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Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung mit wenigstens einer Lichtquelle und einem Lichtleiter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Im Bereich der Kfz-Beleuchtungseinrichtungen ist die Verwendung von als Rotationskörper bzw. als Abschnitte von Rotationskörpern ausgebildeten Lichtleitern bekannt. Die zugrunde liegenden Rotationskörper können dadurch definiert werden, dass eine Basislinie oder Basisfläche um eine Rotationsachse rotiert wird, wobei die tatsächlichen Begrenzungsflächen des Lichtleiters dem geometrischen Verlauf der gedachten Rotationsflächen folgen. Eine mit einem als Rotationskörper ausgebildeten Lichtleiter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgestattete Beleuchtungseinrichtung ist beispielsweise aus der
JP 2004 311162 A1 bekannt.
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Auch die
DE 101 40 692 A1 zeigt eine Beleuchtungseinrichtung mit einem Lichtleiter, der als Abschnitt eines Rotationskörpers ausgebildet ist. Bekannt ist außerdem die Verwendung von sogenannten Topflinsen, wie sie beispielsweise in der
DD 21 907 A beschrieben sind, welche grundsätzlich als Rotationskörper ausgebildet sind, die eine im Wesentlichen kegelartige Ausnehmung aufweisen, die über eine Lichtquelle gestülpt werden kann.
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Lichtleiter nutzen das Prinzip der internen Totalreflexion.
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Hierzu verlaufen die als Lichtleitflächen wirkenden Begrenzungsflächen des Lichtleiters derart, dass für die durch eine Lichteinkoppelfläche in den Lichtleiter eintretenden Lichtstrahlen beim Auftreffen auf die Lichtleitflächen jeweils die Winkelbedingung der Totalreflexion weitgehend erfüllt ist. Das in den Lichtleiter geleitete Licht wird dann in der Regel durch vielfache interne Totalreflexion zwischen den jeweils gegenüberliegenden Lichtleitflächen des Lichtleiters von der Lichteinkoppelfläche weggeleitet.
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Bei der Verwendung von solchen Lichtleitern in modernen Kfz-Beleuchtungsvorrichtungen besteht oftmals die Anforderung, das eingekoppelte Licht mit mehrfacher Richtungsänderung durch beengte Bauraumverhältnisse zu führen, wie sie beispielsweise in einem Scheinwerfergehäuse vorliegen können. Ferner ist es erwünscht, dass aus dem Lichtleiter nach der gewünschten Umlenkung des Lichts eine Lichtverteilung mit der für die Zwecke der Kfz-Beleuchtungsvorrichtung nutzbaren Intensitätsverteilung ausgekoppelt werden kann.
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Die mit dem Prinzip der Lichtleitung verbundenen vielfachen Totalreflexionen an den Begrenzungsflächen des Lichtleiters sind in der Regel damit verbunden, dass die Winkelabhängigkeit der Intensitätsverteilung des durch die Lichteinkoppelfläche eintretenden Lichtes bei der Weiterleitung stark verändert wird. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Lichtbündel durch vielfache interne Totalreflexion an den in verschiedenen Winkeln zueinander ausgerichteten Seitenwänden gleichsam durchmischt werden. Dieser Effekt kann es problematisch machen, aus solchen Lichtleitern eine Abstrahllichtverteilung mit einer gewünschten, kontrollierten Intensitätsverteilung auszukoppeln.
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DE 10 2013 204 620 A1 zeigt eine Beleuchtungsvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einer Kfz-Beleuchtungsvorrichtung das von der Lichtquelle ausgestrahlte Licht effizient umzuleiten, und insbesondere auch bei beengten Bauraumbedingungen unter weitgehendem Erhalt der Ordnung der eingekoppelten Lichtbündel untereinander in eine vorgegebene Richtung und in eine gewünschte Lichtverteilung umzulenken.
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Diese Aufgabe wird durch eine Beleuchtungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Die Beleuchtungseinrichtung umfasst wenigstens eine Lichtquelle sowie einen dünnwandigen Lichtleiter, welcher eine der Lichtquelle zugeordnete Lichteinkoppelfläche aufweist. Der dünnwandige Lichtleiter ist von zwei einander gegenüberliegend und insbesondere gewölbt verlaufenden großen Lichtleitflächen sowie von sich zwischen den Lichtleitflächen erstreckenden, den Rand des gewölbten Lichtleiters bildenden, Schmalseiten begrenzt.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der geometrische Verlauf einer der beiden Lichtleitflächen einer Fläche folgt, die sich dadurch ergibt, dass zunächst eine Rotationsgrundfläche definiert wird, indem eine zumindest abschnittsweise gekrümmt verlaufende Basislinie um eine Rotationsachse rotiert wird, und dann die dadurch gebildete Rotationsgrundfläche einer Skalierung bezüglich einer Skalierungsebene unterworfen wird, insbesondere einer Streckung von der Skalierungsebene weg oder einer Stauchung zu der Skalierungsebene hin. Der Verlauf der jeweils anderen Lichtleitfläche ist dann dadurch festgelegt, dass der Lichtleiter eine konstante Wandstärke zwischen den beiden Lichtleitflächen aufweist.
