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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lichtleiterelement zur Verwendung in einer Beleuchtungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs. Das Lichtleiterelement dient zur Erzeugung einer vorgegebenen Lichtverteilung in einer Lichtaustrittsrichtung und umfasst
- - einen langgestreckten Lichtleiter aus einem transparenten Material,
- - mindestens eine Lichteintrittsfläche an einer Stirnfläche des Lichtleiters, wobei der Lichtleiter ausgebildet ist, über die mindestens eine Lichteintrittsfläche eingekoppeltes Licht entlang seiner Längserstreckung zu verteilen, und
- - mindestens eine Lichtaustrittsfläche an einer Seitenfläche des Lichtleiters, die sich entlang zumindest eines Teils einer Längserstreckung des Lichtleiters erstreckt.
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Die Erfindung betrifft auch eine Beleuchtungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs mit einer Lichtquelle zum Aussenden von Licht und einem Lichtleiterelement der oben genannten Art, in das zumindest ein Teil des ausgesandten Lichts einkoppelt.
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DE 10 2014 005 044 A1 offenbart bereits ein Lichtleiterelement gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die nicht vorveröffentlichte
DE 10 2014 212 299 A1 betrifft eine Lichtleiter-Anordnung zum Einsatz in einer Beleuchtungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs, die eine Halbleiter-Lichtquelle aufweist. Aus dem Stand der Technik sind ferner Lichtleiterelemente bekannt, die aus einem langgestreckten Lichtleiter aus einem transparenten Material bestehen. Die Lichtleiterelemente können gerade oder gebogen ausgebildet sein. Mindestens eine der Stirnseiten des Lichtleiters dient als Lichteintrittsfläche, über die Licht von mindestens einem Leuchtmittel in den Lichtleiter eintritt. Dazu können geeignete Einkoppelelemente oder Einkoppeloptiken zwischen Leuchtmittel und Eintrittsfläche angeordnet sein. Eine Einkoppeloptik kann auch integraler Bestandteil der Eintrittsfläche sein. Die Leuchtmittel umfassen mindestens eine Halbleiterlichtquelle bspw. in Form einer oder mehrerer Leuchtdioden.
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Das über die Eintrittsfläche in den Lichtleiter eingetretene Licht wird mittels interner Totalreflexion entlang der Längserstreckung des Lichtleiters weitergeleitet. Zumindest ein Teil der Seitenflächen entlang der Längserstreckung des Lichtleiters ist als Lichtaustrittsfläche ausgebildet, über die in dem Lichtleiter weitergeleitetes Licht aus dem Lichtleiter austritt. Licht tritt aus dem Lichtleiter aus, wenn an der Austrittsfläche die Voraussetzungen für interne Totalreflexion nicht erfüllt sind. Dies kann bspw. durch in dem Lichtleiter gegenüber der Austrittsfläche angeordnete Auskoppelelemente oder Auskoppeloptiken erzielt werden, die das in dem Lichtleiter weitergeleitete Licht so umlenken, dass es besonders steil auf die Austrittsfläche trifft und aus dem Lichtleiter austritt. Alternativ können auch Auskoppelelemente auf der Austrittsfläche selbst angeordnet sein.
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Problematisch bei den bekannten Lichtleitern ist es, dass das austretende Licht vorwiegend lediglich in eine Raumrichtung fokussiert wird (z.B.
DE 41 29 094 A1 ). Die Raumrichtung wird durch eine Wölbung der Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters bestimmt. Bei einer Wölbung der Austrittsfläche um eine Längsachse des Lichtleiters, erfolgt eine Fokussierung des austretenden Lichts insbesondere in einer Ebene senkrecht zur Längsachse. Ferner haben die bekannten Lichtleiter eine geringe Effizienz. Außerdem kann es nachteilig sein, dass mit den bekannten Lichtleitern lediglich ein etabliertes Erscheinungsbild von Lichtleitern erzielt werden kann. Dadurch ist eine Abgrenzung des Lichtleiters bzw. der Beleuchtungseinrichtung mit dem Lichtleiter im Design, insbesondere bei eingeschaltetem Leuchtmittel (Nachtdesign), zu anderen Fahrzeugen kaum bzw. nur in engen Grenzen möglich.
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Ferner sind aus dem Stand der Technik Leuchten für Kraftfahrzeuge bekannt, die eine Vielzahl von Einzeloptiken (sog. Vorsatzoptiken) aufweisen, um ein individuelles Nachtdesign der Leuchte zu erzeugen (z.B.
DE 10 2007 038 786 A1 786). Dabei erzeugt jede Vorsatzoptik eine Teillichtverteilung der von der Leuchte realisierten Gesamtlichtverteilung, so dass sich die Lichtverteilung aus einer Vielzahl von Teillichtverteilungen zusammensetzt. Bei den bekannten Leuchten ist üblicherweise jeder Vorsatzoptik ein eigenes Leuchtmittel, bspw. in Form einer Halbleiterlichtquelle, insbesondere einer Leuchtdiode, zugeordnet. Dadurch entstehen relativ hohe Kosten für die Vielzahl der erforderlichen Leuchtdioden und deren hochpräzise Montage. Zudem ist für die Anordnung, Kontaktierung und Ansteuerung der Leuchtdioden relativ viel Bauraum in der Leuchte und damit im Kraftfahrzeug erforderlich.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lichtleiterelement der eingangs genannten Art dahingehend auszugestalten und weiterzubilden, dass die oben genannten Nachteile der bekannten Lichtleiterelemente vermieden werden. Das Lichtleiterelement soll insbesondere eine Fokussierung des Lichts in beliebige Raumrichtungen ermöglichen und eine hohe Effizienz aufweisen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Lichtleiterelement zur Verwendung in einer Beleuchtungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs zur Erzeugung einer vorgegebenen Lichtverteilung in einer Lichtaustrittsrichtung vorgeschlagen, wobei das Lichtleiterelement Folgendes umfasst:
- - einen langgestreckten Lichtleiter aus einem transparenten Material,
- - mindestens eine Lichteintrittsfläche an einer Stirnfläche des Lichtleiters, wobei der Lichtleiter ausgebildet ist, über die mindestens eine Lichteintrittsfläche eingekoppeltes Licht entlang seiner Längserstreckung zu verteilen, und
- - mindestens eine Lichtaustrittsfläche an einer Seitenfläche des Lichtleiterelements, die sich entlang zumindest eines Teils der Längserstreckung des Lichtleiters erstreckt.
