lichtleitabschnitte gewölbt ausgebildet. Dabei ist einer der Lichtleitabschnitte eben und der hieran anschließende gewölbt ausgebildet.
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Für die in der Knicklinie aneinanderstoßenden Lichtleitflächen kann z. B. in einem Punkt auf der Knicklinie ein lokaler Knickwinkel als derjenige Winkel definiert werden, welchen die beiden Lichtleitflächen im Schnitt mit der Normalenebene der Knicklinie in dem jeweiligen Punkt einschließen. Dieser lokale Knickwinkel kann grundsätzlich für verschiedene Punkte auf der Knicklinie verschieden sein, z. B. im Verlauf entlang der Knicklinie veränderlich sein.
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Denkbar ist auch eine Ausgestaltung, bei der einer der Lichtleitabschnitte schalenartig um eine gedachte Achse gewölbt ist, wobei die verschiedenen Achsen einen Winkel zueinander einschließen. Dieser Winkel bestimmt den Knickwinkel, den die Lichtleitflächen der aneinander anschließenden Lichtleitabschnitte miteinander einschließen.
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Vorzugsweise verlaufen in dem ersten und zweiten Lichtleitabschnitt, insbesondere in allen Lichtleitabschnitten des Lichtleiters, die Lichtleitfläche und die jeweils zugehörige Gegenlichtleitfläche parallel zueinander. Insofern ist jeder Lichtleitabschnitt insbesondere plattenartig, beispielsweise in der Art einer gewölbten Platte oder schalenartigen Platte, ausgebildet.
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Je nach gewünschter optischer Funktion kann der Verlauf der Knicklinie entsprechend ausgestaltet werden. Denkbar ist insbesondere, dass die Knicklinie in Bezug auf die Richtung des Strahlenganges ausgehend von dem Lichteinkoppelabschnitt konkav gewölbt ausgebildet ist, d. h. sich bauchartig entgegen der Richtung des Strahlenganges wölbt. Insofern verläuft die Knicklinie bogenartig und ist in Richtung von dem Lichteinkoppelabschnitt weg geöffnet. Insbesondere weist die Knicklinie einen sich entlang des Strahlenganges zum Lichteinkoppelabschnitt hin wölbenden, mittigen Bauchbereich und hieran anschließende, von dem Lichteinkoppelabschnitt weg weisende Endbereiche auf. Die Knicklinie hat beispielsweise eine U-förmige, gewölbte Kontur, welche in Richtung des Strahlenganges (d. h. in Richtung der Lichtausbreitung im Lichtleiter) offen ist. Mit einem derartigen Übergang zwischen den Lichtleitabschnitten kann beispielsweise der Effekt einer gezielten Aufweitung eines Lichtbündels erzielt werden.
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Denkbar ist jedoch auch, dass die Knicklinie in Bezug auf die Richtung des Strahlenganges konvex gewölbt ist, d. h. sich bauchartig in Richtung des Strahlengangs durch den Lichtleiter wölbt. Insofern verläuft die Knicklinie bogenartig und ist in Richtung zu dem Lichteinkoppelabschnitt hin geöffnet. Die Knicklinie weist dann insbesondere einen sich von dem Lichteinkoppelabschnitt weg wölbenden mittigen Bauchbereich und hieran anschließende, zu dem Lichteinkoppelabschnitt hin weisende Endbereiche auf. Insbesondere ist die Knicklinie dann U-förmig ausgebildet, wobei das „U” in Richtung des Lichtleitabschnittes hin (entgegengesetzt zum Strahlengang) offen ist.
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Die Knicklinie weist einen parabolischen Verlauf auf. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der erste und/oder der zweite Lichtleitabschnitt parabolisch gewölbt verläuft, insbesondere als Abschnitt eines schalenartigen Körpers ausgebildet ist, dessen Oberflächen durch Translation einer Parabel als Grundkurve entlang einer gedachten Achse gebildet ist (im Folgenden allgemein als parabolischer Hohlzylinder bezeichnet). Denkbar sind jedoch auch andere Grundkurven, z. B. Kreisabschnitte, Ellipsenabschnitte oder sonstige gewölbte Freiformkurven. Dabei werden die Lichtleitfläche und die Gegenlichtleitfläche des Lichtleitabschnittes von Abschnitten der Wandungen des schalenartigen Körpers gebildet. Die parabolische Ausgestaltung ermöglicht es, auf kontrollierte Weise eine Bündelungswirkung in der Art einer Sammellinse oder eine Zerstreuungswirkung in der Art einer Zerstreuungslinse für die in dem Lichtleiter geleiteten Lichtbündel zu erzielen.