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Die geometrische Konstruktion mit einer Rotation der zumindest abschnittsweise gekrümmten Basislinie führt dazu, dass die erste Lichtleitfläche doppelt gewölbt bzw. gekrümmt ist, nämlich einerseits durch den abschnittsweise gekrümmten Verlauf der Basislinie, andererseits durch die Rotation um die Rotationsachse. Insofern wölbt sich die Rotationsgrundfläche bezüglich zweier Ebenen im Raum. Durch diese Ausgestaltung kann ein unerwünschter Einfluss von lateralen Begrenzungswänden vermieden werden, die wie eingangs beschrieben zu einer winkelmäßigen Durchmischung der in dem Lichtleiter geführten Lichtverteilung führen können. Insbesondere ist der Lichtleiter derart gewählt, dass keine Totalreflexion an den den Lichtleiter randseitig begrenzenden Schmalseiten erfolgt, sondern nur an den Lichtleitflächen. Für die Winkelabhängigkeit der Intensitätsverteilung des in dem Lichtleiter geführten Lichts ergibt sich daher ein leicht nachvollziehbarer Verlauf. In diesem Fall erfolgt interne Totalreflexion nur an solchen Flächen, die durch Rotation und anschließende Skalierung erzeugt werden. Eine Durchmischung durch laterale Seitenflächen kann vermieden werden, so dass die Winkelverteilung des eingekoppelten Lichts weitgehend erhalten bleibt. Durch die Wölbung des Lichtleiters kann die Lichtverteilung in eine gewünschte Richtung umgelenkt werden. Dabei kann der dünnwandige Lichtleiter auf den Bereich zugeschnitten werden, der bei Einkopplung von Licht durch die Lichteinkoppelfläche von Licht durchflutet ist. Insbesondere können die den Rand bildenden Schmalseiten derart verlaufen, dass der zur Verfügung stehende Bauraum effizient genutzt werden kann. Dies kann so geschehen, dass keine Reflexion an den Schmalseiten zur Lichtleitung erforderlich ist. Dadurch ist eine Leitung der Lichtverteilung ohne Qualitätseinbußen möglich und ein geordneter Strahlungsverlauf bleibt erhalten.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung führt auch zu weiteren vorteilhaft nutzbaren Eigenschaften des Lichtleiters. Grundsätzlich können die von der Lichtquelle durch die Lichteinkoppelfläche in den Lichtleiter eingekoppelten Lichtstrahlen im Innern des Lichtleiters zunächst ein divergierendes Lichtbündel bilden. Aufgrund der Ausgestaltung als skalierter Rotationskörper werden die Lichtstrahlen des divergierenden Lichtbündels durch Totalreflexion zwischen den gegenüberliegenden Lichtleitflächen des dünnwandigen, gewölbten Lichtleiters geleitet und umgelenkt, so dass bei geeigneter Wölbung die geleiteten Lichtstrahlen in einem Nutzbereich des Lichtleiters nicht mehr divergieren, sondern im Wesentlichen parallelisiert sind. Dies ist darauf zurückzuführen, dass aufgrund der mehrfachen Wölbung die zunächst divergierend verlaufenden Lichtbündel nach Umlenkung bzw. Richtungsänderung in dem dünnwandigen Lichtleiter auf parallelisierte Bahnen gelenkt werden. Dies kann ausgenutzt werden, um die Lichtverteilung für die Zwecke der Beleuchtungsvorrichtung zu nutzen, z.B. indem an dem genannten Nutzbereich Auskoppelflächen vorgesehen sind oder eine Überleitung in einen Lichtleitabschnitt zur geordneten Weiterleitung des Lichts erfolgt.
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Da der erfindungsgemäße Lichtleiter nicht als einfacher Rotationskörper ausgebildet ist, sondern die erzeugende Rotationsgrundfläche vor der Aufbringung der Wandstärke noch einer Skalierung unterzogen ist (d.h. gestreckt oder gestaucht ist), kann die Ausdehnung und die Lage des genannten Nutzbereiches an die Bedürfnisse angepasst werden. Erfolgt beispielsweise eine Streckung der Rotationsgrundfläche, so kann der von der gewünschten Lichtverteilung durchstrahlte Nutzbereich trotz geringem zur Verfügung stehenden Bauraums sehr breit ausgestaltet werden. Durch geeignete Skalierung kann außerdem die Orientierung des Nutzbereichs relativ zu der Lichtquelle an die Bauraumerfordernisse angepasst werden.