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Die Lichtaustrittsfläche ist Teil mindestens eines separat von dem langgestreckten Lichtleiter ausgebildeten Bauteils. Das Lichtaustrittsflächen-Bauteil ist derart an dem Lichtleiter angeordnet, dass aus dem Lichtleiter ausgekoppeltes Licht in das Lichtaustrittsflächen-Bauteil eingekoppelt, dort gebündelt und als die Lichtverteilung des Lichtleiterelements wieder aus dem Lichtaustrittsflächen-Bauteil ausgekoppelt wird, ohne das in das Lichtaustrittsflächen-Bauteil eingekoppelte Licht in diesem parallel zu der Längserstreckung des Lichtleiters zu verteilen, wobei zwischen dem langgestreckten Lichtleiter und dem Lichtaustrittsflächen-Bauteil in einem betriebsfertigen Zustand ein Luftspalt ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, dass der langgestreckte Lichtleiter eine Lichtaustrittsfläche, durch die zumindest ein Teil des in den Lichtleiter eingekoppelten Lichts austritt, und das Lichtaustrittsflächen-Bauteil eine Lichteintrittsfläche aufweist, über die zumindest ein Teil des aus dem Lichtleiter ausgetretenen Lichts in das Lichtaustrittsflächen-Bauteil eintritt. Die beiden Bauteile liegen also im betriebsbereiten Zustand lediglich über einen schmalen Luftspalt getrennt aneinander an, so dass über die Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters aus diesem austretendes Licht über die Lichteintrittsfläche des Lichtaustrittsflächen-Bauteils in dieses eintritt. Eine Lichtaustrittsfläche des Lichtaustrittsflächen-Bauteils entspricht einer Lichtaustrittsfläche des gesamten Lichtleiterelements. Das über die Lichtaustrittsfläche des Lichtaustrittsflächen-Bauteils austretende Licht erzeugt die resultierende Lichtverteilung des Lichtleiterelements. Die Lichtaustrittsfläche des Lichtleiterelements kann durch die separaten gewölbten Lichtaustrittsflächen einer Vielzahl von einzelnen bündelnden Optiken gebildet werden.
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Die Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters weist zueinander beabstandete Auskoppeloptiken und die Lichteintrittsfläche des Lichtaustrittsflächen-Bauteils zueinander beabstandete Einkoppeloptiken auf. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters und die Lichteintrittsfläche des Lichtaustrittsflächen-Bauteils eine komplementäre Form aufweisen. In diesem Sinne wird vorgeschlagen, dass die Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters zueinander beabstandete Auskoppeloptiken in Form von prismenförmigen Vertiefungen mit einer Längserstreckung und einer dreieckigen Querschnittsfläche aufweist, wobei die Längserstreckung der prismenförmigen Vertiefungen quer zur Längserstreckung des Lichtleiters an der jeweiligen Stelle des Lichtleiters verläuft. In entsprechender Weise wird vorgeschlagen, dass die Lichteintrittsfläche des Lichtaustrittsflächen-Bauteils zueinander beabstandete Einkoppeloptiken in Form von prismenförmigen Vorsprüngen mit einer Längserstreckung und einer dreieckigen Querschnittsfläche aufweist, wobei die Längserstreckung der prismenförmigen Vorsprünge quer zu einer Längserstreckung des Lichtaustrittsflächen-Bauteils an der jeweiligen Stelle des Lichtaustrittsflächen-Bauteils verläuft. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Einkoppeloptiken des Lichtaustrittsflächen-Bauteils auf den Zylinderachsen der Zylindersegmente der bündelnden Optiken oder auf Verlängerungen der Zylinderachsen angeordnet sind.
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Erfindungsgemäß verläuft der Luftspalt schräg zur Lichtaustrittsrichtung.
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Das erfindungsgemäße Lichtleiterelement ist zweigeteilt ausgestaltet. Dadurch kann es besonders gut, bspw. mittels eines Spritzgussverfahrens, hergestellt werden, da die Materialdicken gering gehalten werden können, die Zeiten für das Erkalten und Aushärten gering sind und es nur zu geringfügigen Materialschrumpfungen während des Erkaltens und Aushärtens kommt.
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Ein weiterer Vorteil des zweigeteilten Lichtleiterelements ist, dass in das erste Teil des Lichtleiterelements, den langgestreckten Lichtleiter, Licht über ein Leuchtmittel, bspw. in Form einer Leuchtdiode, eingekoppelt wird. Das Licht wird mittels Totalreflexion in diesem ersten Teil (dem Lichtleiter) entlang der Längserstreckung des Lichtleiters weitergeleitet und schließlich mittels Auskoppelelemente oder Auskoppeloptiken über eine Austrittsfläche aus diesem ausgekoppelt. Die Auskoppelelemente sind auf der Vorderseite des Lichtleiters angeordnet. Das ausgekoppelte Licht tritt über eine Eintrittsfläche des Lichtaustrittsflächen-Bauteils in dieses ein. Dort wird das Licht nicht entlang einer Längserstreckung des Lichtaustrittsflächen-Bauteils, die bspw. parallel zu der Längserstreckung des Lichtleiters verläuft, weitergeleitet. Vorzugsweise wird das Licht in dem Lichtaustrittsflächen-Bauteil bei Austritt aus dem Bauteil fokussiert. Dabei kann die Austrittsfläche des Lichtaustrittsflächen-Bauteils in mehrere Raumrichtungen gewölbt sein, so dass das Licht im Vergleich zu einem herkömmlichen Lichtleiter besser (nicht nur in eine Raumrichtung) fokussiert wird. Durch die bessere Fokussierung ist eine höhere Effizienz des Lichtleiterelements möglich.
