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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeugleuchte zur Realisierung einer gewünschten Lichtverteilung. Die Leuchte umfasst:
- - ein Leuchtmittel zum Aussenden von Licht,
- - mindestens einen paraboloidförmigen Reflektor, in dessen Brennpunkt das Leuchtmittel liegt, zum Kollimieren zumindest eines Teils des Lichts des Leuchtmittels, wobei der mindestens eine Reflektor in einer das Leuchtmittel umfassenden Schnittebene, in der eine Hauptabstrahlrichtung des Leuchtmittels liegt, betrachtet eine Parabelform und eine größere Erstreckung aufweist als senkrecht zu der Schnittebene, und
- - mindestens ein Licht brechendes Element, das zwischen dem Leuchtmittel und dem mindestens einen Reflektor angeordnet ist.
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Eine solche bekannte Kraftfahrzeugleuchte dient bspw. zur Erzeugung eines Tagfahrlichts oder einer beliebig anderen Leuchtenfunktion eines Kraftfahrzeugs, wie bspw. eines Standlichts/ Positionslichts, Blinklichts, 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. Außer Kraftfahrzeugleuchten sind auch Scheinwerfer bekannt. Als Beispiele für das technische Umfeld der Erfindung wird auf die
DE 10 2013 206 488 A1 und die
DE 10 2010 020 616 A1 verwiesen.
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Ein Beispiel einer bekannten Kraftfahrzeugleuchte ist schematisch in den 2 (perspektivische Ansicht) und 3 (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. Diese ist für das Beispiel eines Tagfahrlichts in 1 gezeigt. Der Minimalwert der Lichtstärke ist nach der derzeit in Europa gültigen gesetzlichen Vorgabe in 0°/0°-Richtung mit 400 cd vorgegeben. Die Minimalwerte für die Lichtstärke in anderen Richtungen ergeben sich als Produkt aus dem Minimalwert in 0°/0°-Richtung und dem in 1 angegebenen Prozentsatz (z.B. h=20°/ v=5°: 400cd x 10% = 40cd). Der Maximalwert von 800cd darf in keiner Richtung überschritten werden.
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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. Die gesamte 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).
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Für die nachfolgenden Ausführungen wird beispielhaft von einem streifenförmigen paraboloidförmigen Reflektor mit einer Höhe von 75mm, einer Breite von 12mm und einer Tiefe von 70mm mit einer Brennweite von 20mm ausgegangen. Die Schnittebene wäre in diesem Fall also vertikal ausgerichtet. Ferner wird beispielhaft von einem Leuchtmittel ausgegangen, das einen Lichtstrom von 100 lm abgibt. Diese Annahmen dienen nur zur beispielhaften Erläuterung des Standes der Technik und der vorliegenden Erfindung. Selbstverständlich kann die Erfindung auch anhand anderer Reflektoren und Leuchtmittel realisiert werden.
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Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Kraftfahrzeugleuchte erreicht bei den obigen Vorgaben für Reflektor und Leuchtmittel nur 14% des von dem Leuchtmittel abgegebenen Lichts den Reflektor. Da zum Erreichen der gesetzlichen Vorgabe für Tagfahrlicht (vgl. 1) etwa 100 lm benötigt werden, muss ein Leuchtmittel verwendet werden, das etwa 700 lm abgibt. Solche Leuchtmittel sind relativ teuer, insbesondere wenn sie als Halbleiterlichtquellen (z.B. Leuchtdioden) ausgebildet sind. Falls Leuchtmittel mit einem so hohen Lichtstrom nicht oder nicht zu akzeptablen Preisen verfügbar sind, muss die gesamte Anordnung (Lichtquelle, Reflektor und ggf. Streuscheibe) zweimal ausgeführt werden, was Kosten verursacht und Bauraum benötigt.
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Anhand der 4 wird ein weiterer Nachteil des Standes der Technik erläutert. 4 zeigt oben einen Leuchtdichteverlauf über die gesamte Breite einer Licht- oder Streuscheibe der Kraftfahrzeugleuchte und unten eine Abbildung der Licht- oder Streuscheibe. Einem Betrachter erscheinen unterschiedliche Bereiche auf der Lichtscheibe unterschiedlich hell. Ein Leuchtdichteverhältnis zwischen dem hellsten und dem dunkelsten Bereich beträgt etwa 10:1 (vgl. 4a). Erfahrungsgemäß kann ein geübter Beobachter ein Verhältnis von 2:1 erkennen, ein Verhältnis von 10:1 fällt auch einem ungeübten Betrachter ohne weiteres auf. Gewünscht ist jedoch eine möglichst homogene Ausleuchtung des gesamten Bereichs der Licht- bzw. Streuscheibe, so dass die Kraftfahrzeugleuchte im eingeschalteten Zustand einen möglichst homogenen Eindruck auf den Beobachter macht.
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Die niedrige Effizienz der bekannten Kraftfahrzeugleuchte beruht darauf, dass das Leuchtmittel nicht nur Licht in einem engen Winkelbereich in Richtung des streifenförmigen Reflektors aussendet. Eine Leuchtdiode strahlt bspw. Licht in den gesamten Halbraum (2·π sr) ab. Der oben beschriebene streifenförmige Reflektor umgreift aber nur 0,888 sr. Somit ergibt sich aus 0,888/2·π = 0,888/6,283 = 0,141, dass nur etwa 14% des Lichts auf den Reflektor trifft.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen quer zu einer das Leuchtmittel umfassenden Schnittebene schmalen und in der Schnittebene langen streifenförmigen Reflektor mit möglichst viel Licht zu beaufschlagen und dieses Licht möglichst gleichmäßig über den gesamten Reflektor zu verteilen, der dieses so verteilte Licht wiederum parallel (unter Beibehaltung der Verteilung) auf die Streuscheibe lenkt, die somit für einen Betrachter den Eindruck einer gleichmäßig ausgeleuchteten Fläche erzielt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ausgehend von der Kraftfahrzeugleuchte der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass das Licht brechende Element aus einem für das von dem Leuchtmittel ausgesandte Licht transparenten Material besteht, wobei das Licht brechende Element ausgehend von einer Halbkugel jeweils senkrecht zu der Schnittebene und senkrecht zu einer ebenen Eintrittsfläche des Licht brechenden Elements so gestaucht ist, dass es jeweils mit einem Faktor >0 und <1 skaliert ist, wobei die Eintrittsfläche zu dem Leuchtmittel gerichtet und derart angeordnet ist, dass das Leuchtmittel in einem Zentrum der Eintrittsfläche angeordnet ist und eine Hauptabstrahlrichtung des Leuchtmittels durch das Zentrum der Eintrittsfläche verläuft.
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Ziel der Erfindung ist es, durch das im Strahlengang angeordnete Licht brechende Element dafür zu sorgen, dass ein größerer Anteil des von dem Leuchtmittel abgestrahlten Lichts auf die Reflexionsfläche des Reflektors fällt. Insbesondere wenn der Reflektor streifenförmig ausgestaltet ist, kann durch das brechende Element eine deutliche Effizienzsteigerung erzielt werden. Das von dem brechenden Element erfasste Licht wird von diesem - im Vergleich zu einer Leuchtdiode alleine - in einem stark eingeengten Raumwinkelbereich abgegeben. Es kann also ein höherer Lichtstrom pro Raumwinkeleinheit erzielt werden. Zudem erlaubt es das brechende Element, die Größe „Lichtstrom pro Raumwinkeleinheit“ über den vom Reflektor erfassten Raumwinkelbereich zu beeinflussen. Bei dem brechenden Element besteht ein stetig monotoner funktionaler Zusammenhang zwischen Abstrahlpunkten auf einer Lichtaustrittsfläche des brechenden Elements und der Richtung der Strahlen, die an den Abstrahlpunkten abgegeben werden. Bewegt man sich auf einer Kurve auf der Austrittsfläche, sollen sich keine Strahlen, die auf dieser Kurve abgegeben werden, schneiden. Bei Verletzung dieser Forderung könnte kein Reflektor hergestellt werden, der die Streuscheibe mit parallelem Licht bestrahlt.