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Die erste Lichtleitfläche verläuft grundsätzlich auf einer gedachten Fläche im Raum, die mit der geschilderten geometrischen Konstruktion definiert ist. Die tatsächliche Lichtleitfläche, welche eine Oberfläche des Lichtleiters ist, wird dann durch einen Abschnitt aus dieser durch die genannten geometrischen Operationen definierten Fläche gebildet. Insofern muss sich die Lichtleitfläche nicht vollständig als skalierte Rotationsfläche im Raum erstrecken, sondern kann als ein Abschnitt hiervon ausgebildet sein.
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Die Lichtleitflächen dienen der Lichtleitung durch interne Totalreflexion. Sie verlaufen insbesondere derart, dass durch die Lichteinkoppelfläche eingekoppeltes Licht und unter interner Totalreflexion zwischen den Lichtleitflächen von der Lichteinkoppelfläche weg, insbesondere in Richtung zu einem Lichtaustrittsabschnitt des Lichtleiters hin, geleitet werden kann.
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Der Lichtleiter ist aus einem geeigneten Lichtleitermaterial gebildet, vorzugsweise einem optisch wirksamen Linsenmaterial, beispielsweise ein transparentes Material mit größerer optischer Dichte als Luft (d.h. größerem Brechungsindex). Hierfür kommen insbesondere transparente oder glasklare Materialien in Frage, beispielsweise Kunststoffe (Polycarbonat (PC), Acrylglas (PMMA)) oder Glas. Insofern wird der Lichtleiter dadurch gebildet, dass auf die geschildert konstruierte erste Lichtleitfläche eine konstante Wandstärke des Lichtleitermaterials aufgebracht ist.
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Die konstante Wandstärke auf der durch Rotation und Skalierung erzeugten ersten Fläche hat zur Folge, dass die zweite Lichtleitfläche in der Regel nicht durch eine Parallelverschiebung aus der ersten Lichtleichtfläche erzeugbar ist. Insbesondere verlaufen die beiden Lichtleitflächen je nach Ausgestaltung nicht zwingend überall parallel zueinander. Insofern wird unter dem die Wandstärke definierenden Abstand der beiden Lichtleitflächen voneinander jeweils die kürzest mögliche Verbindungsstrecke in jedem Punkt der Lichtleitfläche verstanden. Insofern kann der Abstand in jedem Punkt einer Lichtleitfläche dadurch bestimmt werden, dass der Abstand des Schnittpunktes eines lokalen Lots auf den jeweiligen Punkt mit der jeweils anderen Lichtleitfläche bestimmt wird. Bei entsprechend gekrümmtem Verlauf wäre der so definierte Abstand bei aus Parallelverschiebung zueinander erzeugten Flächenpaaren nicht konstant.
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Insgesamt ist der dünnwandige Lichtleiter schalenartig ausgebildet, insbesondere in der Art einer um die Rotationsachse gewölbten Schale. Der Lichtleiter ist dünnwandig insofern, als der Abstand der ersten Lichtleitfläche von der zweiten Lichtleitfläche ein Bruchteil (insbesondere kleiner als 1/10, vorzugsweise kleiner als 1/100) der lateralen Ausdehnung der Lichtleitflächen zwischen den Schmalseiten ist, welche den lateralen Rand des Lichtleiters bilden.
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Grundsätzlich kann der Lichtleiter auch eine Lichtauskoppelfläche aufweisen, welche beispielsweise von einer der Lichteinkoppelfläche abgewandten Schmalseite des Lichtleiters gebildet ist.
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Die zur Konstruktion der Rotationsgrundfläche herangezogene Skalierung, insbesondere Streckung oder Stauchung, ist vorzugsweise dadurch definiert, dass jeder Punkt der Rotationsgrundfläche entlang einer durch ihn verlaufenden Normalen auf die gewählte Skalierungsebene derart in einem transformierten Punkt der resultierenden Fläche überführt wird, dass der Abstand des jeweils transformierten Punktes von der Skalierungsebene einem k-fachen des Abstandes des jeweils untransformierten Punktes von der Skalierungsebene entspricht. Die Zahl k ist dabei eine reelle Zahl, deren Wert für sämtliche Punkte der zu transformierenden Fläche konstant ist. Eine reelle Zahl k größer 1 entspricht dabei einer Streckung der Rotationsgrundfläche von der Skalierungsebene weg. Eine reelle Zahl k kleiner 1, vorzugsweise jedoch k größer 0, entspricht einer Stauchung der Rotationsgrundfläche zu der Skalierungsebene hin.
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Die Lichteinkoppelfläche des Lichtleiters ist vorzugsweise an einer Schmalseite angeordnet, insbesondere derart, dass sie abschnittsweise eine laterale Berandung des Lichtleiters bildet. Die Lichteinkoppelfläche kann von einer solchen Schmalseite gebildet sein oder nur einen Bereich der Schmalseite umfassen.
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Die Lichtquelle ist insbesondere derart an der Lichteinkoppelfläche angeordnet, dass das ausgestrahlte Licht durch die Lichteinkoppelfläche in den Lichtleiter eingekoppelt wird. Die Rotationsachse, welche wie beschrieben der Konstruktion der Rotationsgrundfläche dient, verläuft insbesondere durch eine Lichtabgabefläche bzw. einen Lichtabgabeabschnitt der Lichtquelle.