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Die durch das Lichtleiterelement erzeugte Lichtverteilung, die bspw. eine Vielzahl von Lichtpunkten umfasst, kann eine weitgehend homogene Leuchtdichteverteilung aufweisen, d.h. die Helligkeitsverteilung ist möglichst gleichmäßig (homogen) über die gesamte Lichtaustrittsfläche des Lichtleiterelements. Es ist aber auch denkbar, mit dem erfindungsgemäßen Lichtleiterelement völlig neue Designs von resultierenden Lichtverteilungen zu generieren. In diesem Sinne wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, dass das Lichtaustrittsflächen-Bauteil eine Vielzahl von bündelnden Optiken aufweist, und dass das Lichtaustrittsflächen-Bauteil mit den bündelnden Optiken derart an dem Lichtleiter angeordnet ist, dass aus dem Lichtleiter ausgekoppeltes Licht in das Lichtaustrittsflächen-Bauteil eingekoppelt und durch die Optiken gebündelt wird und eine Vielzahl von durch die Optiken erzeugten Teillichtbündeln die Lichtverteilung des Lichtleiterelements erzeugt.
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Aufgrund der grundsätzlichen Unterschiede im Aufbau des erfindungsgemäßen Lichtleiterelements im Vergleich zu den bekannten Lichtleiterelementen ergibt sich ein anderes Erscheinungsbild des erfindungsgemäßen Lichtleiterelements, insbesondere hinsichtlich des Nachtdesigns. Dadurch ist eine deutliche Abgrenzung im Design zu den bekannten Lichtleiterelementen möglich. Je nach Gestaltung des zweiten Bauteils, d.h. des Lichtaustrittsflächen-Bauteils, ist es möglich, ein homogenes Erscheinungsbild oder auch bewusst ein Erscheinungsbild ähnlich dem von vielen Einzeloptiken zu erzeugen. Der Vorteil gegenüber einer Leuchte mit vielen Einzeloptiken ist, dass nur eine oder mehrere Lichtquellen an einer oder beiden Stirnseiten des Lichtleiters benötigt werden und nicht jeder Einzeloptik eine eigene Lichtquelle zugeordnet werden muss. Bei dem erfindungsgemäßen Lichtleiterelement wird von wenigen Lichtquellen Licht in den Lichtleiter eingekoppelt. Das aus dem Lichtleiter ausgetretene Licht von den wenigen Lichtquellen versorgt eine Vielzahl von bündelnden Optiken des Lichtaustrittsflächen-Bauteils mit Licht. Dies ist besonders kostengünstig und benötigt weniger Bauraum.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die bündelnden Optiken jeweils ein Zylindersegment mit einer Zylinderachse aufweisen, das in Lichtaustrittsrichtung an einer Stirnseite des Zylindersegments in ein gewölbtes Optikelement übergeht. Je nach den Anforderungen an die Bündelung des aus den Optiken austretenden Lichts kann das Optikelement beliebig gewölbt sein. Es ist denkbar, dass verschiedene Optikelemente unterschiedlich gewölbt sind. Vorteilhafterweise weist das oder jedes gewölbte Optikelement eine sphärische Lichtaustrittsfläche auf. Die sphärische Lichtaustrittsfläche ist vorzugsweise Teil eines als Halbkugel ausgebildeten Optikelements, wobei ein Zentrum der Halbkugel auf der Zylinderachse des der Halbkugel zugeordneten Zylindersegments liegt. Die Zylinderachsen erstrecken sich vorzugsweise in der Lichtaustrittsrichtung und damit quer oder schräg zu einer Längserstreckung des Lichtaustrittsflächen-Bauteils bzw. des Lichtleiters. Jedes der Optikelemente erzeugt eine separate TeilLichtverteilung, wobei sich die Teil-Lichtverteilungen aller Optikelemente zu der resultierenden Gesamtlichtverteilung des Lichtleiterelements ergänzen bzw. überlagern. Die einzelnen leuchtenden Optikelemente vermitteln dem Betrachter den Eindruck einer Vielzahl separater leuchtender Einzeloptiken, ohne dass jedoch jedem Optikelement eine eigene Lichtquelle (z.B. LED) zugeordnet werden müsste. Vielmehr wird das in dem Lichtleiter-Bauteil weitergeleitete Licht in das Lichtaustrittsflächen-Bauteil eingekoppelt, dort ggf. auf die verschiedenen bündelnden Optiken aufgeteilt und verlässt die Optiken über deren separate gewölbte Lichtaustrittsflächen. Eine oder mehrere Lichtquellen an einer oder beiden Stirnseiten des Lichtleiters erzeugen also das Licht, das dann über die einzelnen gewölbten Optikelemente ausgekoppelt wird.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auch durch eine Beleuchtungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs der eingangs genannten Art gelöst, bei der das Lichtleiterelement als ein erfindungsgemäßes Lichtleiterelement ausgebildet ist. Außer dem Lichtleiterelement kann die Beleuchtungseinrichtung auch noch mindestens ein Lichtmodul zur Erzeugung einer vorgegebenen Fahrtlichtverteilung aufweisen. Eine Fahrtlichtverteilung ist bspw. ein Abblendlicht, ein Fernlicht, ein Nebellicht, ein Kurvenlicht oder eine beliebige dynamische Fahrlichtverteilung. Ebenso kann die Beleuchtungseinrichtung auch noch mindestens ein Leuchtenmodul zur Erzeugung einer vorgegebenen Lichtverteilung aufweisen. Das Leuchtenmodul kann bspw. Blinklicht, Stand-/Positionslicht, Tagfahrlicht o.ä. erzeugen. Das Lichtleiterelement kann Teil eines Lichtmoduls sein. Besonders bevorzugt ist das Lichtleiterelement jedoch Teil eines Leuchtenmoduls.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf ein in den Figuren gezeigtes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lichtleiterelements näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Lichtleiterelement;
- 2 einen Ausschnitt des Lichtleiterelements aus 1;
- 3a einen Lichtleiter als erstes Bauteil des Lichtleiterelements aus 2;
- 3b ein Lichtaustrittsflächen-Bauteil als zweites Bauteil des Lichtleiterelements aus 2;
- 4 eine Ansicht entgegen einer Lichtaustrittsrichtung auf das Lichtleiterelement aus 1;
- 5 einen Ausschnitt des Lichtleiterelements aus 2;
- 6 einen Ausschnitt des Lichtleiterelements aus 2 mit einem beispielhaft eingezeichneten Lichtstrahl;
- 7 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung; und
- 8 eine Ansicht entgegen einer Lichtaustrittsrichtung auf die Beleuchtungseinrichtung aus 7.