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Eine Halbkugel
- - 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.
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Das Material der Halbkugel ist bspw. Glas oder ein transparenter Kunststoff. Die Eintrittsfläche (oder Planfläche) der Halbkugel ist dem Leuchtmittel zugewandt, das in der Mitte der kreisförmigen Eintrittsfläche liegt. Der Abstand zwischen der Eintrittsfläche und der Lichtaustrittsfläche des Leuchtmittels wird möglichst gering gewählt, so dass ein möglichst schmaler Luftspalt zwischen der Lichtaustrittsfläche des Leuchtmittels und der Eintrittsfläche des Licht brechenden Elements besteht. Allerdings sollte der Luftspalt so groß sein, dass Hitzeschäden an der Eintrittsfläche und der übrigen Halbkugel vermieden werden. Die Eintrittsfläche erfasst nahezu das gesamte von dem Leuchtmittel ausgesandte Licht. Bei einem als Leuchtdiode ausgebildeten Leuchtmittel, das Licht in einer Hauptabstrahlrichtung in einen 180°-Halbraum abstrahlt, erfasst die Eintrittsfläche des Licht brechenden Elements etwa 99% des Lichts. Das Licht brechende Element lenkt das eintretende Licht mit einer nahezu konstanten Lichtstärke (= Lichtstrom / Raumwinkel) in einen Kegel mit dem halben Öffnungswinkel von 35° (entspricht einem Raumwinkel von 1,136 sr). Das bedeutet, dass die mittlere Lichtstärke gegenüber einer frei abstrahlenden LED um den Faktor 5,5 erhöht wird (der Lichtstrom bleibt konstant, der Raumwinkel wird von 6,283 sr auf 1,136 sr vermindert).
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Ein großer Teil der auf die Eintrittsfläche auftreffenden Lichtstrahlen tritt unter Brechung in das Licht brechende Element ein. Aufgrund von Fresnel-Reflexionen an der Eintrittsfläche werden flach auftreffende Strahlen mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit an der Eintrittsfläche reflektiert. Der größte Anteil an Lichtstrahlen geht nahezu ohne Winkeländerung durch die Austrittsfläche in den 35°-Kegel. Der Fresnel-Effekt führt dazu, dass statt der erwähnten 99% nur 86% des Lichts durch die Halbkugel in den 35°-Kegel gebrochen werden. Der Faktor der Erhöhung der mittleren Lichtstärke beträgt somit 75,7/15,9 = 4,7, wobei sich die mittlere Lichtstärke mit Halbkugel (Fresnel-Effekt berücksichtigt) aus 86,1%/1,136 sr = 75,7 und die mittlere Lichtstärke ohne Halbkugel (nur LED) aus 100%/2·π sr = 15,9 ergibt.
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Auch bezüglich des Leuchtdichteverhältnisses ergibt sich durch die vorliegende Erfindung eine deutliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik. Statt des Leuchtdichteverhältnisses für das oben beschriebene Beispiel der bekannten Kraftfahrzeugleuchte von 10:1 ergibt sich bei der Erfindung ein Verhältnis von nur noch etwa 3:1 zwischen dem hellsten und dem dunkelsten Leuchtpunkt auf der Lichtscheibe. Dadurch ergibt sich eine wesentlich homogenere und gleichmäßigere Ausleuchtung des gesamten Bereichs der Lichtscheibe.
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Strahlt man durch die Halbkugel auf den paraboloidförmigen Reflektor, ergibt sich ein Wirkungsgrad von 16% (statt der 14% im Stand der Technik). Dies stellt eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik dar. Allerdings ist die Verbesserung trotz deutlicher Erhöhung der Lichtstärke (um den Faktor 4,7) relativ gering, weil die Brennweite des Paraboloid-Reflektors vergrößert werden muss, um innerhalb des 35°-Kegels die Höhe von 75 mm zu erreichen. Außerdem muss der Reflektor das Licht oberhalb der Kugel und nicht auf die Kugel strahlen.
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Zur Verbesserung des Wirkungsgrads der erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte wird vorgeschlagen, dass das Licht brechende Element ausgehend von einer Halbkugel senkrecht zu der Schnittebene und senkrecht zu einer Eintrittsfläche des Licht brechenden Elements mit einem Faktor >0 und <1 skaliert ist. Der Skalierungsfaktor kann über die Eintrittsfläche betrachtet konstant oder variabel gewählt werden. Je nach dem, ob der Skalierungsfaktor konstant oder variabel gewählt ist, kann ein unterschiedlich ausgestaltetes Licht brechendes Element realisiert werden, das jedoch stets zu den angegebenen Vorteilen führt.
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Durch ein derart ausgebildetes Licht brechendes Element wird das Licht senkrecht zur Schnittebene in einen engeren Kegel mit geringerem Öffnungswinkel (< 35°) abgestrahlt. Das hat den Vorteil, dass ein größerer Anteil des Lichts auf den senkrecht zur Schnittebene schmalen und in der Schnittebene langen streifenförmigen Reflektor trifft. Mit anderen Worten: während der vertikale Schnitt nahezu unverändert gegenüber einem als Halbkugel ausgebildeten brechenden Element bleibt, wird der horizontale Öffnungswinkel auf etwa 25° reduziert (bei einem Beispiel mit Skalierung der Halbkugel mit dem Faktor 0,8). Insgesamt ergibt sich eine ovale oder ellipsenähnliche Verteilung. Aufgrund der quer zur Schnittebene verschlankten Verteilung verfehlt weniger Licht den Reflektor seitlich, das zentrale Maximum im horizontalen Schnitt ist ebenfalls vorteilhaft. Die Maßnahme erhöht die Effizienz auf etwa 20% (also etwa um +50% gegenüber dem Stand der Technik). Eine stärkere Skalierung könnte die Effizienz weiter erhöhen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Faktor zum Skalieren des Licht brechenden Elements konstant ist, so dass sich ein Halbellipsoid als brechendes Element ergibt, wobei die Eintrittsfläche des Halbellipsoids ellipsenförmig ausgebildet ist. Im Zuge der Skalierung bleiben der Ort und der Abstand des Leuchtmittels zu der Eintrittsfläche unverändert. Die Skalierung an einer bestimmten Stelle der Halbkugel ist umso stärker, je weiter der Reflektorbereich, der mit Licht dieser Stelle bestrahlt wird, von der Halbkugel entfernt ist. Dadurch kann eine homogene Ausleuchtung des Reflektors erzielt werden.