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Die Lichtquelle kann als Halbleiterlichtquelle, insbesondere LED, ausgebildet sein. Die LED weist vorzugsweise eine im Wesentlichen ebene Lichtabgabefläche auf, welche vorzugsweise parallel zu der ebenfalls im Wesentlichen ebenen Lichteinkoppelfläche verläuft.
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Der Lichtleiter kann in vorteilhafter Weise zur Einpassung in einen geringen Bauraum zugeschnitten werden. Beispielsweise kann der Lichtleiter derart von lateralen Schmalseiten begrenzt sein, dass sich die erste und zweite Lichtleitfläche von der Rotationsachse aus betrachtet nur innerhalb eines Sichtwinkelbereichs mit einer Größe kleiner als 180°, vorzugsweise kleiner als 90°, erstrecken. Insofern sind die Lichtleitflächen lediglich als Abschnitte derjenigen gedachten Flächen gebildet, die durch die vorstehend beschriebenen geometrischen Operationen konstruierbar sind.
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Die zur Konstruktion herangezogene Rotationsachse kann vorzugsweise durch die Lichteinkoppelfläche des Lichtleiters verlaufen. Denkbar ist jedoch auch, dass die Rotationsachse von der Lichteinkoppelfläche beabstandet, insbesondere parallel zu der Lichteinkoppelfläche und/oder in einer gemeinsamen gedachten Ebene mit der Lichteinkoppelfläche, jedoch von dieser seitlich versetzt, verläuft. Die Lichtquelle kann einen geringen Abstand von der Lichteinkoppelfläche aufweisen, um Wärmeübertragung oder Schädigungen zu vermeiden.
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Die zur Konstruktion herangezogene Skalierungsebene kann sich senkrecht zu der Rotationsachse erstrecken, so dass diese eine Normale der Skalierungsebene bildet. Denkbar ist jedoch auch, dass die Rotationsachse parallel zu der Skalierungsebene verläuft oder auch innerhalb der Skalierungsebene verläuft.
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Zur weiteren Ausgestaltung ist denkbar, dass zur geometrischen Konstruktion des Verlaufs der ersten Lichtleitfläche mit der beschriebenen Rotationsgrundfläche zwei aufeinanderfolgende Skalierungen (Streckungen oder Stauchungen) durchgeführt werden, wobei die jeweils den beiden Streckungen bzw. Stauchungen zugeordneten Skalierungsebenen unterschiedlich voneinander sind, insbesondere senkrecht aufeinander stehen. Denkbar ist insbesondere, dass die zweite Skalierungsebene als eine Tangentialebene an die aus der ersten Streckung oder Stauchung resultierende Fläche ausgebildet ist. Mit derartigen Skalierungen kann einerseits die Lichtformung an spezifische Bedürfnisse angepasst werden, und andererseits der zur Verfügung stehende Bauraum effektiv ausgenutzt werden.
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Die Basislinie ist vorzugsweise zu der Rotationsachse hin gekrümmt. Dies kann für die gesamte Basislinie gelten, oder auch nur für einen Abschnitt der Basislinie.
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Grundsätzlich verläuft die Basislinie, welche die Rotationsgrundfläche erzeugt, zumindest abschnittsweise gekrümmt. Erfindungsgemäß weist die Basislinie einen gekrümmt verlaufenden Abschnitt, insbesondere einen Kreisbogenabschnitt (d.h. Abschnitt einer Kreislinie) auf, sowie einen hieran anschließenden geraden Abschnitt (d.h. Abschnitt einer Geraden). Dies führt im ersten Konstruktionsschnitt dazu, dass die Rotationsgrundfläche einen Kugelflächenabschnitt sowie einen hieran anschließenden Kegelflächenabschnitt oder Zylinderflächenabschnitt aufweist (je nachdem, ob der Geradenabschnitt gewinkelt oder parallel zu der Rotationsachse verläuft). An den Kugelflächenabschnitt ist vorzugsweise die Lichteinkoppelfläche angeordnet. Das eingekoppelte Licht wird dann der gewölbten Schalenform folgend umgelenkt und in den von dem geraden Abschnitt erzeugten Bereich eingeleitet. Hier kann, wie vorstehend beschrieben, bei geeigneter Wölbung des Lichtleiters, eine innerhalb der Fläche des Lichtleiters betrachtet, im Wesentlichen parallelisierte Lichtverteilung vorliegen (Nutzbereich des Lichtleiters).
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren erläutert.