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Denkbar ist beispielsweise, dass der erste Lichtleitabschnitt sich eben erstreckend ausgebildet ist und der zweite Lichtleitabschnitt als Abschnitt eines schalenartigen Körpers der genannten Art ausgebildet ist, der sich um eine Achse wölbt. Der Abschnitt des schalenartigen Körpers kann derart gewählt sein, dass die Wölbung des zweiten Lichtleitabschnitts in Richtung von dem ersten Lichtleitabschnitt weg offen ist. In diesem Fall liegt die gedachte Achse auf der dem ersten Lichtleitabschnitt gegenüberliegenden Seite des zweiten Lichtleitabschnitts.
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Denkbar ist jedoch auch, dass die Wölbung des zweiten Lichtleitabschnitts in Richtung zu dem ersten Lichtleitabschnitt hin offen ist, d. h. dass die gedachte Achse und der erste Lichtleitabschnitt auf derselben Seite des zweiten Lichtleitabschnitts liegen. Der Winkel, welchen die Achse mit der gedachten Erstreckungsebene des ersten Lichtleitabschnitts einschließt, ist insbesondere größer als 0° und kleiner als 90°, vorzugsweise um 45° gewählt.
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Nach einem grundsätzlichen Aspekt der Erfindung schließen die Lichtleitflächen der sich aneinander anschließenden Lichtleitabschnitte einen Knickwinkel miteinander ein, welcher vorzugsweise größer als 90° und kleiner als 180° ist. Der Knickwinkel ist dabei derjenige Winkel zwischen den Lichtleitflächen, welcher in Schnitten entlang des Strahlenganges betrachtet zwischen den aneinander stoßenden Lichtleitflächen an der Knicklinie eingeschlossen wird. Dabei würde ein Knickwinkel von 180° einem im vorliegenden Fall nicht betrachteten, knickfreien Übergang entsprechen. Bei einem entlang des Strahlengangs gekrümmten Verlauf der Lichtleitflächen ist der Knickwinkel durch den Winkel zwischen den Tangenten an die Lichtleitflächen in der Position der Knicklinie definiert.
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Die Umlenkfläche und die Lichtleitflächen der aneinander angrenzenden Lichtleitabschnitte sind vorzugsweise derart in Bezug aufeinander orientiert, dass eine durch die Knicklinie verlaufende Normalenfläche auf die Umlenkfläche (also eine senkrecht zu der Umlenkfläche orientierte und durch die Knicklinie verlaufende Fläche) eine Winkelhalbierende des Knickwinkels bildet. Wenn der Knickwinkel zwischen 90° und 180° gewählt ist, so führt die genannte Ausgestaltung dazu, dass für die üblicherweise für Lichtleiter eingesetzten Materialien, wie beispielsweise Glas, Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC) oder andere transparente Kunststoffe, die Bedingung der Totalreflexion an der Umlenkfläche stets erfüllt werden kann.
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Vorzugsweise verläuft die Umlenkfläche in Schnitten entlang des Strahlenganges ausgehend von dem Lichteinkoppelabschnitt durch den Lichtleiter eben. Für die in dem Lichtleiter geleiteten Strahlen wirkt eine derartige Umlenkfläche als ebene Spiegelfläche, was zu leicht beherrschbaren optischen Eigenschaften führt. In der Erstreckungsfläche betrachtet jedoch verläuft die Umlenkfläche gewölbt, da sie dem Verlauf der Knicklinie folgt.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung schließt sich die Gegenlichtleitfläche des ersten Lichtleitabschnitts ebenfalls entlang einer Knicklinie, nämlich einer Umlenkknicklinie, an die Umlenkfläche an. Alternativ hierzu oder zusätzlich hierzu kann sich die Gegenlichtleitfläche des zweiten Lichtleitabschnitts entlang einer Umlenkknicklinie an die Umlenkfläche anschließen. Die Umlenkfläche verläuft insbesondere streifenförmig und weist an ihrem Übergang in die Gegenlichtleitflächen des ersten und/oder zweiten Lichtleitabschnitts die genannte Umlenkknicklinie auf.