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Eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs ist in ihrer Gesamtheit in 7 mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Die Beleuchtungseinrichtung 1 ist in dem dargestellten Beispiel als ein Kraftfahrzeugscheinwerfer ausgebildet. Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung 1 auch als eine Kraftfahrzeugleuchte realisiert sein. Die Beleuchtungseinrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 2, das vorzugsweise aus Kunststoff gefertigt ist. In einer Lichtaussetzrichtung 3 weist das Gehäuse 2 eine Lichtaustrittsöffnung auf, die durch eine transparente Abdeckscheibe 4 verschlossen ist. Die Abdeckscheibe 4 besteht aus Glas oder einem transparenten Kunststoff. Sie kann zumindest bereichsweise mit optisch wirksamen Elementen (z.B. Prismen und/oder Zylinderlinsen) zur Streuung des hindurchtretenden Lichts in vertikaler und/oder horizontaler Richtung ausgebildet sein (sogenannte Streuscheibe). Sie kann aber auch als sog. klare Scheibe ohne optisch wirksame Elemente ausgebildet sein. Die Abdeckscheibe 4 kann, insbesondere bei einer als Heckleuchte ausgebildeten Beleuchtungseinrichtung, auch ganz oder bereichsweise eingefärbt sein.
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Im Inneren des Gehäuses 2 der Beleuchtungseinrichtung 1 sind in dem dargestellten Beispiel zwei Lichtmodule 5, 6 angeordnet, die zur Erzeugung eines Fahrtlichts (z.B. Abblendlicht, Fernlicht, Nebellicht, etc.) in Lichtaustrittsrichtung 3 ausgebildet sind. Selbstverständlich kann im Inneren des Gehäuses 2 auch lediglich ein Lichtmodul oder können mehr als die zwei gezeigten Lichtmodule 5, 6 angeordnet sein. Das erste Lichtmodul 5 ist in diesem Beispiel als ein Projektionsmodul ausgebildet, während das zweite Lichtmodul 6 als ein Reflexionsmodul ausgebildet ist. Bei einem Reflexionsmodul 6 wird das von einer Lichtquelle 7 ausgesandte Licht mittels eines Reflektors 8 in Lichtaustrittsrichtung 3 zur Erzeugung der gewünschten Lichtverteilung des Fahrtlichts ausgesandt. Der Reflektor 8 ist dabei vorzugsweise als ein Paraboloid oder als ein paraboloidähnlicher Freiformreflektor ausgebildet.
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Bei einem Projektionsmodul 5 wird das von einer Lichtquelle 9 ausgesandte Licht mittels eines Reflektors 10 gebündelt und in Fahrtrichtung 3 reflektiert. Der Reflektor 10 ist vorzugsweise als ein Ellipsoid oder als ein ellipsoidähnlicher Freiformreflektor ausgebildet. Die Lichtquelle 9 ist in einem Brennpunktsbereich des Reflektors 10 angeordnet. In einem zweiten Brennpunktsbereich des Reflektors 10 kann eine Blende mit einer im Wesentlichen horizontalen Kante angeordnet sein, die zur Erzeugung der Hell-Dunkel-Grenze einer abgeblendeten Lichtverteilung dient. Die Blende ist in 7 durch eine gestrichelte Linie 11 angedeutet. Im Strahlengang des von dem Reflektor 10 reflektierten Lichts ist eine Projektionslinse 12 angeordnet, die das Licht zur Erzeugung der gewünschten Lichtverteilung des Fahrtlichts auf die Fahrbahn vor das Kraftfahrzeug projiziert. Bei einer abgeblendeten Lichtverteilung (mit Blende 11) bildet die Projektionslinse 12 die Oberkante der Blende 11 als Hell-Dunkel-Grenze der Lichtverteilung auf der Fahrbahn ab.
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Beide Lichtmodule 5, 6 können entweder fest oder um eine vertikale und/oder horizontale Achse verschwenkbar in dem Gehäuse 2 angeordnet sein. Durch ein Verschwenken von einem oder mehreren der Lichtmodule 5, 6 um eine horizontale Achse kann eine Leuchtweiteregelung erzielt werden. Durch ein Verschwenken von einem oder mehreren der Lichtmodule 5, 6 um eine horizontale Achse kann eine Leuchtweiteregelung erzielt werden. Durch ein Verschwenken von einem oder mehreren der Lichtmodule 5, 6 um eine vertikale Achse kann eine dynamische Kurvenlichtfunktion realisiert werden. Die von der Beleuchtungseinrichtung 1 erzeugte Fahrtlichtverteilung kann entweder durch eines der Lichtmodule 5, 6 um eine vertikale Achse kann eine dynamische Kurvenlichtfunktion realisiert werden. Die von der Beleuchtungseinrichtung 1 erzeugte Fahrtlichtverteilung kann entweder durch eines der Lichtmodule 5, 6 oder durch Zusammenwirken beider Lichtmodule 5, 6 erzeugt werden.
