DE102015202544B4

DE102015202544B4 - Kraftfahrzeugleuchte mit einem das Licht brechenden Element, welches die Form einer beschnittenen Halbkugel aufweist und dessen beschnittene Grenzflächen totalreflektierend sind

Info

Publication number: DE102015202544B4
Application number: DE102015202544.6A
Authority: DE
Inventors: Hubert Zwick; Doris Boebel
Original assignee: Automotive Lighting Reutlingen GmbH
Current assignee: Marelli Automotive Lighting Reutlingen Germany GmbH
Priority date: 2015-02-12
Filing date: 2015-02-12
Publication date: 2021-02-04
Anticipated expiration: 2035-02-13
Also published as: DE102015202544A1

Abstract

Kraftfahrzeugleuchte (10; 20) zur Realisierung einer gewünschten Lichtverteilung, mit- einem Leuchtmittel (2) zum Aussenden von Licht,- mindestens einem paraboloidförmigen Reflektor (5) zum Kollimieren zumindest eines Teils des Lichts des Leuchtmittels (2), wobei der mindestens eine Reflektor (5) in einer eine Achse (6) des Reflektors (5) umfassenden Schnittebene betrachtet eine Parabelform aufweist, und- mindestens einem Licht brechenden Element (11; 12), das zwischen dem Leuchtmittel (2) und dem mindestens einen Reflektor (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht brechende Element eine Halbkugel (11; 12) aus einem für das von dem Leuchtmittel (2) ausgesandte Licht transparenten Material umfasst, wobei eine ebene Eintrittsfläche (11a; 14) der Halbkugel (11; 12) zu dem Leuchtmittel (2) gerichtet und derart angeordnet ist, dass eine Hauptabstrahlrichtung (3) des Leuchtmittels (2) durch das Zentrum der Eintrittsfläche (11a; 14) verläuft, wobei sich das Licht in einem Kegel ausbreitet, dessen Achse senkrecht zur Ebene eines Leuchtdioden-Chips als Leuchtmittel und der dazu parallelen Lichteintrittsfläche der Halbkugel steht und dessen Achse der Hauptabstrahlrichtung entspricht, wobei die Halbkugel (11) um diejenigen Bereiche beschnitten ist, durch die bei eingeschaltetem Leuchtmittel (2) kein oder nur sehr wenig Licht hindurchtritt und/oder durch die bei eingeschaltetem Leuchtmittel (2) Licht hindurchtritt, das aber nicht auf den mindestens einen Reflektor (5) trifft, so dass sich ein Halbkugelbeschnitt (12) ergibt, dessen Schnittflächen (17) zwischen den beschnittenen und den verbleibenden Bereichen der Halbkugel (11) totalreflektierende Grenzflächen des Halbkugelbeschnitts (12) bilden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeugleuchte zur Realisierung einer gewünschten Lichtverteilung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Kraftfahrzeugleuchte ist aus der DE 10 2013 206 488 A1 bekannt. Ein weiterer Stand der Technik ist aus der DE 10 2004 020 708 A1 bekannt.
Eine solche bekannte Kraftfahrzeugleuchte dient bspw. zur Erzeugung eines Tagfahrlichts oder einer beliebig anderen Leuchtenfunktion eines Kraftfahrzeugs, wie bspw. eines Standlichts/ Positionslichts, Blinklichts, Kurvenlichts, Rücklichts, Bremslichts einschließlich der Funktion einer dritten Bremsleuchte, Rückfahrlichts oder eines Seitenmarkierungslichts. Die Kraftfahrzeugleuchte erzeugt eine für die jeweilige Leuchtenfunktion gesetzlich vorgeschriebene Lichtverteilung, sowohl von der horizontalen und vertikalen Erstreckung als auch von der Lichtstärkeverteilung her. Die gesetzlich vorgeschriebene Lichtverteilung kann mit Unterstützung der Streuelemente der Streuscheibe erzielt werden. Alternativ oder zusätzlich können aber auch Streuelemente auf der Reflexionsfläche des Reflektors und/oder auf einer Lichtaustrittsfläche des Licht brechenden Elements vorgesehen sein.
Ein Beispiel einer bekannten Kraftfahrzeugleuchte ist schematisch in den 1 (perspektivische Ansicht) und 2 (Seitenansicht) gezeigt. Ein Leuchtmittel, das bspw. eine oder mehrere Leuchtdioden umfasst und das im Brennpunkt eines streifenförmigen Paraboloidreflektors angeordnet ist, strahlt Licht aus, von dem ein Teil auf eine Reflexionsfläche des Reflektors fällt. Der Reflektor kollimiert das auf ihn treffende Licht, so dass es parallel zu einer 0°/0° (horizontal/ vertikal)-Richtung auf eine vorgelagerte Streuscheibe fällt. Streuelemente auf der Streuscheibe streuen das Licht gezielt, damit die vorgeschriebene Lichtverteilung erzielt wird.
Die gesetzlich vorgeschriebene Lichtverteilung wird bspw. durch vertikal streuende und horizontal liegende konkave Teile von Zylinderflächen auf der Innenseite und durch horizontal streuende und vertikal stehende konkave Teile von Zylinderflächen auf der Außenseite der Streuscheibe erzielt. Da die vertikalen Streuwinkel kleiner als die horizontalen Streuwinkel sind, weisen die horizontal liegenden Teilzylinderstreifen ein größeres Verhältnis R/T (R: Zylinderradius; T: Streifenhöhe) auf, d.h. die horizontalen Streifen sind weniger bauchig (weniger stark gewölbt). Die gesamt Leuchte kann um die 0°/0°-Richtung rotiert angeordnet werden, wobei nur die streuenden Elemente angepasst werden müssen (die einfachste Methode besteht darin, diese von der Rotation auszunehmen).