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Die Gegenlichtleitflächen des ersten und zweiten Lichtleitabschnitts schließen sich grundsätzlich an gegenüberliegenden Seiten der Umlenkfläche an diese an.
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Zur Auskopplung des in dem Lichtleiter geleiteten Lichtes sind verschiedene Maßnahmen denkbar. Beispielsweise ist vorgesehen, dass der zweite Lichtleitabschnitt oder ein weiterer, im Strahlengang durch den Lichtleiter nachfolgender Lichtleitabschnitt, eine sich zwischen der jeweiligen Lichtleitfläche und der jeweiligen Gegenlichtleitfläche erstreckende, schmale Randfläche aufweisen. Diese wirkt als Lichtauskoppelfläche, d. h. ist derart ausgebildet, dass das in dem Lichtleiter geleitete Licht ggf. unter Brechung durch die Randfläche auskoppelbar ist. Die Randfläche ist vorzugsweise als eine schmale, streifenartige Fläche ausgebildet, die sich zwischen den großen Oberflächen des Lichtleitabschnitts (gebildet von Lichtleitfläche und Gegenlichtleitfläche) erstreckt.
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Eine gezielte Auskopplung von Licht aus dem Lichtleiter kann auch dadurch erreicht werden, dass an der Lichtleitfläche und/oder der Gegenlichtleitfläche eines Lichtleitabschnitts Auskoppelelemente angeordnet sind. Die Auskoppelelemente sind vorzugsweise mit dem Lichtleiter einstückig verbunden. Sie sind z. B. als über die Lichtleitfläche bzw. die Gegenlichtleitfläche hervorstehende Körper, insbesondere prismenartige Ansatzkörper, ausgebildet.
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Zur Einkopplung von Licht in den Lichtleiter kann eine Randfläche eines im Strahlengang zuvorderst angeordneten, flächigen oder plattenartigen Lichtleitabschnitt dienen. Insbesondere ist denkbar, dass der Lichteinkoppelabschnitt von einer schmalen Randfläche eines ebenen, plattenartigen Lichtleitabschnitts gebildet ist. Ein anderer Bereich der Randfläche kann als Reflexionsfläche zur Umlenkung des eingekoppelten Lichtes genutzt werden. Hierzu kann insbesondere ein Abschnitt der Randfläche parabelförmig verlaufen.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Lichtleiter und/oder alle seine Lichtleitabschnitte spiegelsymmetrisch zu einer Symmetrieebene ausgebildet, welche sich durch den Lichteinkoppelabschnitt und entlang des Strahlenganges erstreckt. Die Spiegelebene wird insbesondere von einer Längsmittelebene entlang des Strahlenganges gebildet. Denkbar ist jedoch auch, dass der Lichtleiter nicht spiegelsymmetrisch ausgebildet ist. Dadurch kann der Strahlengang durch den Lichtleiter in laterale Richtungen gekrümmt werden.
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Grundsätzlich kann der Lichtleiter eine Mehrzahl von im Strahlengang aufeinander folgenden, flächigen und einstückig miteinander verbundenen Lichtleitabschnitten aufweisen. Die Lichtleitflächen aufeinander folgender Lichtabschnitte schließen sich, wie vorstehend erläutert, entlang einer gewölbt verlaufenden Knicklinie aneinander an. Am Übergang zwischen den jeweiligen, aufeinanderfolgenden Lichtleitabschnitten ist jeweils eine der jeweiligen Knicklinie gegenüberliegende Umlenkfläche der vorstehend beschriebenen Art vorgesehen.
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An die Umlenkfläche schließen sich die Gegenlichtleitflächen der jeweils in der gegenüberliegenden Knicklinie aneinander grenzenden Lichtleitabschnitte an.
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Der Übergang zwischen den aufeinander folgenden Lichtleitabschnitten kann wie vorstehend für den sogenannten ersten und den zweiten Lichtleitabschnitt beschrieben ausgestaltet sein. Insbesondere ist jeweils zumindest einer der aufeinander folgenden Lichtleitabschnitte gewölbt ausgebildet, beispielsweise als Abschnitt eines parabolischen Hohlzylinders.