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Gemäß dieser Weiterbildung wird die gesamte Halbkugel senkrecht zur Schnittebene mit einem geeignet gewählten konstanten Faktor >0 und <1 skaliert, so dass aus der Halbkugel ein Halbellipsoid wird. Der Faktor ist konstant und somit unabhängig von einer Position auf dem brechenden Element entlang der Schnittebene. Die Eintrittsfläche ist nicht mehr kreisförmig, sondern elliptisch. Durch ein derart ausgebildetes Licht brechendes Element wird das Licht senkrecht zur Schnittebene in einen engeren Kegel mit geringerem Öffnungswinkel (< 35°) abgestrahlt. Das hat den Vorteil, dass ein größerer Anteil des Lichts auf den senkrecht zur Schnittebene schmalen und in der Schnittebene langen streifenförmigen Reflektor trifft. Mit anderen Worten: während der vertikale Schnitt nahezu unverändert gegenüber dem als Halbkugel ausgebildeten brechenden Element bleibt, wird der horizontale Öffnungswinkel auf etwa 25° reduziert (bei einem Beispiel mit Skalierung der Halbkugel mit dem Faktor 0,8). Insgesamt ergibt sich eine ovale oder ellipsenähnliche Verteilung. Aufgrund der quer zur Schnittebene verschlankten Verteilung verfehlt weniger Licht den Reflektor seitlich, das zentrale Maximum im horizontalen Schnitt ist ebenfalls vorteilhaft. Die Maßnahme erhöht die Effizienz auf etwa 20% (also etwa um +50% gegenüber dem Stand der Technik). Eine stärkere Skalierung könnte die Effizienz weiter erhöhen.
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Alternativ wird vorgeschlagen, dass der Faktor zum Skalieren des Licht brechenden Elements variabel ist, wobei der Faktor in Abhängigkeit von einer Position auf dem Licht brechenden Element entlang der Schnittebene variiert, so dass sich ein Freiformkörper als Licht brechendes Element ergibt.
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Gemäß dieser alternativen Weiterbildung wird die Halbkugel senkrecht zur Schnittebene mit einem variablen Faktor >0 und <1 skaliert. Der Faktor variiert in Abhängigkeit von einem Winkel µ, der sich in der Schnittebene mit dem Mittelpunkt bzw. dem Schwerpunkt der Eintrittsfläche des brechenden Elements (oder alternativ mit dem Mittelpunkt der Licht aussendenden Fläche des Leuchtmittels) als Ursprung von einem unteren Rand des Reflektors zu einem oberen Rand des Reflektors ergibt. Mit anderen Worten: der Faktor variiert in Abhängigkeit von einer Position auf dem brechenden Element entlang der Schnittebene. Die Lichtstärke ist vorteilhafterweise nahezu konstant über den gesamten Reflektor. Bei einem halbkugel- oder ellipsoidförmigen brechenden Element würde im unteren Bereich des Reflektors etwa 1,5 Mal so viel Licht auf wie im oberen Bereich auftreffen. Das kann mit der vorliegenden Ausführungsform nun gleichmäßiger auf die gesamte Reflexionsfläche verteilt werden.
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Um die Homogenität der Lichtverteilung und gleichzeitig die Effizienz der Kraftfahrzeugleuchte zu verbessern, wird die Skalierung der Halbkugel senkrecht zur Schnittebene in Abhängigkeit von dem Winkel µ mit unterschiedlichen Faktoren vorgenommen, so dass in allen Bereichen in etwa eine gleich große Lichtmenge auf die Reflexionsfläche des Reflektors trifft. Der Faktor variiert also in Abhängigkeit von dem Winkel µ. Eine Variation des Faktors ist also derart gewählt, dass der Reflektor von dem aus dem brechenden Element austretenden Licht in der Schnittebene für unterschiedliche Winkel µ über seine gesamte Reflexionsfläche homogen ausgeleuchtet wird.
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Es ist auch denkbar, in einem ersten Schritt eine Skalierung der Halbkugel mit konstantem Faktor und in einem zweiten Schritt mit variablem Faktor oder umgekehrt in einem ersten Schritt eine Skalierung der Halbkugel mit variablem Faktor und in einem zweiten Schritt mit konstantem Faktor vorzunehmen.
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Die mit konstantem und/oder variablem Faktor skalierte Halbkugel ermöglicht es, einen Lichtstrom pro Raumwinkeleinheit über dem von dem mindestens einen Reflektor erfassten Raumwinkelbereich derart zu beeinflussen, dass ein stetig monotoner funktionaler Zusammenhang zwischen Abstrahlpunkten von Lichtstrahlen auf einer Austrittsfläche des brechenden Elements und einer Richtung der Lichtstrahlen, die an den Abstrahlpunkten aus dem brechenden Element austreten, besteht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Leuchtmittel mindestens eine Halbleiterlichtquelle, insbesondere mindestens eine Leuchtdiode. Es wird vorgeschlagen, dass das Leuchtmittel mehrere Leuchtdioden umfasst, die matrixartig neben- oder übereinander angeordnet sein können. Bei Verwendung mehrerer Leuchtdioden können diese Licht unterschiedlicher Farbe aussenden, das sich zu Licht einer Farbe überlagert. Auf diese Weise kann bspw. aus rotem, grünem und blauem Licht weißes Licht erzeugt werden.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Leuchte eine Streuscheibe mit Streuelementen umfasst, auf die zumindest ein Teil des von dem mindestens einen Reflektor kollimierten Lichts fällt, zum Streuen des hindurchtretenden Lichts zur Realisierung der gewünschten Lichtverteilung. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Streuelemente der Streuscheibe als konkave oder konvexe Kugel, Ellipsoid-, Torus- oder Freiformflächen ausgebildet.
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Vorteilhafterweise weist die Eintrittsfläche des brechenden Elements in der Schnittebene eine größere Erstreckung auf als senkrecht zu der Schnittebene. Dies ist bei dem oben beschriebenen als Halbellipse oder als Freiformkörper ausgebildeten Licht brechenden Element der Fall. Vorzugsweise ist die die Eintrittsfläche des brechenden Elements nahezu eben oder leicht konvex oder konkav gewölbt ausgebildet. Eine ebene Eintrittsfläche hat den Vorteil, dass das brechende Element relativ unempfindlich für geringfügig neben dem Mittelpunkt der Eintrittsfläche angeordnete Leuchtmittel ist.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass nur ein Bereich des brechenden Elements um die Schnittebene herum ausgeführt ist, der im Betrieb der Kraftfahrzeugleuchte von Licht des Leuchtmittels durchflutet wird. Dadurch ergeben sich im Wesentlichen parallel oder schräg zu der Schnittebene verlaufende Seitenwände des transparenten Materials des brechenden Elements. Bauraum und Gewicht des brechenden Elements können dadurch verringert werden und es ist kostengünstiger mittels Spritzguss herstellbar, da sich die Abkühlzeit verkürzt. Ferner kann das brechende Element kostengünstiger mittels Spritzguss hergestellt werden, da sich die Abkühlzeit verkürzt. Vorteilhafterweise lenken die Seitenwände des ausgeführten Bereichs des brechenden Elements mittels Totalreflexion zumindest einen Teil des in das brechende Element eingetretenen Lichts zu einer Austrittsfläche des brechenden Elements. Das brechende Element weist vorzugsweise an seinen Seitenwänden Befestigungsmittel zur Befestigung in der Leuchte auf. Die Befestigungsmittel sind vorzugweise an Positionen der Seitenwände ausgebildet, auf die kein oder nur sehr wenig Licht fällt, also an Positionen nahe der Eintrittsfläche des Licht brechenden Elements. Insbesondere kann die Eintrittsfläche radial nach außen verlängert sein, wobei die radial nach außen abstehenden Verlängerungen die Befestigungsmittel bilden oder halten können. Die Befestigungsmittel können beliebig ausgebildet sein. Insbesondere können sie als Zapfen, Stifte, Klipse oder Auflageflächen für Klebe- oder Schweißverbindungen ausgebildet sein. Die Befestigungsmittel können einstückig mit dem brechenden Element oder separat von diesem ausgebildet sein.