Für die nachfolgenden Ausführungen wird beispielhaft eine Kraftfahrzeugleuchte betrachtet, die eine Streuscheibe mit den Maßen 50 mm x 50 mm aufweist und eine Tagfahrlichtverteilung erzeugt. Statt Tagfahrlicht kann natürlich auch jede andere in einem Fahrzeug benötigte Leuchtenfunktion erzeugt werden. Für die nachfolgenden Ausführungen werden einige Definitionen erläutert. Unter „Effizienz“ wird das Verhältnis von (Lichtstrom, der zum Aufbau der Tagfahrlicht-Verteilung beiträgt) / (Lichtstrom, der von dem Leuchtmittel abgegeben wird) verstanden. Unter „Bautiefe“ wird die Länge der Leuchte von der Streuscheibe bis zum weitest entfernten Reflektorpunkt verstanden. Unter „Bauraum“ wird ein Quader (Bautiefe in mm) x (Fläche der Streuscheibe in mm²) verstanden. Als Qualitätsmerkmal Q1 dient der Quotient (Effizienz) / (Bauraum in cm³). Besonders vorteilhaft ist ein möglichst großes Q1, da dies aussagt, dass bei gegebenem Leuchtmittel-Lichtstrom wenig Bauraum benötigt wird, um eine Kraftfahrzeugleuchte zu verwirklichen. Als Qualitätsmerkmal Q2 dient der Quotient (maximale Leuchtdichte) / (minimale Leuchtdichte) gemessen an einer Lichtaustrittsfläche bzw. der Streuscheibe der Leuchte. Optimal ist Q2 = 1, da dann die Streuscheibe an jedem (leuchtenden) Punkt gleich hell und damit besonders homogen erscheint. Je größer Q2 ist, umso inhomogener ist das Erscheinungsbild der Leuchte. Ab etwa Q2 = 2 erkennt ein geübter Beobachter, dass unterschiedliche Punkte unterschiedlich hell leuchten.

Die Erzielung einer Streuung des Lichts in einer Leuchte ist aus dem Stand der Technik bekannt. Nachfolgend werden verschiedene an sich bekannte Möglichkeiten zur Streuung zusammengefasst:

Streuendes Bauteil	Streuende Struktur	Bemerkungen
Reflektor	Facetten auf der Reflexionsfläche	Erfordert verspiegelte Leuchtenkammer, da sonst ein Großteil des Lichtstroms an Austrittsöffnung vorbeigestreut wird. Streuscheibe nicht erforderlich
Streuscheibe	Facetten auf innerer Fläche, Facetten auf äußerer Fläche, gekreuzte Zylinder auf äußerer und innerer Fläche
Reflektor und Streuscheibe	Jeweils schwach streuende Struktur auf Reflektor und Streuscheibe	Erfordert verspiegelte Leuchtenkammer, da sonst ein Großteil des Lichtstroms an Austrittsöffnung vorbeigestreut wird.

Als „Facette“ wird nachfolgend ein konvexes oder konkaves Flächenelement, vertikal oder horizontal gekrümmt, verstanden, z.B. eine Kugel, ein Ellipsoid, eine Freiformfläche, ein Torus o.ä. Ein „Zylinder“ streut in einer senkrecht zur Zylinderachse verlaufenden Ebene, bspw. kann auf der inneren Fläche der Streuscheibe ein vertikaler Zylinder horizontal streuen und auf der äußeren Fläche ein horizontaler Zylinder vertikal streuen.
Bei einer bekannten Kraftfahrzeugleuchte trifft das von einer Leuchtdiode abgegebene Licht (ein beispielhafter Lichtstrahl ist in den 1 und 2 gestrichelt eingezeichnet) zum Teil auf einen Paraboloidreflektor, der es parallel zu seiner Achse (in 2 strichpunktiert eingezeichnet) in Richtung Streuscheibe richtet, wo es in dem gezeigten Beispiel mittels gekreuzter Zylinder gestreut wird, um die gewünschte Leuchtenfunktion mit der vorgeschriebenen oder vom Kunden gewünschten Lichtverteilung zu erzielen.
In dem gezeigten Beispiel des Standes der Technik beträgt die Bautiefe 75 mm und das Bauvolumen 187,5 cm³. Die Effizienz beträgt 63%, so dass sich für Q1 = 63/187,5 = 0,34 %/cm³ ergibt. Dieser Wert könnte durch Variation der (hier beispielhaft zu 12 mm gewählten) Brennweite des Reflektors und der davon abhängigen Bautiefe optimiert werden. In einem Serienprojekt zur Entwicklung neuer Leuchten ist jedoch der Bauraum und damit auch die Bautiefe in aller Regel vorgegeben. Da ferner die gesamte Streuscheibe angestrahlt werden sollte, ist eine Optimierung nicht oder nur in sehr eingeschränktem Maße möglich. Der Wert Q1 = 0,34 gibt also lediglich eine Größenordnung an.
3a zeigt für die bekannte Leuchte aus den 1 und 2 die Verteilung der Leuchtdichte auf der Streuscheibe und zwei vertikale Schnitte durch die Verteilung, einen Schnitt in der Mitte der Streuscheibe bei horizontal=0° (3b), und einen Schnitt durch eine Punktereihe am Rand der Streuscheibe bspw. bei horizontal=-25° (3c). Der hellste Wert liegt bei 2,1 x Einheit, der dunkelste bei 0,1 x Einheit. Somit ergibt sich der Wert Q2 zu etwa 21, was relativ schlecht ist, da er eine hohe Inhomogenität der leuchtenden Fläche bedeutet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Kraftfahrzeugleuchte der eingangs genannten Art dahingehend auszugestalten und weiterzubilden, dass die beiden Qualitätsmerkmale Q1 und Q2 gleichzeitig verbessert werden können.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Als Leuchtmittel wird vorzugsweise eine Lichtquelle mit lambertschen Abstrahlcharakteristik verwendet, bspw. eine oder mehrere Leuchtdioden.