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Dadurch, dass der Lichtleiter mehrere aufeinander folgende Lichtleitabschnitte mit der beschriebenen Ausgestaltung der Übergänge aufweist, ist es möglich, für die in dem Lichtleiter geleiteten Lichtbündel die Wirkungen eines komplexen optischen Systems bereitzustellen. So kann beispielsweise ein erster Übergang zwischen zwei aufeinander folgenden Lichtleitabschnitten als bündelnde Optik für ein in dem Lichtleiter geleitetes Lichtbündel wirken. Ein hierauf folgender Übergang kann beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass auf kontrollierte Weise eine Divergenz erzeugt werden kann. So kann effektiv die Wirkung eines Systems aus einer Sammel- und Zerstreuungslinse auf kompaktem Bauraum in dem Lichtleiter erzielt werden.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert.
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Es zeigen:
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1 einen erfindungsgemäßen Lichtleiter in perspektivischer Darstellung;
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2 den Lichtleiter gemäß 1 in Draufsicht;
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3 einen Längsmittelschnitt durch den Lichtleiter gemäß 1 oder 2;
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4 eine weitere Ausführungsform eines Lichtleiters in perspektivischer Darstellung;
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5 Draufsicht auf den Lichtleiter gemäß 4;
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6 Seitenansicht des Lichtleiters gemäß 4 und 5.
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In der nachfolgenden Beschreibung sowie in den Figuren sind für identische oder einander entsprechende Merkmale jeweils dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Die 1 bis 3 zeigen einen Lichtleiter 10. Zum Aufbau einer Beleuchtungseinrichtung wird dieser beispielsweise als Vorsatzoptik zu einer skizzierten Lichtquelle 11 verwendet.
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Der Lichtleiter 10 umfasst einen Lichteinkoppelabschnitt 12. Dieser ist im dargestellten Beispiel als dünnwandiger, plattenartiger und sich eben erstreckender Lichtleitabschnitt des Lichtleiters 10 ausgebildet. Der Lichteinkoppelabschnitt 12 ist im dargestellten Beispiel von einer sich eben erstreckenden, großen Lichtleitfläche 14 und einer parallel zu dieser verlaufenden Gegenlichtleitfläche 16 begrenzt. Die Lichtleitfläche 14 und die Gegenlichtleitfläche 16 verlaufen in einem Abstand zueinander, der sehr viel geringer ist, als die Abmessungen des Lichteinkoppelabschnitts 12 in seiner Erstreckungsebene.
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Zwischen der Lichtleitfläche 14 und der Gegenlichtleitfläche 16 des Lichteinkoppelabschnitts 12 erstreckt sich eine schmale, streifenartige Lichteinkoppelfläche 18. Die Lichtquelle 11 ist derart in Bezug auf den Lichtleiter 10 angeordnet, dass das von der Lichtquelle 11 abstrahlbare Licht durch die Lichteinkoppelfläche 18 in den Lichtleiter eingekoppelt werden kann, und unter mehrfacher Totalreflexion zwischen der Lichtleitfläche 14 und der Gegenlichtleitfläche 16 in dem Lichtleiter 10 geleitet werden kann. Die Lichtleitung in dem Lichtleiter 10 erfolgt dabei im räumlichen Mittel betrachtet entlang eines angedeuteten Strahlenganges 20.
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Im Strahlengang 20 auf den Lichteinkoppelabschnitt 12 folgt im dargestellten Beispiel ein sogenannter erster Lichtleitabschnitt 22. Die Bezeichnung als erster Lichtleitabschnitt dient im vorliegenden Zusammenhang lediglich dazu, den Lichtleitabschnitt 22 von dem unmittelbar auf ihn folgenden, sogenannten zweiten Lichtleitabschnitt zu unterscheiden. Es ist nicht ausgeschlossen, dass im Strahlengang vor dem ersten Lichtleitabschnitt 22 bereits weitere Lichtleitabschnitte des Lichtleiters 10 vorgesehen sind, wie beispielsweise der Lichteinkoppelabschnitt 12.
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Der erste Lichtleitabschnitt 22 kann plattenartig und sich eben erstreckend ausgebildet sein (vgl. 1 bis 3). Denkbar sind jedoch auch gewölbte Ausgestaltungen.