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Schließlich wird vorgeschlagen, dass die Leuchte mehrere Licht brechende Elemente aufweist, die Licht in denselben Reflektor strahlen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Beispiel für eine Lichtstärkeverteilung einer mit der erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte erzielbaren Lichtverteilung am Beispiel eines Tagfahrlichts;
- 2 eine perspektivische Ansicht einer aus dem Stand der Technik bekannten Kraftfahrzeugleuchte;
- 3 eine Seitenansicht der aus dem Stand der Technik bekannten Kraftfahrzeugleuchte aus 2;
- 4a einen Leuchtdichteverlauf über die Höhe einer Lichtscheibe einer aus dem Stand der Technik bekannten Kraftfahrzeugleuchte;
- 4b eine Ansicht von vorne auf die Lichtscheibe einer aus dem Stand der Technik bekannten Kraftfahrzeugleuchte, für die in 4a der Leuchtdichteverlauf dargestellt ist;
- 5a eine Lichtstärkeverteilung (Lichtkegel), die ein als Halbkugel ausgebildetes lichtbrechendes Element erzeugt;
- 5b einen horizontalen Schnitt durch den Lichtkegel aus 5a bei vertikal gleich 0°;
- 6 einen Lichtstrahlenverlauf im Mittelschnitt durch ein als Halbkugel ausgebildetes lichtbrechendes Element anhand einiger beispielhaft eingezeichneter Lichtstrahlen;
- 7 eine mit einem als Halbkugel ausgebildeten Licht brechenden Element versehene Kraftfahrzeugleuchte in einer Seitenansicht;
- 8a einen Leuchtdichteverlauf über die Höhe einer Lichtscheibe einer Kraftfahrzeugleuchte mit einem Licht brechenden Element gemäß 5a;
- 8b eine Ansicht von vorne auf die Lichtscheibe einer Kraftfahrzeugleuchte, für die in 8a der Leuchtdichteverlauf dargestellt ist;
- 9a eine Lichtstärkeverteilung (Lichtkegel), die ein lichtbrechendes Element gemäß einem Ausführungsbeispiel erzeugt;
- 9b einen Lichtstärkeverlauf in dem Lichtkegel aus 9a in einem horizontalen Schnitt bei vertikal gleich 0°;
- 9c einen Lichtstärkeverlauf in dem Lichtkegel aus 9a in einem vertikalen Schnitt bei horizontal gleich 0°;
- 10a ein lichtbrechendes Element und einen Reflektor einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel in einer Vorderansicht;
- 10b das lichtbrechende Element und den Reflektor der erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte aus 10a in einer Seitenansicht, senkrecht zu der Vorderansicht aus 10a;
- 11a ein lichtbrechendes Element und einen Reflektor einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte gemäß einer weiteren Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht;
- 11b das lichtbrechende Element und den Reflektor der erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte aus 11a mit einem symbolisch eingezeichneten von dem lichtbrechenden Element erzeugten Lichtkegel;
- 12a ein lichtbrechendes Element einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte gemäß einer weiteren Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht;
- 12b das lichtbrechende Element aus 12a in einer Draufsicht;
- 13a eine Lichtstärkeverteilung (Lichtkegel), die ein lichtbrechendes Element gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel erzeugt;
- 13b einen Lichtstärkeverlauf in dem von dem lichtbrechenden Element aus 13a erzeugten Lichtkegel in einem horizontalen Schnitt bei vertikal gleich 0°;
- 13c einen Lichtstärkeverlauf in dem von dem lichtbrechenden Element aus 13a erzeugten Lichtkegel in einem vertikalen Schnitt bei horizontal gleich 0°;
- 14a einen Leuchtdichteverlauf über die Höhe einer Lichtscheibe einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte mit einem Licht brechenden Element gemäß 9a;
- 14b eine Ansicht von vorne auf die Lichtscheibe einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte, für die in 14a der Leuchtdichteverlauf dargestellt ist;
- 15a-15d verschiedene Ansichten einer bevorzugten Ausführungsform eines lichtbrechenden Elements einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte;
- 16a einen Leuchtdichteverlauf über die Höhe einer Lichtscheibe einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte mit einem Licht brechenden Element gemäß 13a; und
- 16b eine Ansicht von vorne auf die Lichtscheibe einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte, für die in 16a der Leuchtdichteverlauf dargestellt ist.
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Zur Beschreibung der nachfolgenden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung wird beispielhaft ein Tagfahrlicht als von der erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte erzeugte Lichtverteilung gewählt. Natürlich können mit der erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte auch beliebig andere Leuchtenfunktionen (z.B. in Heckleuchten, Scheinwerfern, seitlichen Leuchten und hochgesetzten dritten Bremsleuchten) erzeugt werden.
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Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen schmalen langen Reflektorstreifen mit möglichst viel des von einem Leuchtmittel ausgesandten Lichts zu beaufschlagen und dieses Licht möglichst gleichmäßig über die Austrittsfläche der Leuchte zu verteilen. Auf dem Reflektor oder einer vorgelagerten Streuscheibe angeordnete Streuelemente erzeugen die für die resultierende Leuchtenfunktion, beispielsweise für das Tagfahrlicht, gesetzlich vorgegebene Lichtverteilung. Die gesetzlichen Vorgaben für das Tagfahrlicht sind in 1 gezeigt. Als minimaler Wert der Lichtstärke in Richtung horizontal = 0° und vertikal = 0° sind 400 cd vorgegeben. Der vorgeschriebene Minimalwert in andere Richtungen ergibt sich aus dem Produkt aus diesem Minimalwert und dem in 1 in der entsprechenden Richtung angegebenen Prozentwert (z.B. h = 20°, v = 5°: 400 cd x 10% = 40 cd). Der Maximalwert der Lichtstärke von 800 cd darf in keiner Richtung überschritten werden.
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In den 2 und 3 ist eine aus dem Stand der Technik bekannte Kraftfahrzeugleuchte in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Die Leuchte 1 umfasst ein Leuchtmittel 2 zum Aussenden von Licht in eine Hauptabstrahlrichtung 3. Das Leuchtmittel 2 weist eine oder mehrere Halbleiterlichtquellen auf, insbesondere eine oder mehrere Leuchtdioden. Die Leuchtdiode 2 strahlt Licht in der Hauptabstrahlrichtung 3 in einen 180° (2n)-Halbraum in Richtung eines streifenförmigen Reflektors 4 aus. Der Reflektor 4 hat vorzugsweise eine Paraboloidform, d.h. in einer beliebigen Schnittebene, die das Leuchtmittel 2 umfasst, hat der Reflektor 4 eine Parabelform oder eine parabelähnliche Form. Der Reflektor 4 kollimiert das auftreffende Licht und lenkt es als weitgehend parallele Lichtstrahlen in Richtung einer Licht- oder Streuscheibe 5. Die Streuscheibe 5 umfasst Streuelemente 5a, 5b auf ihrer Innenseite und/oder Außenseite.