Das als Halbkugel ausgebildete Licht brechende Element

- erfasst einen im Vergleich zu dem mindestens einen Reflektor alleine größeren Lichtstrom, und
- lenkt den erfassten Lichtstrom in einen im Vergleich zu dem Leuchtmittel alleine stärker eingeengten Raumwinkelbereich um. Auf diese Weise gelangt ein größerer Anteil des von dem Leuchtmittel ausgesandten Lichts auf den Reflektor und steht zur Erzeugung der Leuchtenfunktion zur Verfügung, wodurch die Effizienz der Leuchte verbessert wird.

Der Kern der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, Licht durch eine aus einem glasklaren Material hergestellte Halbkugel zu leiten, bevor es auf den Reflektor trifft. Die Halbkugel bewirkt, dass sich das Licht nicht mehr in den gesamten durch die Hauptabstrahlrichtung vorgegebenen 180°-Halbraum, sondern nur noch in einem Kegel ausbreitet, dessen Achse senkrecht zur Ebene eines Leuchtdioden-Chips und der dazu parallelen Grundfläche (Lichteintrittsfläche) der Halbkugel steht und dessen Öffnungswinkel bis etwa 40° (entspricht abhängig vom Material der Halbkugel in etwa dem Grenzwinkel der Totalreflexion) betragen kann. Die Achse des Lichtkegels entspricht vorzugsweise der Hauptabstrahlrichtung.
Damit der von der Halbkugel abgestrahlte Lichtkegel nach Möglichkeit den gesamten Reflektor bestrahlt, kann die Halbkugel samt Leuchtmittel in geeigneter Entfernung zum Reflektor angeordnet und in geeigneter Weise ausgerichtet (bspw. geneigt) werden. Um die Herstellbarkeit der Halbkugel im Spritzgussverfahren zu verbessern und um die Effizienz des Systems zu erhöhen, können Teile der Halbkugel, die nicht von Lichtstrahlen durchlaufen werden oder durch die Lichtstrahlen hindurchtreten, die nicht an der Erzeugung der Leuchtenfunktion teilhaben (bspw. weil sie nicht auf den Reflektor treffen), entfernt werden. In diesem Sinne wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, dass die Halbkugel um diejenigen Bereiche beschnitten ist, durch die bei eingeschaltetem Leuchtmittel kein oder nur sehr wenig Licht hindurchtritt und/oder durch die bei eingeschaltetem Leuchtmittel Licht hindurchtritt, das aber nicht auf den mindestens einen Reflektor trifft, so dass sich ein Halbkugelbeschnitt ergibt.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass Schnittflächen zwischen den beschnittenen und den verbleibenden Bereichen der Halbkugel totalreflektierende Grenzflächen des Halbkugelbeschnitts bilden. Die totalreflektierenden Grenzflächen lenken vorteilhafterweise Licht, das bei einem als volle Halbkugel ausgebildetem Licht brechenden Element nicht auf den mindestens einen Reflektor treffen würde, auf den mindestens einen Reflektor. Dadurch kann die Effizienz der Leuchte erhöht werden, da zuvor für die Realisierung der Leuchtenfunktion nicht zur Verfügung stehendes Licht nun genutzt werden kann.
In dem als volle Halbkugel ausgebildeten Licht brechenden Element ist die Lichtstärkeverteilung, die von der Halbkugel abgestrahlt wird, innerhalb eines (etwa) 30°-Kegels weitgehend konstant. An diesen konstanten Bereich schließt sich umlaufend ein ringförmiger Bereich mit ansteigender Lichtstärke an. Dieser wird von Strahlen gebildet, die sehr flach aus dem Leuchtmittel austreten und somit erst in großer Entfernung von diesem durch die Lichteintrittsfläche der Halbkugel unter Brechung in diese eintreten. Dieser räumliche Versatz führt dazu, dass diese Strahlen nicht senkrecht auf die Kugelfläche (Lichtaustrittsfläche) auftreffen, sondern unter einem kleinen Winkel zur Normalen auf der Kugelfläche, und somit bei der Brechung eine Winkeländerung erfahren und in den umlaufenden ringförmigen Bereich gelangen und dort für die ansteigende Lichtstärke sorgen. Diese Strahlen, die den äußeren hellen Ring des Lichtkegels bilden, fallen häufig nicht auf den Reflektor, sondern werden an diesem vorbei gestreut. Durch den Beschnitt der Halbkugel und die sich so ergebenden totalreflektierenden Grenzflächen werden diese Strahlen zu einem großen Teil in das Innere Richtung Rotationsachse der Halbkugel reflektiert, so dass sie zur Erzeugung der resultierenden Leuchtenfunktion beitragen.
Diese und weitere Merkmale der Erfindung sowie die damit verbundenen Vorteile werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Kraftfahrzeugleuchte in einer perspektivischen Ansicht;
2 die bekannte Kraftfahrzeugleuchte aus 2 in einer Seitenansicht;
3a eine Leuchtdichteverteilung auf einer Streuscheibe der bekannten Kraftfahrzeugleuchte aus den 1 und 2;
3b einen vertikalen Schnitt durch die Mitte der Leuchtdichteverteilung aus 3a bei horizontal = 0°;
3c einen vertikalen Schnitt durch eine Punktereihe am Rand der Leuchtdichteverteilung aus 3a;
4 eine erfindungsgemäße Kraftfahrzeugleuchte gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel in perspektivischer Ansicht;
5a eine Vorderansicht der erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte aus 4;
5b eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte aus 4;
6a eine Seitenansicht auf eine Halbkugel zur Verwendung als lichtbrechendes Element in einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte;
6b eine Draufsicht auf die Halbkugel aus 6a zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte;
7 einen Halbkugelbeschnitt zur Verwendung als lichtbrechendes Element in einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte;
8 eine Seitensicht einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte mit einem Halbkugelbeschnitt gemäß 7 als lichtbrechendes Element;
9a eine Leuchtdichteverteilung auf der Streuscheibe der erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte aus 8;
9b einen vertikalen Schnitt durch die Mitte der Leuchtdichteverteilung aus 9a bei horizontal = 0°;
9c einen vertikalen Schnitt durch eine Punktereihe am Rand der Leuchtdichteverteilung aus 9a;
10a eine Lichtstärkeverteilung (Lichtkegel), die ein als Halbkugel ausgebildetes Licht brechendes Element einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte erzeugt;
10b einen horizontalen Schnitt durch den Lichtkegel aus 10a bei vertikal = 0°;
11a einen Ausschnitt des Lichts aus der Lichtstärkeverteilung aus 10a, das auf den Reflektor trifft;
11b einen horizontalen Schnitt durch den Lichtkegel aus 11a bei vertikal = 0°;
12a eine Lichtstärkeverteilung (den gesamten Lichtkegel), die von einem Halbkugelbeschnitt gemäß 7 erzeugt wird;
12b einen horizontalen Schnitt durch den Lichtkegel aus 12a bei vertikal = 0°;
13a eine Lichtstärkeverteilung (den Teil des Lichtkegels) des Halbkugelbeschnitts gemäß 7, die auf den Reflektor trifft; und
13b einen horizontalen Schnitt durch den Lichtkegel aus 13a bei vertikal = 0°.