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Auch der erste Lichtleitabschnitt 22 ist von einer sich eben erstreckenden, großen Lichtleitfläche 14 und einer dieser gegenüberliegenden Gegenlichtleitfläche 16 begrenzt. Die Bezeichnungen Lichtleitfläche 14 und Gegenlichtleitfläche 16 dienen nur der Unterscheidung der beiden Begrenzungsflächen. Grundsätzlich können im vorliegenden Zusammenhang die Lichtleitfläche und die Gegenlichtleitfläche ihre Rolle tauschen.
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Der erste Lichtleitabschnitt 22 erstreckt sich in einer Ebene, die in Bezug auf die Erstreckungsebene des Lichteinkoppelabschnitts 12 geneigt ist. Da sowohl der Lichteinkoppelabschnitt 12 als auch der erste Lichtleitabschnitt 22 eben ausgebildet sind, gehen die Lichtleitfläche 14 des Lichteinkoppelabschnitts 12 und die Lichtleitfläche 14 des ersten Lichtleitabschnitts 22 entlang einer Knicklinie 24 ineinander über, welche sich gerade erstreckt. Zur Umlenkung von Licht aus dem Lichteinkoppelabschnitt 12 in den ersten Lichtleitabschnitt 22 bilden die Gegenlichtleitflächen 16 des Lichteinkoppelabschnitts 12 und des ersten Lichtleitabschnitts 22 am Übergang zwischen dem Lichteinkoppelabschnitt 12 und dem ersten Lichtleitabschnitt 22 eine sich bandartig und eben erstreckende Reflexionsfläche 26, die der geraden Knicklinie 24 in Bezug auf den Lichtleiter gegenüberliegend verläuft.
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An den ersten Lichtleitabschnitt 22 schließt sich in Richtung des Strahlenganges 20 ein zweiter Lichtleitabschnitt 28 einstückig an, welcher wiederum einerseits von einer Lichtleitfläche 14 und andererseits von einer zu dieser parallel verlaufenden Gegenlichtleitfläche 16 begrenzt ist.
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Im dargestellten Beispiel ist der zweite Lichtleitabschnitt 28 als Ganzes gewölbt ausgebildet, nämlich als Abschnitt eines dünnwandigen, parabolischen Hohlzylinders. Der den zweiten Lichtleitabschnitt 28 bildende Abschnitt dieses gedachten Hohlzylinders wölbt sich in Bezug auf den entgegen dem Strahlengang 20 zurückliegenden Lichteinkoppelabschnitt 12 konvex.
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Der zweite Lichtleitabschnitt 28 schließt sich einstückig an den ersten Lichtleitabschnitt 22 an. Dabei ist der zweite Lichtleitabschnitt 28 derart in Bezug auf den ersten Lichtleitabschnitt 22 orientiert, dass die Gegenlichtleitfläche 16 des ersten Lichtleitabschnitts 22 in ihrem Übergang zu der Gegenlichtleitfläche 16 des zweiten Lichtleitabschnitts 28 eine Knicklinie 30 bildet. Insofern schließen sich die beiden Gegenlichtleitflächen 16 entlang der Knicklinie 30 aneinander an. Auch hier ist anzumerken, dass die Benennung als Gegenlichtleitfläche 16 lediglich exemplarisch ist, und nur zur Unterscheidung von der gegenüberliegenden Lichtleitfläche 14 dient. Die Fläche 16 des Lichtleitabschnitts 22 und des folgenden Lichtleitabschnitts 28 könnte ebenso als Lichtleitfläche bezeichnet werden, wobei die dann gegenüberliegende Fläche 14 eine sogenannte Gegenlichtleitfläche wäre.
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Da im dargestellten Beispiel der zweite Lichtleitabschnitt 28 gewölbt verläuft, weist auch die Knicklinie 30 einen gewölbten Verlauf auf. Der im Beispiel parabolische Verlauf des zweiten Lichtleitabschnitts 28 führt dazu, dass auch die Knicklinie 30 parabelförmig verläuft, wobei die Parabel in Richtung entgegengesetzt zum Strahlengang 20, d. h. zu dem Lichteinkoppelabschnitt 12 hin geöffnet ist.