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In dem Gehäuse 2 der Beleuchtungseinrichtung 1 ist ferner ein erfindungsgemäßes Lichtleiterelement angeordnet, das in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 13 bezeichnet ist. Das Lichtleiterelement 13 dient vorzugsweise zur Erzeugung einer Leuchtenfunktion, bspw. Blinklicht, Tagfahrlicht, statisches Kurvenlicht oder Positions-/ Standlicht. Aufbau und Funktionsweise des Lichtleiterelements 13 werden nachfolgend anhand der 1 bis 6 erläutert. 8 zeigt eine Ansicht auf die Beleuchtungseinrichtung 1 aus 7 von vorne entgegen der Lichtaustrittsrichtung 3.
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Das Lichtleiterelement 13 ist Teil einer Signalleuchte. Die Signalleuchte bzw. das Lichtleiterelement 13 folgt in seinem Verlauf einer vorderen Kontur des Scheinwerfers 1 bzw. dem Verlauf der Abdeckscheibe 4. Der Verlauf der Abdeckscheibe 4 ist durch die Form und Abmessungen einer Einbauöffnung für den Scheinwerfer 1 in der Karosserie bzw. durch das Design der Kraftfahrzeugkarosserie, insbesondere in einem Bereich um den Scheinwerfer 1 herum, vorgeben. In modernen stromlinienförmigen Kraftfahrzeugen fallen die Scheinwerfer 1 bzw. deren Abdeckscheiben 4 häufig zur Außenseite des Kraftfahrzeugs und nach oben zur Motorhaube hin zurück. Dadurch ergibt sich eine zum Teil stark ausgeprägte Pfeilung moderner Scheinwerfer 1. Zudem ist bevorzugt, wenn die Lichtleiter 13 von Signalleuchten weit vorne in dem Gehäuse 2, also dicht an der Abdeckscheibe 4, angeordnet sein, damit das durch sie abgestrahlte Licht die gesetzlichen Anforderungen an die seitliche Sichtbarkeit erfüllt. Das von einer Signalleuchte ausgesandte Licht muss nämlich nicht nur von vorne (entgegen der Lichtaustrittsrichtung 3), sondern auch von der Seite aus relativ großen Winkeln noch gut sichtbar sein. Dazu muss die Signalleuchte Licht in einem großen horizontalen Winkelbereich aussenden. Wenn die Signalleuchte zu tief im Gehäuse 2 angeordnet ist, würde das seitlich ausgesandte Licht durch die seitlichen Wandungen des Gehäuses 2 abgeschattet werden.
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Die starke Pfeilung des Scheinwerfers 1 und die Anforderung, dass eine Signalleuchte möglichst weit vorne in dem Scheinwerfergehäuse 2 angeordnet sein muss führt dazu, dass eine Längserstreckung des Lichtleiterelements 13 nicht quer, sondern in relativ flachen Winkel bezüglich der Lichtaustrittsrichtung 3 verläuft. Das kann zu Problemen hinsichtlich einer gleichmäßigen Ausleuchtung des Lichtleiterelements 13 über seine gesamte Länge führen, die mit der vorliegenden Erfindung behoben werden können.
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In 1 ist das erfindungsgemäße Lichtleiterelement 13 in einer Draufsicht gezeigt. Das Lichtleiterelement 13 ist zweiteilig ausgebildet und umfasst als erstes Bauteil einen Lichtleiter 14, der in diesem Beispiel und in der dargestellten Ansicht gebogen ist. Selbstverständlich wäre es auch denkbar, dass der Lichtleiter 14 als ein gerades Bauteil ausgebildet ist. Mindestens eine der Stirnflächen des Lichtleiters 14 ist als eine Lichteintrittsfläche 15 ausgebildet. Vor der oder jeder Lichteintrittsfläche 15 ist mindestens ein Leuchtmittel 16 positioniert, das Licht aussendet, welches über die Eintrittsfläche 15 in den Lichtleiter 14 eintritt. Das Leuchtmittel 16 umfasst vorzugsweise eine oder mehrere matrixartig angeordnete Leuchtdioden. Es ist denkbar, das Leuchtmittel 16 möglichst dicht vor der Eintrittsfläche 15 zu positionieren, damit ein möglichst großer Anteil des ausgesandten Lichts in den Lichtleiter 14 eintritt. Ebenso ist es denkbar, zwischen dem Leuchtmittel 16 und der Lichteintrittsfläche 15 des Lichtleiters 14 optisch wirksame Elemente, beispielsweise eine Linse oder Vorsatzoptik, anzuordnen, um einen größeren Anteil des von dem Leuchtmittel 16 ausgesandten Lichts auf die Lichteintrittsfläche 15 des Lichtleiters 14 zu bündeln. Das in den Lichtleiter 14 über die Eintrittsfläche 15 eingetretene Licht wird mittels Totalreflexion entlang einer Längserstreckung 17 des Lichtleiters 14 weitergeleitet und so über die gesamte Länge des Lichtleiters 14 verteilt.
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Als zweites Bauteil umfasst das Lichtleiterelement 13 ein Lichtaustrittsflächen-Bauteil 18. Dieses ist mit seiner Lichteintrittsfläche 20 (vgl. 2) in einem geringen Abstand zu einer Lichtaustrittsfläche 19 (vgl. 2) des Lichtleiters 14 angeordnet. Zwischen der Lichtaustrittsfläche 19 des Lichtleiters 14 und der Lichteintrittsfläche 20 des Lichtaustrittsflächen-Bauteils 18 ist somit ein schmaler Luftspalt 21 (vgl. 2) ausgebildet. Das über die Austrittsfläche 19 aus dem Lichtleiter 14 austretende Licht tritt nach dem Durchschreiten des Luftspalts 21 über die Lichteintrittsfläche 20 in das Lichtaustrittsflächen-Bauteil 18 ein. Das eintretende Licht wird in dem Lichtaustrittsflächen-Bauteil 18 geformt (z.B. gebündelt, gestreut, umgelenkt o.ä.) und anschließend in die Hauptaustrittsrichtung 3 ausgekoppelt, in der Regel ohne dass das Licht nochmals entlang der Längserstreckung 17 des Lichtleiters 14 bzw. einer parallel dazu verlaufenden Längserstreckung des Lichtaustrittsflächen-Bauteils 18 in dem Lichtaustrittsflächen-Bauteil 18 verteilt wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Lichtleiterelement 13 dient also der Lichtleiter 14 im Wesentlichen dazu, das über die Eintrittsflächen 15 eingekoppelte Licht über die gesamte Länge des Lichtleiterelements 13 möglichst gleichmäßig zu verteilen. Das Lichtaustrittsflächen-Bauteil 18 dient dagegen im Wesentlichen dazu, das bereits über die gesamte Länge des Lichtleiterelements 13 verteilte Licht so zu formen, dass es nach dem Austritt aus dem Bauteil 18 die resultierende Lichtverteilung erzeugt.