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Es zeigen:
- 1 skizzierte Darstellung zur Erläuterung der geometrischen Konstruktion der ersten Lichtleitfläche;
- 2 skizzierte Darstellung eines als Abschnitt eines Rotationskörpers ausgebildeten Lichtleiters zur Erläuterung der Funktionsweise der Erfindung;
- 3 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 5 skizzierte Darstellung zur Erläuterung der zugrunde liegenden geometrischen Konstruktion einer weiteren Ausführungsform;
- 6 perspektivische Darstellung zur Erläuterung der geometrischen Konstruktion gemäß 5;
- 7 Draufsicht auf einen gemäß 5 und 6 konstruierten Lichtleiter zur Erläuterung der Funktionsweise;
- 8 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 9 Rückansicht der Vorrichtung gemäß 8.
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In der nachfolgenden Beschreibung sowie in den Figuren sind für identische oder einander entsprechende Merkmale jeweils dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Anhand von 1 werden beispielhaft geometrische Operationen zur Konstruktion des räumlichen Verlaufs einer ersten Lichtleitfläche 10 eines Lichtleiters einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung erläutert. Ausgangspunkt bildet eine zumindest abschnittsweise gewölbt verlaufende Basislinie 12, die hier als Kreisbogenabschnitt, insbesondere als Halbkreis, ausgestaltet ist. Die Basislinie 12 wird um eine strichpunktiert dargestellte Rotationsachse 14 um einen Drehwinkel φ rotiert, so dass eine Rotationsgrundfläche 16 überstrichen wird. Im dargestellten Beispiel liegen Anfangspunkt und Endpunkt der Basislinie auf der Rotationsachse 14, so dass die Rotationsgrundfläche 16 ebenfalls an die Rotationsachse 14 anschließt.
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In einem folgenden Konstruktionsschritt erfolgt eine Skalierung der Rotationsgrundfläche 16 bezüglich einer Skalierungsebene 18. Diese Skalierung ist im dargestellten Beispiel als Streckung der Rotationsgrundfläche 16 von der Skalierungsebene 18 weg ausgestaltet. Die Skalierungsebene 18 verläuft im dargestellten Beispiel senkrecht zu der Rotationsachse 14, wobei dies grundsätzlich nicht zwingend ist. Denkbar sind auch andere Orientierungen der Skalierungsebene 18 zur Rotationsachse 14. Die Streckung bezüglich der Skalierungsebene 18 ist im vorliegenden Fall dadurch definiert, dass für jeden Punkt P der Rotationsgrundfläche 16 ein transformierter Punkt P' der resultierenden, transformierten Fläche 20 dadurch konstruiert wird, dass der Abstand des Punktes P von der Skalierungsebene 18 mit einer reellen Zahl k multipliziert wird und der Bildpunkt P' beim k-fachen des entlang des Lotes auf die Skalierungsebene 18 durch den Punkt P gemessenen Abstandes des Punktes P festgelegt wird. Die reelle Zahl k ist dabei für sämtliche Punkte P, P' der Rotationsgrundfläche 16 und der transformierten Fläche 20 eine Konstante. Im dargestellten Beispiel ist k eine reelle Zahl größer 1, beispielsweise k = 2. Diese Skalierung (Streckung) führt dazu, dass die transformierte Fläche 20 keine Kugelschalenfläche mehr ist, sondern eine Ellipsoidfläche. Diese Ellipsoidfläche ist bezüglich zweier senkrechter Ebenen im Raum gewölbt, nämlich einerseits bezüglich der in der Darstellung der 1 Horizontalen, andererseits bezüglich einer hierzu senkrechten Ebene (beispielsweise der Skalierungsebene 18). Ausgehend von der transformierten Fläche 20 kann ein Lichtleiter (nicht dargestellt) einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung dadurch konstruiert werden, dass auf die transformierte Fläche 20 eine konstante Wandstärke aus einem Lichtleitermaterial aufgetragen ist. Insofern bildet dann der dargestellte Abschnitt der transformierten Fläche 20 eine erste Lichtleitfläche 10. Die gegenüberliegende, zweite Lichtleitfläche ist dann dadurch festgelegt, dass auf der ersten Lichtleitfläche 10 eine konstante Wandstärke des Lichtleitermaterials aufsteht.
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Anhand von 2 wird die Wirkungsweise von als Rotationskörper ausgebildeten Lichtleitern näher erläutert. Die 2 zeigt skizziert eine Beleuchtungseinrichtung 30 mit einer Lichtquelle 32 und einem Lichtleiter 34. Der Lichtleiter ist dünnwandig und schalenartig ausgebildet. Der Lichtleiter 34 weist eine Schmalseite 36 auf, die einen Rand des dünnwandigen Lichtleiters bildet. Außerdem weist der Lichtleiter zwei einander gegenüberliegende Lichtleitflächen 10', 11' auf, welche die flächenmäßig großen Begrenzungsflächen des schalenartigen, dünnwandigen Lichtleiters 34 bilden. Die Schmalseite 36 erstreckt sich zwischen den großen Lichtleitflächen 10', 11'.