Die 1 und 2 zeigen eine aus dem Stand der Technik bekannte Kraftfahrzeugleuchte 1 zur Erzeugung einer Leuchtenfunktion, beispielsweise eines Tagfahrlichts. Die Leuchte 1 umfasst ein Leuchtmittel 2, das Licht aussendet. Das Leuchtmittel 2 ist beispielsweise als eine Leuchtdiode ausgebildet, die Licht in einer Hauptabstrahlrichtung 3 in den entsprechenden 180°-Halbraum aussendet. In 1 ist das Leuchtmittel 2 derart ausgerichtet, dass die Hauptabstrahlrichtung 3 senkrecht nach oben verläuft. Ein beispielhafter Lichtstrahl 4 ist gestrichelt eingezeichnet. Das von dem Leuchtmittel 2 abgegebene Licht trifft zum Teil (vgl. beispielsweise Lichtstrahl 4) auf einen Paraboloidreflektor 5, der das Licht parallel zu seiner Achse 6 (vgl. 2) in Richtung einer Streuscheibe 7 richtet. Ein geometrischer Brennpunkt F des Reflektors 5 liegt auf dem Leuchtmittel 2, insbesondere auf einer Licht emittierenden Fläche eines als Leuchtdiode ausgebildeten Leuchtmittels 2. Die Streuscheibe 7 weist auf ihrer Innenseite Streuelemente 7a in Form von horizontalen Zylindern auf, die eine vertikale Streuung des hindurchtretenden Lichts bewirken. Auf einer Außenseite der Streuscheibe 7 sind Streuelemente 7b in Form von vertikalen Zylindern angeordnet, die eine horizontale Streuung des hindurchtretenden Lichts bewirken. Das Zusammenwirken der Streuelemente 7a, 7b führt zur Erzeugung der resultierenden Leuchtenfunktion der Kraftfahrzeugleuchte 1 mit einer vorgegebenen Lichtverteilung.
Eine Bautiefe der bekannten Kraftfahrzeugleuchte aus den 1 und 2 beträgt beispielsweise 75 mm und das Bauvolumen 187,5 cm³. Die Effizienz der Leuchte 1 beträgt in dem gezeigten Beispiel 63%, so dass sich für ein Qualitätsmerkmal Q1 (Quotient aus Effizienz und Bauraum) 63/187,5 = 0,34%/cm³ ergibt. Dieser Wert könnte durch Variation der (hier beispielhaft) zu 12 mm gewählten Brennweite des Paraboloidreflektors 5 und der davon abhängigen Bautiefe optimiert werden. In einem Serienprojekt zur Entwicklung einer neuen Leuchte 1 ist jedoch der Bauraum und damit auch die maximale Bautiefe in aller Regel vorgegeben. Da ferner nach Möglichkeit die gesamte Streuscheibe 7 angestrahlt werden soll, ist eine Optimierung nicht oder allenfalls in sehr engen Grenzen möglich.
3 zeigt ein weiteres Problem der aus dem Stand der Technik bekannten Kraftfahrzeugleuchte 1. In 3a ist eine Verteilung der Leuchtdichte auf der Streuscheibe 7 gezeigt, wie sie von einem Betrachter der Leuchte 1 wahrgenommen wird. Anhand der zwei vertikalen Schnitte durch die Leuchtdichteverteilung in den 3b und 3c erkennt man, dass der hellste Wert der Leuchtdichte bei etwa 2,1 x Einheit, der dunkelste Wert bei etwa 0,1 x Einheit liegt. Somit ergibt sich das Qualitätsmerkmal Q2 (Quotient aus maximaler Leuchtdichte und minimaler Leuchtdichte) zu etwa 21, was relativ schlecht ist und von einem Betrachter als sehr inhomogene Ausleuchtung der Streuscheibe 7 wahrgenommen wird.
Mit der vorliegenden Erfindung werden die beiden Qualitätsmerkmale Q1 und Q2 gleichzeitig verbessert. Das wird insbesondere dadurch erreicht, dass Licht durch eine aus glasklarem Material hergestellte Halbkugel geleitet wird, bevor es auf den Reflektor 5 trifft. Die Halbkugel bewirkt, dass sich das Licht nicht mehr in den gesamten 180°-Halbraum, sondern nur noch in einem Kegel ausbreitet, dessen Achse senkrecht zu einer Ebene eines Leuchtdioden-Chips und der dazu parallelen Grundfläche der Halbkugel steht und dessen Öffnungswinkel bis etwa 40° (abhängig vom Grenzwinkel der Totalreflexion des Materials der Halbkugel) betragen kann. Die Achse des Lichtkegels entspricht vorzugsweise der Hauptabstrahlrichtung der Leuchtdiode 2.