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Die Leuchtdiode 2 bzw. der Mittelpunkt ihrer Licht aussenden Fläche ist im Brennpunkt des Paraboloidreflektors 4 angeordnet. Von der Leuchtdiode 2 abgestrahltes Licht trifft auf den Reflektor 4, der es parallel zur 0°/0° (Horizontal/Vertikal)-Richtung auf die vorgelagerte Streuscheibe 5 lenkt. Die Streuelemente 5a, 5b auf der Streuscheibe 5 sind beispielsweise als konkave oder konvex ausgebildete Kugel-, Ellipsoid-, Torus- oder Freiformflächen ausgebildet. Die Streuelemente 5a, 5b verteilen das Licht in die vorgegebenen Richtungen, so dass beispielsweise für Tagfahrlicht die in 1 dargestellte Lichtstärkeverteilung realisiert wird. In dem dargestellten Beispiel der bekannten Kraftfahrzeugleuchte 1 geschieht dies mit vertikal streuenden horizontal liegenden konkaven Teilen 5a von Zylinderflächen auf der Innenseite und mit horizontal streuenden vertikal stehenden konkaven Teilen 5b von Zylinderflächen auf der Außenseite der Streuscheibe 5. Da die horizontalen Streuwinkel größer als die vertikalen Streuwinkel sind (vgl. die in 1 gezeigte Lichtverteilung), weisen die horizontalen Teilzylinderstreifen 5a ein größeres Verhältnis R/T auf, wobei R den Zylinderradius und T die Höhe der Zylinderstreifen 5a bedeutet, d.h. die horizontalen Teilzylinderstreifen 5a sind weniger bauchig.
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Um die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung besser darstellen zu können, wird für die nachfolgenden Ausführungen beispielhaft von einem Reflektor 4 der Breite 12mm, der Tiefe 70mm und der Höhe 75mm und einer Brennweite von 20mm ausgegangen. Ferner wird beispielhaft mit einem Leuchtmittel 2 in Form einer Leuchtdiode gearbeitet, die 100 lm abgibt. Selbstverständlich kann die Erfindung auch mit anderen Reflektoren und Leuchtmitteln realisiert werden.
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Mit der aus dem Stand der Technik bekannten Kraftfahrzeugleuchte 1 erreicht nur etwa 14% des von Leuchtdiode 2 abgegebenen Lichts den Reflektor 4. Da zum Erreichen der gesetzlichen Vorgabe aus 1 etwa 100 lm benötigt werden, muss eine Leuchtdiode 2 verwendet werden, die etwa 700 lm abgibt. Derartige Leuchtdioden sind noch relativ aufwendig in der Herstellung und dementsprechend teuer. Falls bspw. nur Leuchtdioden mit 350 lm zu akzeptablen Preisen vorhanden sind, muss die gesamte Anordnung zweimal ausgebildet werden, was zusätzlichen Bauraum und Kosten erfordert.
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Anhand der 4 wird ein weiterer Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Kraftfahrzeugleuchte 1 deutlich. Einem Betrachter erscheinen unterschiedliche Bereiche auf der Lichtscheibe 5 unterschiedlich hell. Das Leuchtdichteverhältnis zwischen dem hellsten und dem dunkelsten Bereich (vgl. 4a) beträgt etwa 10:1 (etwa 8,5:0,8 in 4a). Erfahrungsgemäß kann ein geübter Beobachter bereits ein Leuchtdichteverhältnis von 2:1 erkennen. Ein Leuchtdichteverhältnis von 10:1 wird auch von ungeübten Beobachtern ohne weiteres als störend und irritierend wahrgenommen.
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Um die genannten Nachteile der bekannten Kraftfahrzeugleuchte 1 zu vermeiden, wird gemäß der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, dass zwischen dem Leuchtmittel 2 und dem Reflektor 4 mindestens ein lichtbrechendes Element angeordnet ist, das
- - einen im Vergleich zu dem Reflektor 4 alleine größeren Lichtstrom erfasst,
- - den erfassten Lichtstrom in einen im Vergleich zu dem Leuchtmittel 2 alleine stärker eingeengten Raumwinkelbereich umlenkt, und
- - einen Lichtstrom pro Raumwinkeleinheit über dem von dem Reflektor erfassten Raumwinkelbereich derart beeinflusst, dass ein stetig monotoner funktionaler Zusammenhang zwischen Abstrahlpunkten von Lichtstrahlen auf einer Austrittsfläche des brechenden Elements und einer Richtung der Lichtstrahlen, die an den Abstrahlpunkten aus dem brechenden Element austreten, besteht.
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In 7 sind Teile einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte in einer Seitenansicht dargestellt und in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Die Zeichenebene der 7 verläuft in dem Beispiel parallel zu einer das Leuchtmittel 2 umfassenden Schnittebene. Das lichtbrechende Element ist mit dem Bezugszeichen 6 bezeichnet.
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Das lichtbrechende Element 6 ist als eine Halbkugel ausgebildet. Eine ebene Lichteintrittsfläche 6a des lichtbrechenden Elements 6 ist der Leuchtdiode 2 zugewandt. Die Leuchtdiode 2 liegt etwa in der Mitte der Kreisfläche 6a und weist einen möglichst geringen Abstand zu dieser Fläche 6a auf, wobei der Abstand mindestens so groß gewählt werden sollte, dass keine Hitzeschäden an dem lichtbrechenden Element 6 auftreten. Das lichtbrechende Element 6 ist aus einem transparenten Material gefertigt, beispielsweise Glas oder einem transparenten Kunststoff.
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5 zeigt eine durch die Beleuchtungseinrichtung mit einer Halbkugel erzeugte Lichtstärkeverteilung auf einem in einem Abstand zu der Beleuchtungseinrichtung angeordneten Schirm. Etwa 99% des von der Leuchtdiode 2 abgegebenen Lichts fallen auf die ebene Eintrittsfläche des Elements 6. Etwa 9% hiervon werden an der Eintrittsfläche reflektiert (Fresnelreflexion) und dringen somit nicht in das Element 6 ein. Die verbleibenden 90% durchdringen das Element, allerdings werden an der kugelförmigen Austrittsfläche 4% der Strahlen reflektiert (wiederum Fresnelreflexion) und verlassen das Element 6 somit nicht. Insgesamt durchdringen also 86% des Lichts das lichtbrechende Element 6. Diese 86% sind anschließend in einem Kegel mit einem Öffnungswinkel von etwa 35% gebündelt. 5a zeigt die Verteilung der Lichtstärke in diesem Bündel, d.h. in welche Richtung innerhalb des Bündels wie viel Lichtstrom geht. Der Schnitt durch diese Verteilung in 5b zeigt, dass abgesehen von einem schmalen Rand in jede Richtung innerhalb des Bündels nahezu derselbe Lichtstrom transportiert wird, das gleichbedeutend mit der Aussage ist, dass die Lichtstärke innerhalb des Bündels nahezu konstant ist. 5a liefert einen Hinweis dafür, wie das Licht nach dem Element 6 verteilt ist. Der 35°-Kegel entspricht einem Raumwinkel von 1,136 sr. Das bedeutet, dass die mittlere Lichtstärke gegenüber einer frei abstrahlenden Leuchtdiode 2 ohne lichtbrechendes Element 6 um den Faktor 5,5 erhöht wird. Dies ergibt sich daraus, dass der Lichtstrom konstant bleibt und gleichzeitig der Raumwinkel von 6,283 sr (2π) auf 1,136 sr vermindert wird.
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In 5a ist außen um den äußeren Rand der Lichtstärkeverteilung 6c herum ein heller Ring erkennbar (vgl. auch die höheren Lichtstärkewerte am Rand in 5b). Der helle Ring entsteht dadurch, dass schräg auf die Eintrittsfläche 6a fallende Strahlen nach der Brechung an der Eintrittsfläche 6a auf einen weiter außen liegenden Bereich der Halbkugel 6 treffen, wo sie stärker abgelenkt werden (der Luftweg vor der Einkopplung führt zu einer seitlichen Versetzung des Strahls in der Halbkugel 6).