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Der in 2 dargestellte Lichtleiter 34 ergibt sich durch folgende geometrische Konstruktion: Zunächst wird eine wie zu 1 erläuterte, kreisbogenförmige Basislinie 12 um die Rotationsachse 14 rotiert, im dargestellten Beispiel um einen Winkel von 180°. Dadurch entsteht eine Halbkugelschale als erste Lichtleitfläche 10'. Die zweite Lichtleitfläche 11' ergibt sich dann durch die Bedingung, dass der dünnwandige Lichtleiter 34 eine konstante Wandstärke aufweisen muss, wobei die Wandstärke als konstanter Abstand jedes Punktes der Lichtleitfläche 10' von der zweiten Lichtleitfläche 11' definiert ist. Der hier angesprochene Abstand wird in jedem Punkt der Lichtleitfläche 10' dadurch gemessen, dass in dem Punkt lokal ein Lot auf die erste Lichtleitfläche 10' gebildet wird und der Abstand des Schnittpunktes des Lotes mit der zweiten Lichtleitfläche 11' bestimmt wird. Der in der 2 dargestellte Lichtleiter 34 stellt insofern eine Vorstufe zu den erfindungsgemäßen Lichtleitern dar, da die Wandstärke auf die erste Lichtleitfläche 10 vor Durchführung eines Streckungs- oder Stauchungsschrittes aufgebracht wird.
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Bei der Beleuchtungseinrichtung wirkt ein Bereich der Schmalseite 36 als Lichteinkoppelfläche 38. Durch die Lichteinkoppelfläche 38 wird ein Lichtbündel 40 in den Lichtleiter 34 eingekoppelt, das in dem an die Lichteinkoppelfläche 38 anschließenden Abschnitt des Lichtleiters 34 zunächst eine gewisse Divergenz aufweist. Das Lichtbündel 40 wird in dem Lichtleiter 34 durch vielfache Totalreflexion zwischen den Lichtleitflächen 10', 11' geleitet. Aufgrund der durch die Konstruktion aus gewölbter Basislinie 12 und Bildung einer Rotationsfläche hieraus bedingten Wölbung wird das Lichtbündel dem Verlauf der Lichtleitfläche 10' bei in seinem Ausbreitungsweg umgelenkt. Dabei ergibt sich aufgrund der Wölbung ein Nutzbereich 42 eines Lichtleiters 34, in welchem die Lichtstrahlen des Lichtbündels 40 in Projektion beispielsweise auf die Lichtleitfläche 10' betrachtet im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. In diesem Sinne wirkt der Lichtleiter 34 parallelisierend auf das divergierende Lichtbündel 40. Bei der im Beispiel halbkugelschalenartigen Ausgestaltung des Lichtleiters 34 liegt der Nutzbereich 42 im Wesentlichen mittig in der Kugelschale, d.h. ausgehend von der Lichteinkoppelfläche 38 unter einem Drehwinkel von ca. 90° um die Rotationsachse 14 auf der Rotationsgrundfläche, welche die erste Lichtleitfläche 10' definiert. Auf der der Lichteinkoppelfläche 38 gegenüberliegenden Seite der Schmalseite 36 (d.h. unter einem Drehwinkel von 180° um die Rotationsachse 14) treten die in dem Lichtleiter 34 geleiteten Lichtstrahlen wieder aus dem Lichtleiter aus. Insofern bildet dieser Bereich der Schmalseite 36 eine Lichtaustrittsfläche 44. Die kugelschalenartige Ausgestaltung führt dazu, dass durch die Lichtaustrittsfläche 44 das Licht mit einer vergleichbaren Winkelverteilung der Intensität austritt, wie bei Einkopplung in die Lichteinkoppelfläche 38.
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Eine Reihe der vorstehend für die kugelschalenartige Ausgestaltung des Lichtleiters 34 erläuterten Eigenschaften bleiben auch bei der erfindungsgemäßen Konstruktion des Lichtleiters erhalten, wie nachfolgend noch näher erläutert.
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Die 3 zeigt eine Beleuchtungseinrichtung 50 mit einem Lichtleiter 54, wobei der Verlauf der ersten Lichtleitfläche 10 dieses Lichtleiters durch eine Konstruktion gemäß 1 festgelegt ist. Im dargestellten Beispiel beträgt der Faktor, mit dem die Streckung bezüglich der Skalierungsebene 18 erfolgt, ca. k = 1,25. Der Winkel φ, um den die Basislinie 12 (vgl. 1) um die Rotationsachse 14 rotiert ist, beträgt im dargestellten Beispiel ca. 220°. Die resultierende erste Lichtleitfläche 10 weist daher in Schnitten mit Ebenen, die die Rotationsachse 14 enthalten, einen elliptischen Verlauf auf. Die zweite Lichtleitfläche 11 ist dadurch definiert, dass zwischen den beiden Lichtleitflächen 10, 11 des Lichtleiters 54 eine konstante Wandstärke an Lichtleitmaterial vorliegt, d.h. dass die beiden Lichtleitflächen 10, 11 einen konstanten Abstand voneinander aufweisen.