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Der Knicklinie 30 gegenüberliegend, d. h. auf Seiten der Lichtleitflächen 14, ist am Übergang zwischen dem ersten Lichtleitabschnitt 22 und dem zweiten Lichtleitabschnitt 28 eine Umlenkfläche 32 vorgesehen. Diese ist dazu ausgebildet, das in dem ersten Lichtleitabschnitt 22 geleitete Licht unter interner Totalreflexion an der Umlenkfläche 32 in den zweiten Lichtleitabschnitt 28 umzulenken. An die Umlenkfläche 32 schließt sich einerseits die Lichtleitfläche 14 des ersten Lichtleitabschnitts 22 an, andererseits die Lichtleitfläche 14 des zweiten Lichtleitabschnitts 28.
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Die Umlenkfläche 32 ist in Schnitten entlang des Strahlengangs 20 insbesondere eben ausgebildet. Sie ist vorzugsweise derart orientiert, dass sie in Schnitten entlang des Strahlenganges 30 betrachtet, den Winkel der (in diesen Schnitten gerade verlaufenden) Erstreckungsrichtungen des ersten Lichtleitabschnitts 22 und des zweiten Lichtleitabschnitts 28 halbiert. Diese Ausgestaltung führt im dargestellten Beispiel dazu, dass am Übergang zwischen der Umlenkfläche 32 und der Lichtleitfläche 14 des ersten Lichtleitabschnitts 22 und ebenso am Übergang zwischen der Umlenkfläche 32 und der Lichtleitfläche 14 des zweiten Lichtleitabschnitts 28 eine Umlenkknicklinie 34 gebildet ist.
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Im Strahlengang 20 auf den zweiten Lichtleitabschnitt 28 folgend schließt sich bei dem dargestellten Beispiel ein sogenannter dritter Lichtleitabschnitt 36 einstückig an. Auch der dritte Lichtleitabschnitt 36 ist dünnwandig und im dargestellten Beispiel plattenartig ausgebildet und von einer sich eben erstreckenden Lichtleitfläche 14 und andererseits von einer hierzu parallel verlaufenden Gegenlichtleitfläche 16 begrenzt.
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Die Lichtleitfläche 14 des zweiten Lichtleitabschnitts 28 schließt sich in einer Knicklinie 30 an die Lichtleitfläche 14 des dritten Lichtleitabschnitts 36 an. Aufgrund der parabolischen Ausgestaltung des zweiten Lichtleitabschnitts 28 verläuft auch die Knicklinie 30 zwischen dem zweiten Lichtleitabschnitt 28 und dem dritten Lichtleitabschnitt 36 gekrümmt, nämlich parabelförmig und in Richtung zu dem Lichteinkoppelabschnitt 12 hin geöffnet.
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Der Knicklinie 30 gegenüberliegend, d. h. hier auf Seiten der Gegenlichtleitflächen 16, ist wiederum eine Umlenkfläche 32 vorgesehen. Diese ist dazu eingerichtet, das in dem zweiten Lichtleitabschnitt 28 geführte Licht in den dritten Lichtleitabschnitt 36 umzulenken. Die Benennung als zweiter Lichtleitabschnitt und dritter Lichtleitabschnitt ist auch in diesem Fall nicht einschränkend zu verstehen. Insofern kann auch der sogenannte zweite Lichtleitabschnitt 28 die Rolle eines ersten Lichtleitabschnittes im Sinne der vorliegenden Erfindung einnehmen, und der dritte Lichtleitabschnitt 36 die Rolle eines sogenannten zweiten Lichtleitabschnitts.
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Durch die Ausgestaltung des Lichtleiters 10 kann für die durch den Lichteinkoppelabschnitt 12 eingekoppelten Lichtbündel die Wirkung eines optischen Systems mit kontrollierter Bündelung und nachfolgender definierter Zerstreuung des Lichtbündels bereitgestellt werden. Dies ist in der 2 anhand von gestrichelt dargestellten Lichtwegen verdeutlicht.