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In 2 ist ein Ausschnitt des Lichtleiterelements 13 aus 1 vergrößert dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass das Lichtaustrittsflächen-Bauteil 18 eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten bündelnden Optiken 22 umfasst. Insbesondere sind die Optiken 22 entlang der Längserstreckung 17 des Lichtleiters 14 bzw. parallel dazu nebeneinander angeordnet. Das aus dem Lichtleiter 14 über die Austrittsfläche 19 bzw. dort vorgesehene Auskoppelelemente oder Auskoppeloptiken ausgekoppelte Licht wird über die Eintrittsfläche 20 bzw. dort vorgesehene Einkoppelelemente oder Einkoppeloptiken in das Lichtaustrittsflächen-Bauteil 18 eingekoppelt und durch die Optiken 22 in mindestens eine, vorzugsweise in mehrere Raumrichtungen gebündelt. Eine Vielzahl von durch die Optiken 22 erzeugten Teillichtbündeln erzeugt die resultierende Gesamt-Lichtverteilung des erfindungsgemäßen Lichtleiterelements 13.
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Die bündelnden Optiken 22 des dargestellten Beispiels weisen jeweils ein Zylindersegment 23 mit einer Zylinderachse 24 auf, das in Lichtaustrittsrichtung 3 an einer Stirnseite des Zylindersegments 23 in ein gewölbtes Optikelement 25 übergeht. Die Achsen 24 verlaufen vorzugsweise parallel zu der Lichtaustrittsrichtung 3. Die gewölbten Optikelemente 25 weisen jeweils eine konkav oder konvex gewölbte Lichtaustrittsfläche 26 auf. Vorzugsweise ist die Austrittsfläche 26 konvex gewölbt. In den Figuren ist eine sphärisch gewölbte, d.h. halbkugelförmig ausgebildete Lichtaustrittsfläche 26 gezeigt. Die sphärische Lichtaustrittsfläche 26 ist Teil (die Oberfläche) eines als Halbkugel ausgebildeten Optikelements 25. Ein Zentrum der Halbkugel 25 liegt auf der Zylinderachse 24 des der Halbkugel 25 zugeordneten Zylindersegments 23. Besonders bevorzugt ist die Austrittsfläche 26 jedoch asphärisch ausgebildet, bspw. in Form einer torischen Fläche. Dadurch kann eine besonders vorteilhafte Lichtverteilung erzielt werden, die sich vertikal von etwa -10° bis +10° und horizontal von -20° bis +20° erstreckt. Auch ein asphärisches Optikelement 25 kann Symmetrien aufweisen, bspw. eine Spiegelsymmetrie zu einer horizontalen oder vertikalen Ebene, die jeweils die Zylinderachse 24 enthält.
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Durch die Lichtaustrittsfläche 19 des langgestreckten Lichtleiters 14 tritt zumindest ein Teil des in den Lichtleiter 14 eingekoppelten Lichts aus. Über die Lichteintrittsfläche 20 des Lichtaustrittsflächen-Bauteils 18 tritt zumindest ein Teil des aus dem Lichtleiter 14 ausgetretenen Lichts in das Lichtaustrittsflächen-Bauteil 18 ein. Die oder jede Lichtaustrittsfläche 19 des Lichtleiters 14 und die oder jede Lichteintrittsfläche 20 des Lichtaustrittsflächen-Bauteils 18 weisen vorzugsweise eine komplementäre Form auf.
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Durch die Zweiteilung des Lichtleiterelements 13 in die Bauteile 14, 18 ist es insbesondere möglich, den Strahlenverlauf in dem Lichtleiterelement 13 derart zu beeinflussen, dass insbesondere aufgrund einer Pfeilung der Scheinwerfer 1 sehr schräg stehende Lichtleiterelemente 13 über die gesamte Längserstreckung 17 gleichmäßig und hinsichtlich der einzelnen Lichtaustrittsflächen 26 (vgl. 2) homogen ausgeleuchtet werden. Der Strahlenverlauf kann bspw. dadurch beeinflusst werden, dass der Übergang des Lichts zwischen den beiden Bauteilen 14, 18 variiert wird. Dies kann durch Variation der Lichtaustrittsfläche 19 und/oder der Lichteintrittsfläche 20 bzw. durch eine Variation der Anordnung, Abmessungen und Form von Auskoppeloptiken 27 und/oder Einkoppeloptiken 28 (vgl. 3) erfolgen, was weiter unten im Detail erläutert wird. Durch die einzelnen Lichtaustrittsflächen 26 werden Teil-Lichtbündel aus dem Lichtleiterelement 13 ausgekoppelt, die sich zu der resultierenden Lichtverteilung der Signalleuchte ergänzen und/oder überlagern. Es ergibt sich also ein Design der Signalleuchte mit einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Lichtpunkten, die durch eine einzige Lichtquelle 16 erzeugt werden können.