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Hierbei ist zu beachten, dass der Lichtleiter 54 nicht durch Streckung des vollständigen Lichtleiters 34, wie er in der 2 dargestellt ist, gewonnen werden kann. Eine Streckung des Lichtleiters 34 würde nämlich dazu führen, dass der Abstand zwischen den Lichtleitflächen 10', 11' nicht konstant ist. Zur Konstruktion des Lichtleiters 54 gemäß 3 muss vielmehr zuerst die erste Lichtleitfläche 10 durch Rotation der Basislinie 12 (vgl. 1) um die Rotationsachse 14 und durch anschließende Streckung der dadurch gebildeten Rotationsgrundfläche 16 (vgl. 1) in der geschilderten Art und Weise konstruiert werden. Erst dann kann ausgehend von der so transformierten Fläche die zweite Lichtleitfläche 11 konstruiert werden, durch die Bedingung, dass eine konstante Wandstärke vorliegt.
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Im Vergleich zu der 2 führt die Streckung der ersten Lichtleitfläche 10 dazu, dass der erläuterte Nutzbereich 42, in den die Lichtstrahlen in Projektion auf die Lichtleitfläche 10 betrachtet im Wesentlichen parallelisiert verlaufen, nicht unter einem Drehwinkel von ca. 90° zu der Lichteinkoppelfläche 38 (um die Rotationsachse 14) vorliegt, sondern unter einem Drehwinkel von ca. 110° ausgehend von der Lichteinkoppelfläche 38 um die Rotationsachse 14. Auch der Konvergenzbereich, in welchem die Lichtstrahlen wieder zusammenlaufen und so die Winkelverteilung der Intensität nach Einkopplung durch die Lichteinkoppelfläche 38 reproduzieren, tritt nicht bei einem Rotationswinkel von 180° auf, sondern bei einem größeren Drehwinkel von 220°.
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Aufgrund der Streckung entlang der Rotationsachse 14 ist auch der Nutzbereich 42 im Vergleich zur 2 entlang der Rotationsachse 14 gestreckt. Dies kann vorteilhaft sein, da so ein vergrößerter, mit parallelisiertem Licht durchstrahlter Bereich des Lichtleiters beispielsweise zur kontrollierten Überleitung in einen weiteren Lichtleitabschnitt zur Verfügung steht.
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Die 4 zeigt eine Variante des Lichtleiters 54, bei dem in Bezug auf die Skalierungsebene 18 keine Streckung, sondern eine Stauchung zu der Skalierungsebene 18 hin erfolgt ist (vgl. 1). Der zugehörige Faktor k, welcher das Verhältnis der jeweiligen Abstände auf der Rotationsgrundfläche 16 und der transformierten Fläche 20 (vgl. 1) wiedergibt, beträgt im Beispiel der 4 ca. k=0,8. Der erläuterte Nutzbereich 42 ist aufgrund der Stauchung in Richtung zu der Lichteinkoppelfläche 38 hin verlagert und erscheint unter einem Drehwinkel von ca. 74° um die Rotationsachse 14. Auch der angesprochene Konvergenzbereich, in dem die geleiteten Lichtstrahlen wieder zusammenlaufen, tritt unter einem geringeren Drehwinkel als 180° auf, nämlich im Bereich von 148°.
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Anhand der 5 bis 7 wird eine weitere Konstruktion zur Erzeugung eines Lichtleiters 64 (vgl. 7) einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung erläutert. Zur Erzeugung der ersten Lichtleitfläche 10 des Lichtleiters 64 wird zunächst eine Basislinie 12 um eine Rotationsachse 14 rotiert. Die Basislinie weist einen an die Rotationsachse 14 anschließenden Kreisbogenabschnitt 66 und einen hieran anschließenden geraden Abschnitt 68 auf. Der Kreisbogenabschnitt 66 weist in seinem Mündungspunkt auf der Rotationsachse 14 eine Tangente auf, welche im Wesentlichen senkrecht zu der Rotationsachse 14 verläuft. Außerdem verläuft der Kreisbogenabschnitt 66 kreisförmig insbesondere derart, dass um einen auf der Rotationsachse 14 liegenden Mittelpunkt M von dem Kreisbogenabschnitt 66 ein Winkelbereich α zwischen 0° und 90° überdeckt ist. Der Kreisbogenabschnitt 66 geht im dargestellten Beispiel mit stetiger Steigung, insbesondere knickfrei, in den geraden Abschnitt 68 über.