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Durch den parabolischen Verlauf der Knicklinie 30 und der zugeordneten Umlenkfläche 32 beim Übergang zwischen dem ersten, ebenen Lichtleitabschnitt 22 zu dem zweiten, parabolischen Lichtleitabschnitt 28 findet eine Bündelung des zunächst divergierend verlaufenden Lichtbündels statt. Beim darauffolgenden Übergang von dem parabolisch gewölbten Lichtleitabschnitt 28 zu dem sogenannten dritten Lichtleitabschnitt 36 wiederum findet eine (im dargestellten Beispiel schwächere) Zerstreuung des Lichtbündels statt. Im Ergebnis wird ein nahezu parallelisiertes Lichtbündel durch eine schmale Randfläche 38 des abschließenden Lichtleitabschnitts 36 ausgekoppelt. Insofern wirkt die sich zwischen Lichtleitfläche 14 und Gegenlichtleitfläche 16 erstreckende, schmale Randfläche 38 des abschließenden Lichtleitabschnitts 36 als Lichtauskoppelfläche des Lichtleiters 10.
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In den 4 bis 6 ist ein Lichtleiter 50 als weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Der Lichtleiter 50 umfasst einen ersten Lichtleitabschnitt 22, welcher plattenartig und eben erstreckend ausgebildet ist. Ein rückwärtiger Bereich des ersten Lichtleitabschnitts 22 dient als Lichteinkoppelabschnitt 12, der z. B. eine Lichteinkoppelfläche 18 aufweist.
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An den ersten Lichtleitabschnitt 22 schließt sich entlang des Strahlenganges 20 einstückig ein zweiter Lichtleitabschnitt 28 an. Der zweite Lichtleitabschnitt 28 ist gewölbt ausgebildet, in der Art eines schalenartigen Körpers ausgebildet. Anders als bei der Ausgestaltung gemäß den 1 bis 3 ist der zweite Lichtleitabschnitt 28 in Bezug auf den Lichteinkoppelabschnitt 12 (d. h. in Bezug auf die Richtung entgegen des Strahlengangs 20) konkav gewölbt, d. h. der den Lichtleitabschnitt 28 definierende schalenartige Körpers ist in Richtung von dem Lichtleitabschnitt 12 weg geöffnet. Im dargestellten Beispiel weitet sich der schalenartige Körper in seinem Verlauf ausgehend von der Knickline 30 insofern auf, als dass die Krümmung in Schnitten senkrecht zum Strahlengang bei Fortschreiten entlang des Strahlenganges abnimmt.
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An den Lichtleitabschnitt 28 schließt sich im Strahlengang 20 folgend ein weiterer (hier: dritter) Lichtleitabschnitt 36 an. Auch der Lichtleitabschnitt 36 ist in Schnitten senkrecht zum Strahlengang 20 betrachtet gewölbt, insbesondere parabolisch gewölbt, ausgebildet, wobei die Wölbung schwächer ausgeprägt ist, als bei dem Lichtleitabschnitt 28.
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Die Lichtleitabschnitte 22, 28, 36 sind dünnwandig und sich flächig erstreckend ausgebildet. Jeder der Lichtleitabschnitte 22, 28, 36 ist von einer Lichtleitfläche 14 und einer sich zu dieser im Wesentlichen parallel erstreckenden Gegenlichtleitfläche 16 begrenzt (wobei die Benennung als Lichtleitfläche und Gegenlichtleitfläche wiederum vertauschbar ist).
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Die Lichtleitfläche 14 des ersten Lichtleitabschnitts 22 schließt sich entlang einer gewölbten Knicklinie 30 an die Lichtleitfläche 14 des zweiten Lichtleitabschnitts 28 an. Anders als in den 1 bis 3 ist die Knicklinie 30 in Bezug auf den Lichteinkoppelabschnitt 12 konkav gewölbt, d. h. die Knicklinie 30 hat in etwa die Form eines in Richtung von dem Lichteinkoppelabschnitt 12 weg geöffneten „U”.
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Der Knicklinie 30 zwischen dem ersten Lichtleitabschnitt 22 und dem zweiten Lichtleitabschnitt 28 gegenüberliegend, d. h. auf Seiten der Gegenlichtleitflächen 16, ist eine Umlenkfläche 32 zur Umlenkung des Lichts aus dem ersten Lichtleitabschnitt 22 in den zweiten Lichtleitabschnitt 28 vorgesehen. Zu den Details der Ausgestaltungen der Umlenkfläche 32 wird auf die Erläuterungen zu den 1 bis 3 verwiesen, wo die Umlenkfläche auf Seiten der Fläche 14 gebildet ist.