In den 4 und 5 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte 10 gezeigt. Man erkennt die zwischen dem Leuchtmittel 2 und dem Reflektor 5 angeordnete Halbkugel 11. Damit der von der Halbkugel 11 abgestrahlte Lichtkegel nach Möglichkeit den gesamten Reflektor 5 bzw. dessen Reflexionsfläche bestrahlt, ist die Halbkugel 11 samt Leuchtdiode 2 vorzugsweise in geeigneter Entfernung angeordnet und in geeigneter Weise ausgerichtet bzw. geneigt. Insbesondere ist die Einheit 2, 11 derart geneigt, dass die Hauptaustrittsrichtung 3 zur Reflexionsfläche des Reflektors 5 bzw. entgegen der Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs hin verkippt ist. Die von dem Leuchtmittel 2 ausgesandten Lichtstrahlen werden in einen 180°-Halbraum abgestrahlt. Dies ist bspw. in 14 dargestellt. Das führt dazu, dass die Lichtstrahlen über die gesamte Lichteintrittsfläche 11a verteilt in die Halbkugel 11 einkoppeln. Je weiter entfernt von dem Leuchtmittel 2 die Lichtstrahlen auf die Eintrittsfläche 11a treffen, desto stärker werden sie beim Eintritt in die Halbkugel gebrochen. Die eingekoppelten Lichtstrahlen 30 treffen im Wesentlichen senkrecht auf die Austrittsfläche 11b und treten weitgehend ohne Brechung aus der Halbkugel 11 aus. Durch Zurückverfolgen der eingekoppelten Lichtstrahlen 30 ergeben sich verschiedene virtuelle Ursprungspunkte 2' für das Leuchtmittel 2. Die Einheit 2, 11 wird vorzugsweise derart entlang der Abstrahlrichtung 3 in Richtung auf den Reflektor 5 bewegt werden, dass der geometrische Brennpunkt F des Reflektors 5 in der Nähe von einem der virtuellen Ursprungspunkte 2' der in die Halbkugel 11 eingekoppelten Lichtstrahlen 30 liegt. Damit rückt die Einheit 2, 11 näher an den Reflektor 5, so dass sich eine geringere Bautiefe, ein geringerer Bauraum und damit auch ein verbessertes Qualitätsmerkmal Q1 ergibt.
Die Position des Leuchtmittels 2 kann über den Radius der Halbkugel 11 angepasst werden. Halbkugeln aus gleichem Material erzeugen Lichtkegel mit gleichem Öffnungswinkel. Ein größerer Radius einer Halbkugel 11 erlaubt es, das Leuchtmittel 2 näher beim Reflektor 5 anzuordnen. Es muss jedoch darauf geachtet werden, dass die Halbkugel 11 nicht so dicht an den Reflektor 5 rückt, dass sie in dem Strahlengang zwischen Reflektor 5 und Streuschiebe 7 angeordnet ist.
Um die Herstellbarkeit der Halbkugel 11 im Spritzgussverfahren zu verbessern und um die Effizienz des Systems zu erhöhen, kann statt der Halbkugel 11 auch ein sogenannter Halbkugelbeschnitt 12 (vgl. 7) zur Anwendung kommen. Der Halbkugelbeschnitt 12 wird aus einer Halbkugel gewonnen, indem diejenigen Bereiche der Halbkugel 6 entfernt werden, die bei eingeschaltetem Leuchtmittel 2 nicht von Lichtstrahlen durchstrahlt werden oder durch die nur sehr wenig Licht hindurchtritt und/oder durch die bei eingeschaltetem Leuchtmittel 2 zwar Licht hindurchtritt, dieses aber nicht auf den Reflektor 5 trifft und somit auch nicht zur Erzeugung der Leuchtenfunktion beiträgt.
In den 6a und 6b sind die Grenzen eines Lichtdurchtrittsbereichs 13 auf der Kugeloberfläche (Lichtaustrittsfläche 11b) gepunktet und eines Lichtdurchtrittsbereichs 14 auf der ebenen Kreisfläche (Lichteintrittsfläche 11a), die von Licht durchsetzt werden, gestrichelt dargestellt. Wenn man zwischen zusammengehörigen Kurven 15 auf der Kugelfläche 11b und Kurven 16 auf der ebenen Fläche 11a Verbindungsflächen ausbildet und die nicht durchstrahlten Kugelbereiche entfernt, ergeben sich Schnittflächen 17, die in 6 schraffiert dargestellt sind. Auf diese Weise erhält man den in 7 dargestellten Halbkugelbeschnitt 12. Die außerhalb der schraffierten Schnittflächen 17 vorhandenen Bereiche der Halbkugel 6 (vgl. 6) werden zur Erlangung des Halbkugelbeschnitts 12 entfernt. Die Schnittflächen 17 bilden totalreflektierende Grenzflächen des Halbkugelbeschnitts 12.
8 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Kraftfahrzeugleuchte 20, die nicht über eine volle Halbkugel 11 als lichtbrechendes Element, sondern über einen Halbkugelbeschnitt 12 verfügt, wie er beispielsweise in 7 gezeigt ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Reflektor 5 als ein Paraboloid ausgebildet, dessen Brennpunkt F in etwa in der Mitte eines lichtemittierenden Bereichs der Leuchtdiode 2 liegt und dessen Achse mit dem Bezugszeichen 6 bezeichnet ist. Die Brennweite des Reflektors 5 ist gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Kraftfahrzeugleuchten 1 deutlich erhöht, so dass sich ein größerer Abstand zwischen Leuchtmittel 2 und Reflexionsfläche des Reflektors 5 ergibt. Eine Blende 21 verhindert den Einblick von außerhalb der Leuchte 20 auf das Leuchtmittel 2 und den Halbkugelbeschnitt 12. Eine Bautiefe der Leuchte 20 beträgt etwa 45 mm und das Bauvolumen 112,5 cm³. Die Effizienz der dargestellten Leuchte 20 beträgt 55%, so dass sich für das Qualitätsmerkmal Q1 = 55/112,5 = 0,49%/cm³ ergibt, was einer Steigerung um 44% gegenüber dem oben beschriebenen Stand der Technik entspricht. Somit wird trotz des größeren Abstands zwischen dem Leuchtmittel 2 und dem Reflektor 5, was zu einer Erhöhung der Bautiefe und damit des Bauraums der Leuchte führt, das Qualitätsmerkmal Q1 verbessert, da gleichzeitig die Effizienz besonders stark verbessert wird.