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6 zeigt einen Lichtstrahlverlauf in einem Schnitt durch das als Halbkugel ausgebildete lichtbrechende Element 6. Ein großer Anteil 7a der Lichtstrahlen dringt unter Brechung an der Eintrittsfläche 6a in die Halbkugel 6 ein (mit durchgezogener Linie gezeichnete Strahlen). Aufgrund des Brechungsgesetzes ergibt sich, dass ein streifend einfallender Strahl im Material der Halbkugel 6 etwa einen Winkel von 39° gegen die Normale zur ebenen Eintrittsfläche 6a aufweist. Aufgrund von Fresnel-Reflexionen (z.B. im Bereich 6b) werden flach auf die Lichteintrittsfläche 6a auftreffende Strahlen mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit an der ebenen Fläche 6a reflektiert, was beispielhaft durch einen gepunkteten Lichtstrahl 7b dargestellt ist. Das führt dazu, dass nicht ein 39°-Lichtkegel, sondern - wie oben beschrieben - nur ein 35°-Kegel aus der Halbkugel 6 austritt. Etwa 4% der in die Halbkugel eingedrungenen Lichtstrahlen 7c werden an der Kugel- bzw. Austrittsfläche 6c reflektiert, was durch einen gestrichelten Strahl 7c verdeutlicht ist.
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Insgesamt führt der Fresnel-Effekt (vgl. beispielsweise den Bereich 6b auf der Eintrittsfläche 6a) dazu, dass statt der oben angegebenen 99% nur etwa 86% des Lichts durch die Halbkugel 6 in den 35°-Kegel gebrochen werden. Der Faktor der Erhöhung der mittleren Lichtstärke beträgt somit 75,7/15,9 = 4,7. Dabei berechnet sich die mittlere Lichtstärke mit der Halbkugel 6 unter Berücksichtigung des Fesnel-Effekts aus 86%/1,136 sr = 75,7. Die mittlere Lichtstärke nur mit der Leuchtdiode 2 und ohne Halbkugel 6 berechnet sich aus 100%/6,283 sr = 15,9. Damit können die Anforderungen an die erfindungsgemäße Kraftfahrzeugleuchte 10 erzielt werden, da 86% des Lichts die Halbkugel 6 durchdringen, statt des gesamten 180°-Halbraums nur ein 35°-Kegel bestrahlt wird und in sehr guter Näherung alle Strahlen von einem Punkt herkommen.
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Strahlt man durch die Halbkugel 6 wieder auf den paraboloiden Reflektor 4, ergibt sich ein Wirkungsgrad von 16% statt der 14% bei der bekannten Kraftfahrzeugleuchte 1. Die Verbesserung ist trotz massiver Erhöhung der Lichtstärke um den Faktor 4,7 relativ gering. Dies beruht auf dem in 7 dargestellten Sachverhalt. Dort ist rechts die Streuscheibe 5 (wie in den 2 und 3), die gekippte Halbkugel 6, der Paraboloidreflektor 4, der auf der gepunktet dargestellten Parabel 4" liegt, der 35°-Kegel und mit gestrichelter Linie der Paraboloidreflektor aus den 2 und 3, der hier mit den Bezugszeichen 4' bezeichnet ist. Das Kippen der Halbkugel 6 samt der Leuchtdiode 2 und dem abgestrahlten 35°-Kegel ist nötig, damit das Licht auf den steilen Bereich des Paraboloiden 4" trifft. Dies ist wiederum nötig, um die Höhe von 75mm des Reflektors 4 auszuleuchten, wobei die Höhe des höchsten Halbkugelpunktes den unteren Reflektorrand definiert, damit Licht von dem Reflektor 4 nicht wieder auf die Halbkugel 6 trifft. Weiterhin ist es erforderlich, die Brennweite des Reflektors 4 deutlich (in dem dargestellten Beispiel auf etwa 48mm) zu erhöhen, um eine ausgeleuchtet Höhe von 75mm zu erreichen, wobei gestrichelt der 20mm Reflektor 4' aus den 2 und 3 eingezeichnet ist. Selbstverständlich kann die Brennweite des Reflektors 4 auch auf andere Werte erhöht werden. Die Erhöhung der Brennweite führt dazu, dass mehr Licht den Reflektor 4 seitlich, d.h. senkrecht zur Zeichenebene und senkrecht zur Schnittebene verfehlt, was durch die um den Faktor 4,7 erhöhte Lichtstärke nur leicht überkompensiert wird.
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Dennoch kann man anhand der 8 bereits mit einem derart ausgebildeten lichtbrechenden Element 6 eine deutliche Verbesserung des Leuchtdichteverhältnisses gegenüber dem in 4 für die bekannte Kraftfahrzeugleuchte 1 dargestellten Verhältnis erkennen. Statt 10:1 ergibt sich jetzt in etwa ein Leuchtdichteverhältnis von etwa 3:1 (8,0:2,6) zwischen dem hellsten und den dunkelsten Lichtpunkt.
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Eine weitere Verbesserung erhält man durch eine andere Ausführungsform, bei der die Halbkugel 6 aus 7 senkrecht zur Zeichenebene und senkrecht zur Schnittebene mit einem geeignet gewählten Faktor, der > 0 und < 1 ist, skaliert wird. Wenn man hierfür einen konstanten Faktor, beispielsweise 0,8, wählt, wird die Halbkugel 6 zu einem Halb-Ellipsoid, also einer Halbkugel mit einer ellipsenförmigen Lichteintrittsfläche 6a. 9a zeigt eine durch die Beleuchtungseinrichtung mit einer mit dem Faktor 0,8 skalierten Halbkugel erzeugte Lichtstärkeverteilung auf einem in einem Abstand zu der Beleuchtungseinrichtung angeordneten Schirm. Dies verändert die Lichtstärkeverteilung aus 5b zu der in den 9b und 9c gezeigten Verteilung. Der vertikale Schnitt in 9c bleibt nahezu unverändert und damit auch die Homogenität, der horizontale Öffnungswinkel wird jedoch auf etwa 25° reduziert, so dass sich insgesamt eine ovale bzw. elliptische oder ellipsenähnliche Verteilung ergibt. Aufgrund der quer zur Schnittebene verschlankten Verteilung verfehlt weniger Licht den streifenförmigen Reflektor 4 seitlich. Das zentrale Lichtstärkemaximum im horizontalen Schnitt der 9b ist zur Erzielung der vorgeschriebenen Lichtverteilung (vgl. 1) ebenfalls vorteilhaft. Diese Maßnahme der Skalierung der Halbkugel 6 senkrecht zur Schnittebene erhöht die Effizienz auf etwa 20%, also um etwa +50% gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Kraftfahrzeugleuchte. Durch eine stärkere Skalierung mit einem Faktor kleiner 0,8 könnte die Effizienz weiter erhöht werden. Durch diese Maßnahme ist es möglich, die Größe Lichtstrom pro Raumwinkeleinheit über dem von dem Reflektor 4 erfassten Raumwinkelbereich zu beeinflussen.