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Der zweite Lichtleitabschnitt 28 ist derart in Bezug auf den ersten Lichtleitabschnitt 22 orientiert, dass die Lichtleitflächen 14 im Bereich der Knicklinie in Schnitten entlang des Strahlengangs 20 betrachtet, einen Knickwinkel α einschließen, welcher zwischen 90° und 180° liegt (im dargestellten Beispiel ca. 130°). Die der Knicklinie gegenüberliegende Umlenkfläche 32 (in den 4 bis 6 nicht im Detail dargestellt) ist vorzugsweise derart orientiert, dass eine durch die Knicklinie verlaufende Normalenfläche auf die Umlenkfläche eine Winkelhalbierende des Knickwinkels α bildet.
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Auch der dritte Lichtleitabschnitt 36 schließt sich derart an den zweiten Lichtleitabschnitt 28 an, dass zwischen Begrenzungsflächen der aneinander grenzenden Lichtabschnitte, hier zwischen den Gegenlichtleitflächen 16 des Lichtleitabschnitts 28 und des Lichtleitabschnitts 36, eine Knicklinie 30 gebildet ist. Auch diese Knicklinie 30 wölbt sich im dargestellten Beispiel parabelförmig von dem Lichteinkoppelabschnitt 12 weg.
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Wie in den 4 und 5 erkennbar, kann durch den Übergang zwischen dem ersten Lichtleitabschnitt 22 und dem zweiten Lichtleitabschnitt 28 aufgrund des gewölbten Verlaufs der Knicklinie 30 und der zugehörigen Umlenkfläche 32 die Wirkung einer Zerstreuungsoptik für die in dem Lichtleiter geleiteten Lichtbündel bereitgestellt werden. Insofern weist ein durch den Lichteinkoppelabschnitt 12 in den ersten Lichtleitabschnitt 22 eingekoppeltes Lichtbündel nach Übergang in den zweiten Lichtleitabschnitt 28 eine stärkere Divergenz auf. Demgegenüber hat der Übergang zwischen dem zweiten Lichtleitabschnitt 28 und dem darauf folgenden Lichtleitabschnitt 36 eine andere Wirkung. Da der folgende Lichtleitabschnitt 36 zwar ebenfalls parabolisch gewölbt ist, jedoch eine geringere Krümmung aufweist, als der vorausgehende zweite Lichtleitabschnitt 28, und da die am Übergang gebildete Knicklinie 30 zwischen den aneinander anschließenden Gegenlichtleitflächen 16 einen in Bezug auf den Lichteinkoppelabschnitt 12 parabolisch gewölbten Verlauf aufweist, werden die in dem zweiten Lichtleitabschnitt 28 divergierend verlaufenden Lichtbündel durch die Umlenkung an der Umlenkfläche 32 derart gebündelt, dass in dem abschließenden Lichtleitabschnitt 36 innerhalb der Erstreckungsfläche des Lichtleitabschnitts 36 betrachtet ein nahezu parallelisiertes Lichtbündel vorliegt.
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Insofern hat der erste Knick zwischen dem ersten Lichtleitabschnitt 22 und dem zweiten Lichtleitabschnitt 28 die Wirkung einer Zerstreuungsoptik, der zweite Knick zwischen dem zweiten Lichtleitabschnitt 28 und dem dritten Lichtleitabschnitt 36 hingegen die Wirkung einer Sammeloptik. Insgesamt wandelt der Lichtleiter 50 ein durch den Lichteinkoppelabschnitt 12 eingekoppeltes, divergierendes Lichtbündel nach einem Aufweitungsschritt (Übergang am ersten Knick) in ein nahezu parallelisiertes Lichtbündel um, das in einem gewölbt verlaufenden, dünnwandigen und flächigen Lichtleitabschnitt 36 verläuft.
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Die beschriebene Ausgestaltung der Übergänge zwischen den verschiedenen Lichtleitabschnitten 22, 28, 36 und ggf. weiteren hieran anschließenden Lichtleitabschnitten ermöglicht es daher, für die in dem Lichtleiter geleiteten Lichtbündel die Funktionalitäten verschiedener optischer Einrichtungen wie sammelnden Linsen oder streuenden Linsen bereitzustellen. Gleichzeitig können mit den beschriebenen Ausgestaltungen Richtungsänderungen für das in dem Lichtleiter geleitete Licht erzielt werden.