9 zeigt eine Leuchtdichteverteilung auf der Streuscheibe 7, wie sie durch eine Kraftfahrzeugleuchte 20 gemäß 8 mit dem Halbkugelbeschnitt 12 erzielt wird. Anhand der beiden vertikalen Schnitte durch die Leuchtdichtverteilung gemäß 9a, die in den 9b und 9c dargestellt sind, ergibt sich, dass der hellste Wert der Leuchtdichteverteilung bei etwa 9,0 x Einheit und der dunkelste Wert bei etwa 2,2 x Einheit liegt. Somit ergibt sich für das Qualitätsmerkmal Q2 der Wert 4,1. Dies ist für einen ungeübten Betrachter gerade noch erkennbar, bedeutet aber gegenüber dem oben beschriebenen Stand der Technik und gegenüber der Leuchte 10 gemäß der 4 und 5 eine deutliche Verbesserung hinsichtlich der Homogenität der Ausleuchtung der Lichtaustrittsfläche der Kraftfahrzeugleuchte 20.
10a zeigt eine Lichtstärkeverteilung (bzw. einen Lichtkegel), die von einer Kraftfahrzeugleuchte 10 mit der Halbkugel 11 abgestrahlt wird. Innerhalb eines (etwa) 30°-Lichtkegels ist die Lichtstärke weitgehend konstant. An diesen konstanten Bereich 30 schließt sich außen umlaufend ein ringförmiger Bereich 31 mit ansteigender Lichtstärke an. Dieser Bereich 31 wird von Lichtstrahlen gebildet, die sehr flach aus dem Leuchtmittel 2 austreten und somit erst in großer Entfernung von diesem durch die ebene Lichteintrittsfläche 11a der Halbkugel 11 unter Brechung in diese eintreten. Dieser räumliche Versatz führt dazu, dass diese Lichtstrahlen nicht senkrecht auf die Kugelfläche (Lichtaustrittsfläche 11b) auftreffen, sondern unter einem kleinen Winkel zur Normalen auf der Kugelfläche und somit bei der Brechung eine Winkeländerung hin zu kleineren Winkeln erfahren. Aufgrund von Fresnel-Reflexionen durchdringen von etwa 100 lm, welche das Leuchtmittel 2 beispielsweise abgibt, nur etwa 89 Im (entspricht 89%) durch die Lichteintrittsfläche 11a der Halbkugel 11.
11a zeigt einen Ausschnitt aus der Lichtstärkeverteilung gemäß 10a, der auf den Reflektor 5 trifft und somit zur Erzeugung der resultierenden Leuchtenfunktion der Leuchte beiträgt. In den Ecken erkennt man noch die erhöhte Helligkeit des umlaufenden ringförmigen Bereichs 31 der Lichtstärkeverteilung aus 10a. Von den 89%, die durch die Halbkugel 11 hindurchtreten, treffen etwa 60% des von dem Leuchtmittel 2 abgegebenen Lichts auf den Reflektor 5 und 29% verfehlen ihn. Die übrigen 11% gehen bspw. aufgrund von Fresnelreflexion verloren. In dem vertikalen Mittelschnitt der 11b erkennt man, dass genau dieser hellere umlaufende Ringbereich 31 (an der Stelle des Mittelschnitts) den Reflektor 5 verfehlt. Das Licht des helleren ringförmigen Bereichs 31 steht somit nicht zur Erzeugung der Leuchtenfunktion zur Verfügung.
12 zeigt die gesamte Lichtstärkeverteilung, die von einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte 20 mit dem Halbkugelbeschnitt 12 abgestrahlt wird. Sie nimmt annähernd die Form des Reflektors 5 an, da große Bereiche des hellen umlaufenden Ringbereichs 31 aus der Lichtstärkeverteilung der 10a aufgrund von interner Totalreflexion an den Schnittflächen 17, die den Halbkugelbeschnitt 12 seitlich begrenzen, „nach innen geklappt“ wurden. Diese totalreflektierten helleren Bereiche sind mit dem Bezugszeichen 32 gekennzeichnet und treffen nun auf den Reflektor 5, so dass sie zur Erzeugung der Leuchtenfunktion beitragen können. Statt der 89% aus 10 durchdringen hier zwar nur 81% den Halbkugelbeschnitt 12, da einige Lichtstrahlen die verkleinerte ebene Eintrittsfläche 14 des Halbkugelbeschnitts 12 verfehlen oder an den Schnittflächen 17 so totalreflektiert werden, dass sie den Halbkugelbeschnitt 12 nicht mehr oder nicht in die gewünschte Richtung (in Richtung des Reflektors 5) verlassen können. Gegenüber der Leuchte 10 mit Halbkugel 11 stellt dies aber einen beträchtlichen Effizienzgewinn dar. Zusätzlich ist es denkbar, die Schnittflächen 17 mit Streuelementen, bspw. in Form von Walzen- und Kissenoptiken, zu versehen, um die Schärfe des reflektierten Lichts zu reduzieren.