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Anhand der 3 kann man erkennen, dass die Lichtaustrittsfläche 19 des Lichtleiters 14 zueinander beabstandete Auskoppeloptiken 27 und die Lichteintrittsfläche 20 des Lichtaustrittsflächen-Bauteils 18 zueinander beabstandete Einkoppeloptiken 28 aufweisen. In dem dargestellten Beispiel weist die Lichtaustrittsfläche 19 des Lichtleiters 14 zueinander beabstandete Auskoppeloptiken 27 in Form von prismenförmigen Vertiefungen mit einer Längserstreckung und einer dreieckigen Querschnittsfläche (vgl. den Schnitt in 3a) auf. Die Längserstreckung der prismenförmigen Vertiefungen 27 verläuft quer zur Längserstreckung 17 des Lichtleiters 14 und in die Zeichenebene hinein an der jeweiligen Stelle des Lichtleiters 14. In entsprechender Weise umfasst die Lichteintrittsfläche 20 des Lichtaustrittsflächen-Bauteils 18 zueinander beabstandete Einkoppeloptiken 28 in Form von prismenförmigen Vorsprüngen mit einer Längserstreckung und einer dreieckigen Querschnittsfläche (vgl. 3b), wobei die Längserstreckung der prismenförmigen Vorsprünge 28 quer zu einer Längserstreckung (parallel zur Längserstreckung 17) des Lichtaustrittsflächen-Bauteils 18 und in die Zeichenebene hinein an der jeweiligen Stelle des Lichtaustrittsflächen-Bauteils 18 verläuft. Die Einkoppeloptiken 28 des Lichtaustrittsflächen-Bauteils 18 sind vorzugsweise auf Zylinderachsen 24 der Zylindersegmente 23 der bündelnden Optiken 22 angeordnet. Die Einkoppeloptiken 28 können somit als virtuelle Lichtquellen für die bündelnden Optiken 22 betrachtet werden.
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Die 3a und 3b zeigen die beiden Einzelteile 14, 18 des Lichtleiterelements 13 getrennt voneinander: In dem ersten Teil 14 wird das Licht über eine Lichtquelle 16 eingekoppelt. Licht, das in dem ersten Teil 14 geführt wird, kann über die Auskoppeloptiken 27 ausgekoppelt werden. Die Auskoppeloptiken 27 befinden sich auf einer in Lichtaustrittsrichtung 3 gerichteten Frontfläche des ersten Teils 14, d.h. die Auskoppeloptiken 27 sind auf der Fläche 19 angeordnet, durch die das Licht austritt. Auf dem zweiten Teil 18 befinden sich Einkoppeloptiken 28. Diese können zu den Auskoppeloptiken 27 komplementär ausgebildet sein (vgl. 6a). Die beiden Bauteile 14 und 18 werden derart zueinander positioniert, dass Licht, das durch eine Auskoppeloptik 27 aus dem Lichtleiter 14 austritt, durch eine dieser Auskoppeloptik 27 zugeordnete komplementäre Einkoppeloptik 28 in das zweite Bauteil 18 eingekoppelt wird. Die Front- oder Oberflächen 26 des zweiten Bauteils 18 können derart geformt sein, dass Licht beim Austritt aus dem zweiten Bauteil 18 in eine oder mehrere Raumrichtungen fokussiert wird.
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4 zeigt eine Frontansicht auf das erfindungsgemäße Lichtleiterelement 13 entgegen der Lichtaustrittsrichtung 3. Die Vorderseite des Lichtleiterelements 13 wird größtenteils durch das Lichtaustrittsflächen-Bauteil 18 bzw. die Front- oder Oberflächen 26 der bündelnden Optiken 22 gebildet. Lediglich an den Rändern des Lichtleiterelements 13 kann man den in der Frontansicht hinter dem Lichtaustrittsflächen-Bauteil 18 angeordneten Lichtleiter 14 erkennen. Man erkennt ferner deutlich, dass die bündelnden Optiken 22 entlang der Längsachse 17 des Lichtleiters 14 nebeneinander angeordnet sind. Die Optiken 22 können unmittelbar aneinander grenzen oder zueinander beabstandet sein.
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In 5 ist ein Ausschnitt des Lichtleiterelements 13 aus 2 in einem Horizontalschnitt gezeigt. Die 6a und 6b zeigen verschiedene parallel zueinander verlaufende, zueinander beabstandete Horizontalschnitte durch dasselbe Lichtleiterelement 13 parallel zu der Längserstreckung 17 des Lichtleiterelements 13. In 6a ist der gleiche Ausschnitt aus 5 nochmals gezeigt mit einem beispielhaft eingezeichneten Lichtstrahl 29'. In 6b sind in einem anderen Horizontalschnitt durch das Lichtleiterelement 13 auf der Lichtaustrittsfläche 19 des Lichtleiters 14 nach wie vor zueinander beabstandete Auskoppeloptiken 27 in Form von prismenförmigen Vertiefungen mit einer Längserstreckung und einer dreieckigen Querschnittsfläche (vgl. den Schnitt in 3a) angeordnet. Die auf der Lichteintrittsfläche 20 des Lichtaustrittsflächen-Bauteils 18 ausgebildeten, zueinander beabstandeten Einkoppelelemente 28' sind jedoch gegenüber den prismenförmigen Vorsprüngen 28 mit einer dreieckigen Querschnittsfläche (vgl. 3b) abgeflacht. Es ist sogar denkbar, dass die Einkoppelelemente 28' so weit abgeflacht sind, dass sie auf den ersten Blick von der restlichen Lichteintrittsfläche 20 nicht zu unterscheiden sind.