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Die 10a und 10b zeigen zwei Ansichten des Reflektors 4 und der Halbkugel 6 einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte 10. Für drei zufällig gewählte Winkel µ sind Lichtstrahlen zu den seitlichen Randpunkten des Reflektors 4 eingezeichnet. Die gepunkteten Strahlen 8a spannen einen Winkel von 14°, die gestrichelten Strahlen 8b einen Winkel von 11° und die durchgezogenen Strahlen 8c einen Winkel von 9° auf (vgl. 10a). Da die Lichtstärke (vgl. 5) nahezu konstant über den gesamten Reflektor 4 ist, kann man daraus in sehr guter Näherung schließen, dass im unteren Bereich des Reflektors 4, der von den gepunkteten Strahlen 8a getroffen wird, etwa 1,5 Mal so viel Licht auftrifft, wie im oberen Bereich des Reflektors 4, der von den durchgezogenen Strahlen 8c getroffen wird. Um sowohl die Homogenität als auch die Effizienz der erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte 10 zu verbessern, kann die Skalierung der Halbkugel 6 senkrecht zu der Schnittebene und zur Zeichenebene der 10b mit unterschiedlichen Faktoren vorgenommen werden, die in Abhängigkeit von dem Winkel µ variieren. Auf diese Weise trifft in allen Bereichen des Reflektors 4 in etwa die gleiche Lichtmenge auf den Reflektor 4. Die Stärke der dafür erforderlichen Quetschungen der Halbkugel 6 ist in 10a durch die Länge von Pfeilen 9a bis 9c symbolisiert.
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11b zeigt zusätzlich zu 11a einen Schnitt des 35°-Lichtkegels 11 mit dem Paraboloiden 4, aus dem der 12mm breite Reflektorstreifen 4 ausgeschnitten wird. Ein relativ großer Anteil des Lichts in den Bereichen 11a und 11b des Lichtkegels 10 verfehlt den 12mm breiten Reflektor 4 seitlich. Dieses Licht kann als Lichtreservoir genutzt werden, das durch geeignete Verzerrungen der Halbkugel 6 zur Realisierung der Lichtverteilung der erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte 10 genutzt werden kann.
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In 12a ist gestrichelt die Halbkugel 6 dargestellt, deren Eigenschaften oben anhand der 5, 6 und 7 beschrieben wurden. Eine Rotationsachse der Halbkugel 6 ist mit dem Bezugszeichen 6d bezeichnet. Diese verläuft vorzugsweise parallel zu der Hauptaustrittsrichtung 3 des Lichts aus dem Leuchtmittel 2. Des Weiteren ist ein Körper 6' als lichtbrechendes Element dargestellt, der dadurch entsteht, dass die Halbkugel 6 senkrecht zur Schnittebene mit dem Faktor > 0 und < 1 skaliert, also gequetscht wurde, allerdings in diesem Fall nicht zu einem Ellipsoiden, wie er in 9 gezeigt ist. Stattdessen erfolgt die Skalierung der Halbkugel 6 mit einem variablen Faktor, der in Abhängigkeit von dem Winkel µ variiert. Dies führt zu einem durch eine gewölbte Freiformfläche 6c' und eine ebene Lichteintrittsfläche 6a' begrenzten Freiformkörper 6'. Es ist anzumerken, dass die beiden seitlichen gegenüberliegenden ebenen Begrenzungsflächen 6e für kleine und große Winkel µ durch Eigenheiten des zur Darstellung verwendeten CAD-Systems bedingt sind und für die vorliegende Erfindung unwesentlich sind, da in diesem Bereich kein Licht durch den Körper 6' hindurchtritt.
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Die gewölbte Freiformfläche 6c' erhält man, indem man vorzugsweise parallele Schnitte durch die Halbkugel 6 legt, diese mit steigendem Winkel µ (u liegt in der Schnittebene, Winkelspitze = Leuchtmittel) immer stärker senkrecht zur Schnittebene staucht und anschließend über die erhaltenen Kurven eine glatte Fläche zieht. In 12a sind diese gestauchten Kurven durchgezogen eingezeichnet. Für den kleinsten Winkel µ wurde mit einem geeignet gewählten Stauchungsfaktor von 0,9 begonnen und mit steigendem Winkel µ wurde die Stauchung (beispielsweise linear) bis zu dem ebenfalls geeignet gewählten Faktor 0,65 verstärkt. Selbstverständlich können die Stauchungsfaktoren für kleine und große Winkel µ auch andere Werte >0 und <1 annehmen. Ebenso ist es denkbar, den Stauchungsfaktor für steigenden Winkel µ nicht linear sondern auf beliebig andere Weise zu variieren. Für den größten Winkel µ wurde zur Orientierung durch eine gepunktete Linie 12 der Schnitt durch die Ausgangs-Halbkugel 6 eingezeichnet. Das beschriebene Vorgehen stellt sicher, dass in der Schnittebene bzw. der Zeichenebene aus 7 keine Veränderung der Halbkugel 6 erfolgt (in 12a durch eine strichpunktierte Linie 13 eingezeichnet) und somit keine Neuausrichtung des Körpers 6', wie anhand der 7 beschrieben, erfolgen muss. Dies wäre der Fall, wenn man die Schnittebenen 13 gegeneinander neigen würde, beispielsweise derart, dass die drei in 11a eingezeichneten Strahlenbündel 8a bis 8c Schnittebenen definieren. 12b zeigt eine Draufsicht auf den mittels des beschriebenen Vorgehens erhaltenen Freiformkörper 6' und insbesondere seine Kontur.
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13a zeigt eine durch den Freiformkörper 6' realisierte Lichtstärkeverteilung auf einem in einem Abstand zu der Beleuchtungseinrichtung angeordneten Schirm. Die entsprechende Lichtstärkeverteilung im horizontalen bzw. vertikalen Schnitt durch den Körper 6' ist in den 13b bzw. 13c gezeigt. Der Winkel µ verläuft in der Darstellung von 13a von unten nach oben. Insbesondere aus dem Vertikalschnitt (vgl. 13c), welcher der Schnittebene bzw. der Zeichenebene 13 aus 12a entspricht, kann man die stetige Erhöhung der Lichtstärke mit steigendem Winkel µ erkennen. Die Horizontalschnitte durch den Freiformkörper 6' weisen abgesehen von Effekten am Rand des Körpers 6' einen relativ konstanten Lichtstärkeverlauf auf (vgl. 13b).
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Aus 14 wird das hohe Maß an Homogenität deutlich, die mit einem solchen Freiformkörper 6' erzielt werden kann. Lässt man den ersten Peak der Lichtstärke außer Acht (dieser wird aufgrund des Randeffekts (siehe den Vertikalschnitt in 13c für kleine Winkel µ) und durch die Nähe zum Reflektor 4 erzeugt), ergibt sich ein Leuchtdichteverhältnis von weniger als 2:1 (8,0:4,0) zwischen dem hellsten und dem dunkelsten Bereich, was auch ein geübter Beobachter kaum mehr von dem Ideal-Verhältnis 1:1 unterscheiden kann. Mit dieser Maßnahme ergibt sich eine Effizienz von etwa 20%, also wiederum +50% gegenüber den bekannten Kraftfahrzeugleuchten 1.