Dieser negative Effekt wird durch das „Nachinnenklappen“ des hellen Rings 31 in Form der helleren totalreflektierten Bereiche 32 überkompensiert. Die Bereiche 32 des eingeklappten hellen Rings 31 sind in einem Bereich der Lichtstärkeverteilung angeordnet, dass sie auf den Reflektor 5 treffen. Somit kann bei der erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte 20 mit dem Halbkugelbeschnitt 12 auch eigentlich ungenutztes Licht aus dem hellen äußeren Ringbereich 31 zur Erzeugung der resultierenden Leuchtenfunktion genutzt werden. Dadurch kann die Effizienz der Leuchte 20 deutlich verbessert werden. Insgesamt treffen bei einer Leuchte 20 mit Halbkugelbeschnitt 12 69% der von dem Leuchtmittel 2 ausgesandten Lichtstrahlen auf den Reflektor 5 gegenüber 60% ohne „Nachinnenklappen“ des helleren äußeren Ringbereichs 31 bei der Leuchte 10 mit voller Halbkugel 11.
Aufgrund des großen Abstands zwischen dem Halbkugelbeschnitt 12 und dem Reflektor 5 treffen die Lichtstrahlen unter einem sehr kleinen Fehlwinkel auf den Paraboloidreflektor 5 und weisen auch nach der Reflexion nur einen kleinen Fehlwinkel auf, so dass sie zur Gesamteffizienz der Leuchte 20 beitragen. Diese beträgt wie oben angegeben 55%. Das ergibt sich daraus, dass bei einer Reflexion 15% der Lichtstrahlen verloren gehen (69% x 0,85 = 59%) und durch Fresnel-Verluste an der Streuscheibe weitere 7% verloren gehen (59% x 0,93 = 55%).
Vorzugsweise werden als Leuchtmittel 2 Lichtquellen mit einer lambertartigen Abstrahlcharakteristik verwendet, beispielsweise eine oder mehrere Leuchtdioden, da in diesem Fall die Lichtstärke durch Verlassen der Halbkugel 11 bzw. des Halbkugelbeschnitts 12 über eine großen Winkelbereich (nahezu) konstant ist. Weiterhin soll das Leuchtmittel 2 so nah wie möglich an der Eintrittsfläche 11a, 14 der Halbkugel 11 bzw. des Halbkugelbeschnitts 12 angeordnet werden, wobei eine Grenze für das möglichst nahe Heranführen der Leuchtmittel 2 an die Lichteintrittsfläche 11a, 14 dadurch gegeben ist, dass Hitzeschäden der Halbkugel 11 bzw. des Halbkugelbeschnitts 12 vermieden werden sollen.
13 zeigt einen Anteil des Lichtkegels aus 12, der auf den Reflektor 5 trifft.
Folgende Variationen und Abweichungen von den beschriebenen Ausführungsbeispielen sind im Rahmen der Erfindung denkbar:

1. Leichte Abweichungen von der Kugelform der Lichtaustrittsfläche 11b, 13 und/oder der Ebenheit der Lichteintrittsfläche 11a, 14 der Halbkugel 11 bzw. des Halbkugelbeschnitts 12 sind möglich.
2. Die Halbkugel 11 bzw. der Halbkugelbeschnitt 12 muss nicht wie in 5a dargestellt, mittig unterhalb des Lichtfensters (der Lichtaustrittsfläche der Leuchte 10, 20 bzw. der Streuscheibe 7) liegen. Stattdessen kann sie an jedem Punkt außerhalb des Lichtfensters liegen, falls erstens der gesamte Reflektor 5 bestrahlt wird und zweitens der Reflektor 5 (Brennpunkt F, Achse 6) auf die Position der Halbkugel 11 bzw. des Halbkugelbeschnitts 12 angepasst wird.
3. Statt einer Halbkugel 11 mit konstantem Radius können Bereiche mit unterschiedlichen Radien (bspw. nach Art einer Fresnel-Linse) aneinandergrenzend realisiert werden. Beispielsweise kann im Zentrum ein kleiner Radius zur Vermeidung großer Dicke vorgesehen sein, wodurch die Kosten des Spritzgießprozesses und die Aushärtzeiten gesenkt werden können.
4. Statt eines Paraboloiden kann auch eine beliebig andere Fläche als Reflektor 5 dienen, wenn sie mit parabolen Facetten, deren Brennpunkt und Achse mit dem Brennpunkt F und der Achse 6 aus 8 übereinstimmen, versehen ist.
5. Der Reflektor 5 kann aus Parabelsektoren (beschnittene „Kuchenstücke“, deren Spitze auf der Achse 6 des Reflektors 5 liegen) unterschiedlicher Brennweite zusammengesetzt sein.
6. Die Streuscheibe 7 kann gekrümmt (gewölbt) und/oder geneigt und/oder gepfeilt ausgeführt sein.
7. Statt einer Leuchtdiode 2 können auch mehrere Leuchtdioden in eine Halbkugel 11 bzw. einen Halbkugelbeschnitt 12 einstrahlen.
8. Falls mehrere Leuchtdioden 2 verwendet werden, können diese Licht unterschiedlicher oder gleicher Farbe aussenden.
9. Falls die Streuscheibe 7 und die Halbkugel 11 bzw. der Halbkugelbeschnitt 12 aus identischen Materialien bestehen, können sie einstückig ausgeführt werden. Als Material wird vorzugsweise ein transparenter Kunststoff verwendet.
10. Es können mehrere Systeme (Leuchten 10; 20) neben-, über-, vor- und/oder ineinander gebaut werden. Dies gilt auch für solche Systeme, die sich beispielsweise in den oben beschriebenen Punkten 1 bis 9 oder in sonstiger Weise von den beschriebenen Ausführungsbeispielen unterscheiden. Diese Systeme können gemeinsam eine Leuchtenfunktion bilden oder aber mehrere unterschiedliche Leuchtenfunktionen.
11. Falls mehrere der beschriebenen Systeme verwendet werden (Punkt 10), ist es vorteilhaft, wenn die Leuchtdiode(n) 2 und die Halbkugel 11 bzw. der Halbkugelbeschnitt 12 in einer Ebene angeordnet werden, damit eine gemeinsame ebene Platine zur Befestigung und Kontaktierung der Leuchtdiode(n) 2 verwendet werden kann, wodurch sich geringere Kosten ergeben.