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Durch Rotation dieser Basislinie 12 um die Rotationsachse 14 (Rotationswinkel 180°) wird zunächst die in der 6 skizzierte Rotationsgrundfläche 16 erzeugt. Diese Rotationsgrundfläche 16 wird dann bezüglich einer Skalierungsebene 18 gestreckt, so dass jeder Punkt P der Rotationsgrundfläche 16 in einem Bildpunkt P' der transformierten Fläche 20 überführt wird, wobei das Verhältnis der Abstände der Bildpunkte P' zu der Skalierungsebene 18 und der zugehörigen Punkte P zu der Skalierungsebene 18 einer konstanten reellen Zahl k größer 1 entspricht. Im dargestellten Beispiel verläuft die Skalierungsebene 18 nicht senkrecht zu der Rotationsachse 14. Vielmehr erstreckt sich die Skalierungsebene derart, dass die Rotationsachse 14 in der Skalierungsebene 18 verläuft. Die Fläche 20 ist somit bezüglich der Skalierungsebene 18 spiegelsymmetrisch.
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Ausgehend von der gemäß 6 erzeugten Fläche 20 kann dann der in der 7 skizzierte Lichtleiter 64 erzeugt werden. Die erste Lichtleitfläche 10 des Lichtleiters 64 folgt dabei dem Verlauf der Fläche 20. Die zweite Lichtleitfläche 11 ergibt sich wie erläutert aus der Bedingung, dass zwischen den Lichtleitflächen 10 und 11 ein konstanter Abstand vorliegt. Insgesamt weist der Lichtleiter 64 die Form eines dünnwandigen Kegels auf, dessen Spitze zu einer ellipsoidischen Kappe verrundet ist. Im Querschnitt senkrecht zu der Rotationsachse 14 ist der Kegel ebenfalls elliptisch.
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Wie in der 7 angedeutet, kann ein in den Lichtleiter 64 eingekoppeltes, divergierendes Lichtbündel in dem verrundeten Bereich des Lichtleiters 64 parallelisiert werden (vgl. Nutzbereich 42) und in diesem Bereich in den einfach gewölbten, von dem Geradenabschnitt 68 erzeugten Bereich des Lichtleiters 64 übergeleitet werden. Durch geeignete Wahl des Skalierungsfaktors k und des Winkels α (vgl. 5) kann erreicht werden, dass sich die in den Lichtleiter eingekoppelten Lichtstrahlen in den kegelflächenartigen Bereich des Lichtleiters 64 im Wesentlichen parallelisiert ausbreiten.
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Die Lichteinkoppelfläche 38 des Lichtleiters 64 ist vorzugsweise wiederum an einer Schmalseite 36 angeordnet, vorzugsweise in dem Bereich des verrundeten Abschnitts, welcher auf der Rotationsachse 14 liegt.
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Die 8 und 9 zeigen einen komplexeren Lichtleiter 74 welcher stetig und knickfrei in einen Lichtfortleitabschnitt 76 übergeht, der sich im Wesentlichen geradlinig und eben erstreckt. Die erste Lichtleitfläche 10 des Lichtleiters 74 ergibt sich aus einer beispielsweise nahezu kreisbogenartigen Basislinie dadurch, dass zunächst eine Rotation und daraufhin zwei aufeinander folgende Skalierungen (Stauchungen oder Streckungen) durchgeführt werden. Im dargestellten Beispiel wurde zunächst eine Kreisbogenlinie um die Rotationsachse 14 rotiert und so eine Rotationsgrundfläche 16 in der Art der 1 erzeugt. Diese wurde dann bezüglich einer Skalierungsebene 18 gestreckt (d.h. von der Skalierungsebene 18 weg gestreckt), die durch die Rotationsachse 14 verläuft, vergleichbar der in der 6 erläuterten Konstruktion. In einem weiteren Skalierungsschritt wurde die transformierte Fläche bezüglich einer zweiten Skalierungsebene 18' gestaucht. Die Skalierungsebene 18' verläuft im dargestellten Beispiel senkrecht zu der Rotationsachse 14 und ist derart angeordnet, dass sie durch den Punkt der Rotationsachse 14 verläuft, in den auch die erzeugende Basislinie und die resultierende Rotationsgrundfläche mündet. Durch diese Stauchung wird daher die Ausdehnung des Lichtleiters 74 entlang der Rotationsachse 14 verringert. Durch die erste Skalierung bezüglich der Skalierungsebene 18 wird der Lichtleiter 64 bezüglich der Rotationsachse 14 verbreitert.
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Insgesamt weist der Lichtleiter 74 insofern eine dünnwandige, schalenartige Form auf, wobei der Verlauf der ersten Lichtleitfläche 10 einer verallgemeinerten ellipsoid-artigen Fläche mit drei unterschiedlich langen Halbachsen folgt. Durch geeignete Wahl der Konstruktionsparameter (Konstante k für Streckung bzw. Stauchung und Drehwinkel α) kann wiederum ein Nutzbereich 42 erzeugt werden, in dem die Lichtstrahlen in Projektion auf die Lichtleitfläche 10 betrachtet nahezu parallelisiert verlaufen. Vorzugsweise schließt sich der ebene Lichtfortleitabschnitt 76 in diesem Nutzbereich 42 an den Lichtleiter 74 an, so dass eine parallelisierte Lichtverteilung aus dem Lichtleiter 74 ausgeleitet werden kann. Dies ist in der 9 visualisiert.