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Zur Erzeugung einer möglichst gleichmäßigen Verteilung des in das Lichtleiterelement 13 eingekoppelten Lichts über die gesamte Länge des Lichtleiterelements 13 bietet die vorliegende Erfindung eine Vielzahl von Möglichkeiten. Es ist denkbar, dass die Auskoppeloptiken 27 und die Einkoppeloptiken 28 gleich große Abmessungen in ihren Längserstreckungen und quer dazu aufweisen, so dass die Optiken 27, 28 streng komplementär zueinander ausgebildet sind (vgl. 6a). Es ist aber auch denkbar, dass die Abmessungen der Einkoppeloptiken 28 zumindest über einen Abschnitt in ihrer Längserstreckung betrachtet von den Abmessungen der Auskoppeloptiken 27 abweichen (vgl. 6b). Durch eine Variation der Form der Einkoppeloptiken 28 kann der Verlauf der Lichtstrahlen in den bündelnden Optiken 22 verändert werden, was anhand eines Vergleichs der Lichtstrahlen 29' und 29" in den 6a und 6b deutlich wird. Auf diese Weise kann insbesondere erreicht werden, dass die gesamte gewölbte Lichtaustrittsfläche 26 aus einer Sicht entgegen der Lichtaustrittsrichtung 3 möglichst gleichmäßig und homogen ausgeleuchtet wird, selbst wenn das Lichtleiterelement 13 aufgrund einer starken Pfeilung des Scheinwerfers 1 schräg zur Lichtaustrittsrichtung 3 verläuft.
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6a zeigt - wie gesagt - einen Horizontalschnitt durch streng komplementär ausgebildete Auskoppeloptiken 27 und Einkoppeloptiken 28 in Form von prismenförmigen Vertiefungen 27 bzw. prismenförmigen Vorsprüngen 28 jeweils mit einer dreieckigen Querschnittsfläche. 6b zeigt einen Bereich 28' derselben Einkoppeloptik neben (in der Zeichenebene hinter oder vor) den prismenförmigen Vorsprüngen 28 aus 6a. Dabei haben also die Einkoppeloptiken 28 über ihre Längserstreckung betrachtet unterschiedliche Querschnittsformen. Die Einkoppelelemente 28 haben nicht die gleiche Breite wie die Auskoppeloptiken 27. Selbstverständlich wäre es auch denkbar, eine Einkoppeloptik 28 über ihre gesamte Längserstreckung wie in 6a gezeigt und eine andere Einkoppeloptik 28 über ihre gesamte Längserstreckung wie in 6b auszubilden. Ferner müssen die Flächen, durch die das Licht aus den Auskoppeloptiken 27 austritt, nicht parallel zu der Fläche der Lichteinkoppelelemente 28 verlaufen, über die das ausgekoppelte Licht in das Bauteil 18 eintritt. Des Weiteren kann die Austrittsfläche des Auskoppelelements 27 des Lichtleiters 14 und/oder die Eintrittsfläche des Einkoppelelements 28 des Lichtleiters 14 entsprechend den lichttechnischen Anforderungen in einer oder in zwei Dimensionen gekrümmt ausgebildet sein. Auch die Abmessungen (Tiefe und Höhe) der Auskoppel- und Einkoppelelemente 27, 28 können variieren. Damit kann der ausgekoppelte Lichtstrom gesteuert werden, der durch die einzelnen Lichtaustrittsflächen 26 aus dem Bauteil 18 bzw. dem Lichtleiterelement 13 austritt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Lichtleiterelement 13 kann die Ausleuchtung der Lichtaustrittsflächen 26 über die Breite (in die Zeichenebene hinein) der Lichteinkoppelelemente 28 alleine bzw. die Breite der Lichtauskoppel- und der Lichteinkoppelelemente 27, 28 beeinflusst werden. Das ist in Verbindung mit einer Pfeilung des Scheinwerfers 1 ein wichtiges Instrument, um den variierenden Winkel zwischen der Lichtaustrittsachse 3 und der Längserstreckung 17 bzw. der Lichthauptausbreitungsrichtung des Lichtleiterelements 13 auszugleichen. Wenn dies nicht ausgeglichen würde, wären bspw. in dem zweiteiligen Lichtleiterelement 13 in 7 die Lichtaustrittsflächen 26, die am dichtesten zu der Fahrzeugmittelachse liegen, nur teilweise ausgeleuchtet, nämlich auf der der Fahrzeugmittelachse zugewandten Seite. Die zur Fahrzeugaußenseite gewandten Seiten der am dichtesten zu der Fahrzeugmittelachse angeordneten Austrittsflächen 26 wäre schwach oder sogar garnicht ausgeleuchtet. Diese inhomogene Ausleuchtung der gewölbten Lichtaustrittsflächen 26 kann durch die vorliegende Erfindung verhindert werden.
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Das Lichtleiterelement 13 ist bei der vorliegenden Erfindung aus zwei Einzelteilen 14, 18 aufgebaut. In das erste Einzelteil 14 wird das Licht einer Lichtquelle 16 über eine Eintrittsfläche 15 an einer Stirnfläche 15 des Lichtleiters 14 eingekoppelt. Das Licht wird in diesem Teil 14 geführt und schließlich ausgekoppelt und in das zweite Einzelteil 18 eingekoppelt. Die beiden Einzelteile 14, 18 sind durch den Luftspalt 21 voneinander getrennt. Das zweite Einzelteil 18 fokussiert das Licht beim Austritt aus diesem durch die Lichtaustrittsfläche 26 der Optiken 22. Die Austrittsfläche 26 der Optiken 22 ist in mehrere Raumrichtungen gewölbt. Dadurch wird das Licht beim Austritt aus diesem im Vergleich zur normalen Lichtleitung besser fokussiert. Durch die bessere Fokussierung ist eine höhere Effizienz möglich.
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Aufgrund der grundsätzlichen Unterschiede im Aufbau, verglichen mit bekannten Ausführungsformen von Lichtleitern, ergibt sich bei der vorliegenden Erfindung ein neuartiges Erscheinungsbild für das Lichtleiterelement 13. Dadurch ist eine Abgrenzung auch im Design zum Stand der Technik möglich. Je nach Gestaltung des zweiten Einzelteils 18 des Lichtleiterelements 13, ist es möglich, ein homogenes Erscheinungsbild oder auch bewusst ein Erscheinungsbild ähnlich dem von vielen Einzeloptiken zu erzeugen. Der Vorteil gegenüber einer Leuchte mit vielen Einzeloptiken ist, dass weniger Lichtquellen 16, insbesondere nur eine Lichtquelle 16 benötigt wird. Dies kann kostengünstig sein und benötigt weniger Bauraum in der Beleuchtungseinrichtung 1.