12. Falls mehrere Systeme verwendet werden (Punkt 10), ist es vorteilhaft, wenn die Halbkugel 11 bzw. der Halbkugelbeschnitt 12 mittels eines Steges oder anderweitig miteinander verbunden und somit einstückig ausgebildet sind, wodurch sich geringere Kosten ergeben.
13. Zwischen Reflektor 5 und Streuscheibe 7 kann ein Leuchtenkammer-Gehäuse angeordnet sein, das eventuell auf der Innenseite verspiegelt ist. In diesem Fall ist also die Kraftfahrzeugleuchte 10, 20 in einer verspiegelten Leuchtenkammer angeordnet. Dadurch ergibt sich eine höhere Effizienz und benachbarte Lichtfunktionen von anderen Lichtmodulen eines Kraftfahrzeugscheinwerfers oder einer Kraftfahrzeugheckleuchte werden nicht gestört. Das Leuchtenkammer-Gehäuse sollte so weit geöffnet sein, dass die von der Halbkugel 11 bzw. dem Halbkugelbeschnitt 12 kommenden Lichtstrahlen nicht behindert werden. Ansonsten kann das Leuchtenkammer-Gehäuse vollständig geschlossen sein. Alternativ kann das Leuchtenkammer-Gehäuse auch Öffnungen zur Kühlung oder aus anderen Gründen aufweisen. Besonders vorteilhaft ist ein auf der Innenseite verspiegeltes Leuchtenkammer-Gehäuse, wenn es einstückig mit dem Reflektor 5 ausgebildet ist.
14. Statt einer Leuchtdiode mit einem Chip kann auch ein Leuchtdioden-Array mit mehreren matrixartig über- und/oder nebeneinander angeordneten Leuchtdioden verwendet werden.

Claims

Kraftfahrzeugleuchte (10; 20) zur Realisierung einer gewünschten Lichtverteilung, mit - einem Leuchtmittel (2) zum Aussenden von Licht, - mindestens einem paraboloidförmigen Reflektor (5) zum Kollimieren zumindest eines Teils des Lichts des Leuchtmittels (2), wobei der mindestens eine Reflektor (5) in einer eine Achse (6) des Reflektors (5) umfassenden Schnittebene betrachtet eine Parabelform aufweist, und - mindestens einem Licht brechenden Element (11; 12), das zwischen dem Leuchtmittel (2) und dem mindestens einen Reflektor (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht brechende Element eine Halbkugel (11; 12) aus einem für das von dem Leuchtmittel (2) ausgesandte Licht transparenten Material umfasst, wobei eine ebene Eintrittsfläche (11a; 14) der Halbkugel (11; 12) zu dem Leuchtmittel (2) gerichtet und derart angeordnet ist, dass eine Hauptabstrahlrichtung (3) des Leuchtmittels (2) durch das Zentrum der Eintrittsfläche (11a; 14) verläuft, wobei sich das Licht in einem Kegel ausbreitet, dessen Achse senkrecht zur Ebene eines Leuchtdioden-Chips als Leuchtmittel und der dazu parallelen Lichteintrittsfläche der Halbkugel steht und dessen Achse der Hauptabstrahlrichtung entspricht, wobei die Halbkugel (11) um diejenigen Bereiche beschnitten ist, durch die bei eingeschaltetem Leuchtmittel (2) kein oder nur sehr wenig Licht hindurchtritt und/oder durch die bei eingeschaltetem Leuchtmittel (2) Licht hindurchtritt, das aber nicht auf den mindestens einen Reflektor (5) trifft, so dass sich ein Halbkugelbeschnitt (12) ergibt, dessen Schnittflächen (17) zwischen den beschnittenen und den verbleibenden Bereichen der Halbkugel (11) totalreflektierende Grenzflächen des Halbkugelbeschnitts (12) bilden.
Kraftfahrzeugleuchte (10; 20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchte (10; 20) eine Streuscheibe (7) mit Streuelementen (7a; 7b) umfasst, auf die zumindest ein Teil des von dem mindestens einen Reflektor (5) kollimierten Lichts fällt, zum Streuen des hindurchtretenden Lichts zur Realisierung der gewünschten Lichtverteilung.
Kraftfahrzeugleuchte (10; 20) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Streuelemente (7a; 7b) als konkave oder konvexe Kugel-, Ellipsoid-, Torus- oder Freiformflächen ausgebildet sind.
Kraftfahrzeugleuchte (10; 20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Leuchtmittel (2) mindestens eine Halbleiterlichtquelle, umfasst.
Kraftfahrzeugleuchte (10; 20) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Halbleiterlichtquelle mindestens eine Leuchtdiode umfasst.
Kraftfahrzeugleuchte (10; 20) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Leuchtmittel (2) mehrere Leuchtdioden umfasst, die Licht unterschiedlicher Farbe aussenden.
Kraftfahrzeugleuchte (10; 20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die totalreflektierenden Grenzflächen (17) Licht, das bei einem als volle Halbkugel (11) ausgebildetem Licht brechenden Element nicht auf den mindestens einen Reflektor (5) treffen würde, auf den mindestens einen Reflektor (5) lenken.
Kraftfahrzeugleuchte (10; 20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbkugel (11) oder der Halbkugelbeschnitt (12) an ihren bzw. seinen Seitenwänden Befestigungsmittel zur Befestigung in der Leuchte (10) aufweist.
Kraftfahrzeugleuchte (10; 20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchte (10; 20) mehrere Halbkugeln (11) und/oder Halbkugelbeschnitte (12) aufweist, die Licht in denselben Reflektor (5) strahlen.
Kraftfahrzeugleuchte (10; 20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchte (10; 20) eine Halbkugel (11) oder einen Halbkugelbeschnitt (12) aufweist, die bzw. der Licht in mehrere Reflektoren (5) der Leuchte (10; 20) strahlt.