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Die Verteilungen in den 13b und 13c zeigen in Verbindung mit der Beschreibung zu 11a (Winkelbreite der drei Lichtbündel 8a bis 8c: 14°, 11° und 9°), dass eine wesentliche Erhöhung der Effizienz der Leuchte 10 erreicht werden kann, indem man die Halbkugel 6 stärker staucht und somit schmalere Lichtverteilungen erzeugt als in den 9 und 13 (beide Verteilungen sind deutlich breiter als 9° bis 14°). So könnte man beispielsweise die Verzerrung der Halbkugel 6 aus 12a statt mit dem Faktor 0,9 mit dem Faktor 0,8 starten und wiederum mit steigendem Winkel µ den linearen Abfall auf den Faktor 0,65 anwenden. Da aus 9 und der dazugehörigen Beschreibung bekannt ist, dass ein konstanter Stauchungsfaktor von 0,8 zu einer Effizienz von etwa 20% führt, folgt unmittelbar, dass die Stauchung mit dem Faktor 0,8 bis 0,65 eine höhere Effizienz als bei dem Ausführungsbeispiel aus 9 ergibt. Dasselbe folgt direkt aus der Tatsache, dass alle bis auf den letzten Stauchungsfaktor im Fall 0,8 bis 0,65 kleiner als die entsprechenden Faktoren im Fall 0,9 bis 0,65 sind. Auf diese Weise lässt sich somit eine höhere Effizienz der erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte 10 erreichen. Allerdings kann diese höhere Effizienz unter Umständen auf Kosten der Homogenität der Lichtverteilung erfolgen. Die Verschlechterung der Homogenität kann insbesondere aus zwei Gründen nicht durch eine Verkleinerung des Stauchungsfaktors 0,65 kompensiert werden:
- - Die Verteilung aus 13a zeigt, dass die Winkelbreite der Lichtstärkeverteilung für das größte µ (oben bei etwa 35° vertikal) etwas unter 10° (+/- 5°) beträgt. Um den Reflektor 4 an dieser Stelle auszuleuchten, benötigt man gemäß 11a und der dazugehörigen Beschreibung ein 9° schmales Lichtbündel. Würde man stärker stauchen, würde der weitest entfernte Bereich des Reflektors nicht mehr über die gesamte Breite beleuchtet werden und der obere und untere Punkt in 14b wären dunkel.
- - Bei zu starker Stauchung der Halbkugel 6 fällt das Licht im Inneren des Körpers 6' so flach auf die gewölbte Freiformfläche 6c', dass Totalreflexion stattfindet und das Licht den Körper 6' nicht mehr verlassen kann, zumindest nicht in die gewünschte Lichtaustrittsrichtung.
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Mit der vorliegenden Erfindung und der erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte 10 ist es also möglich, zwischen den konkurrierenden Zielen einer möglichst hohen Effizienz (geringere Kosten) und einer möglichst großen Homogenität (gleichmäßiges Erscheinungsbild der Leuchte 10 bzw. der Lichtscheibe 5) zu wählen und die Leuchte 10 je nach den Wünschen und Vorgaben des Kunden zu variieren. Des Weiteren ergibt sich mit der Erfindung die Möglichkeit, nicht nur ein homogenes Erscheinungsbild zu erzeugen, sondern innerhalb gewisser Grenzen gezielt vorgegebene Helligkeitsverläufe auf der Lichtscheibe 5 zu verwirklichen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des lichtbrechenden Körpers 6' ist es denkbar, nur den Bereich des Körpers 6' auszuführen, der während des Betriebs der Kraftfahrzeugleuchte 10 von Licht durchflutet wird, das im weiteren Verlauf auf den Reflektor 4 trifft. Dadurch ergibt sich ein taillierter schmalerer Freiformkörper 6', der besser zum Spritzgießen geeignet ist (schnellere Abkühlung; geringere Formänderung beim Erhärten). Zudem hat ein solcher schmalerer Körper 6' ein geringeres Gewicht und benötigt weniger Bauraum. Ferner steigt die Effizienz dadurch deutlich an, für das oben beschriebene Beispiel von 20% auf 24%, also um +71% gegenüber dem Stand der Technik.
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Ein solcher schmalerer, taillierter Freiformkörper 6' ist in verschiedenen Ansichten beispielhaft in den 15a bis 15d dargestellt. Die höhere Effizienz ergibt sich, weil zusätzliche Seitenwände 6f' mittels Totalreflexion Lichtstrahlen so zur Austrittsfläche 6c' des Körpers 6' lenken, dass sie dort nach Brechung den Reflektor 4 treffen. Dieser Effekt wirkt sich zudem vorteilhaft auf die Homogenität der ausgeleuchteten Lichtscheibe 5 aus, wie sich aus einem Vergleich der Leuchtdichteverteilungen der 14 und 16 ergibt. Dabei zeigt die 16 die Leuchtdichteverteilung für den taillierten Körper 6' aus 15.
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In den beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die Lichteintrittsfläche 6a; 6a' des lichtbrechenden Elements 6; 6' eben ausgeführt. Dies ist vorteilhaft, da das System unempfindlicher auf Fehlpositionierungen des Leuchtmittels 2 reagiert, da die Ebene invariant gegenüber Translation ist. Erst die viel weiter von dem Leuchtmittel 2 entfernte gekrümmte Lichtaustrittsfläche 6c; 6c' bestimmt die einzuhaltenden Toleranzen.
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Zur Befestigung des lichtbrechenden Elements 6; 6' können entweder an den Seitenwänden 6f' oder an der zuvor zu diesem Zweck vergrößerten Eintrittsfläche 6a; 6a' Zapfen, Stifte, Klipse oder Auflageflächen für Klebe- oder Schweißverbindungen angefügt werden, insbesondere einstückig mit dem Element 6; 6' gespritzt werden.
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Aus dem horizontalen Schnitt der 13b folgt, dass auch ein Reflektor 4, der nicht die hier beispielhaft behandelte konstante Breite von 12 mm aufweist, sondern beispielsweise in der Mitte bauchig ausgeführt ist, einem Betrachter homogen erscheinen kann. Die Effizienz erhöht sich in diesem Fall. Der Beschnitt des lichtbrechenden Elements 6' analog zur 15 muss zuvor angepasst werden.
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Falls die in den 2 und 3 dargestellte Streuscheibe 5 nicht vorhanden ist oder ohne Streuelemente 5a, 5b ausgeführt ist, muss die Lichtverteilung (vgl. 1) durch Streuelemente auf dem Reflektor 4 erzeugt werden. Dies hat zur Folge, dass der Lichtaustrittsbereich von jedem Reflektorrandpunkt aus betrachtet so weit geöffnet sein muss, dass die komplette Lichtverteilung austreten kann.
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In den Ausführungsbeispielen wurde stets eine Leuchtdiode 2 als Leuchtmittel verwendet. Es ist denkbar, auch mehrere möglichst dicht nur nebeneinander oder matrixartig neben- und übereinander angeordnete Leuchtdioden pro Licht streuendem Element 6; 6' zu verwenden. Die Dioden 2 können Licht unterschiedlicher Farbe abgeben, um aus einer Leuchten-Anordnung 10 unterschiedliche Leuchtenfunktionen zu verwirklichen, zum Beispiel in einer Heckleuchte: gelbes Licht für Blinklicht, rotes Licht für Rücklicht und Bremslicht, etc.
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Aufgrund des relativ großen Abstands zwischen dem lichtbrechenden Element 6; 6' und dem Reflektor 4 (=kleiner Winkelfehler) können auch zwei unter Umständen einstückig ausgebildete lichtbrechende Elemente 6; 6' in einen gemeinsamen Reflektor 4 strahlen.
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Es ist denkbar, eine beliebige Anzahl von erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchten 10, wie sie beispielsweise in 7 dargestellt sind, senkrecht zur Schnittebene und der Zeichenebene der 7 nebeneinander anzuordnen. Die lichtbrechenden Elemente 6, 6' der nebeneinander angeordneten Leuchten 10 sind in diesem Fall vorteilhafterweise als ein einziger Körper einstückig ausgebildet. Bei mehreren separaten lichtbrechenden Elementen 6, 6' ist es denkbar, dass das Licht, das von einem lichtbrechenden Element 6, 6' einer bestimmten Leuchte 10 kommt, in einen Reflektor 4 einer benachbarten Leuchte 10 fällt, und so zur Erzeugung der resultierenden Lichtverteilung gemäß 1 beitragen kann. Dadurch kann eine weitere Steigerung der Effizienz erzielt werden.
