-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lichtleiter, der einen Lichteinkoppelbereich und einen Transportbereich aufweist, wobei der Lichteinkoppelbereich eine Lichteintrittsfläche und eine erste Umlenkfläche aufweist. Ein solcher Lichtleiter ist per se bekannt und wird zum Beispiel in der 2 abgebildet. In einem solchen Lichtleiter kann Licht über große Längen praktisch verlustfrei um eine Hauptlichtausbreitungsrichtung herum geleitet werden, wobei das Licht an sich längs der Hauptausbreitungsrichtung erstreckenden Seitenflächen des Lichtleiters interne Totalreflexionen erfährt. Neben den Seitenflächen weist der Lichtleiter in der Regel Endflächen auf, die sich quer zur Hauptlichtausbreitungsrichtung erstrecken und die den Lichtleiter jeweils an einem Ende des Lichtleiters begrenzen. Die Lichteinkopplung kann über eine Endfläche so erfolgen, dass sich das eingekoppelte Licht nach der Einkopplung bevorzugt in der Hauptlichtausbreitungsrichtung ausbreitet. Alternativ kann die Einkopplung von Licht über eine Seitenfläche erfolgen.
-
Die Lichteintrittsfläche kann also eine Endfläche oder eine Seitenfläche sein. Im Falle der Einkopplung über eine Seitenfläche breitet sich das Licht unmittelbar nach der Einkopplung bevorzugt quer zu Längsseiten des Lichtleiters aus. In diesem Fall dient eine schräg zu den Längsseiten und schräg zu der unmittelbaren Ausbreitungsrichtung liegende Umlenkfläche dazu, dass eingekoppelte so umzulenken, dass es beim nächsten Auftreffen auf eine Seitenfläche des Lichtleiters eine interne Totalreflexion erfährt und nicht gleich wieder ausgekoppelt wird.
-
Bei dem in der 2 gezeigten Stand der Technik ist die Lichteintrittsfläche des Lichtleiters eine Seitenfläche des Lichtleiters, und die erste Umlenkfläche ist in der Regel eine Endfläche des Lichtleiters, die eine zum Beispiel parabolische Form besitzt. Noch häufiger werden Lichtleiter verwendet, bei denen eine Endfläche zur Einkopplung von Licht dient. Ein solcher Lichtleiter ist in der 1 dargestellt. Wie weiter unten noch näher ausgeführt wird, sind diese Lichtleiter mit gravierenden Nachteilen behaftet:
-
Ein erster Nachteil besteht in einer geringen Effizienz, unter der hier der Quotient aus dem von dem in den Lichtleiter eingekoppeltem Licht im Nenner und dem in gewünschte Richtungen seitlich ausgekoppelten Licht im Zähler verstanden wird. Als Folge der geringen Effizienz muss viel Licht eingekoppelt werden, was die Kosten für die Lichtquellen, deren Energieversorgung und Kühlung erhöht und auch Gewichtsnachteile durch große Kühlkörper mit sich bringt. Ein zweiter gravierender Nachteil besteht darin, dass sich ein inhomogen helles Erscheinungsbild der leuchtenden Lichtaustrittsseite des Lichtleiters ergibt.
-
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe eines Lichtleiters, der diese Nachteile nicht oder nur in verringertem Ausmaß aufweist. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
-
Der erfindungsgemäße Lichtleiter unterscheidet sich vom eingangs genannten Stand der Technik dadurch, dass der Lichteinkoppelbereich eine zweite Umlenkfläche aufweist, wobei die erste Umlenkfläche dazu eingerichtet ist, Licht, das von einem außerhalb des Lichtleiters vor der Lichteintrittsfläche liegenden Punkt ausgeht, auf die zweite Umlenkfläche zu richten, wobei die zweite Umlenkfläche im Lichtweg hinter der ersten Umlenkfläche angeordnet ist und wobei die erste Umlenkfläche und die zweite Umlenkfläche durch ihre jeweilige Form und Lage dazu eingerichtet sind, so zusammenzuwirken, dass von dem Punkt ausgehendes Licht nach der an der ersten Umlenkfläche und der zweiten Umlenkfläche erfolgten Reflexion ein parallel ausgerichtetes und homogenes Lichtbündel bildet und wobei sich der Transportbereich so an den Lichteinkoppelbereich anschließt, dass das parallel ausgerichtete Lichtbündel beim Eintritt in den Transportbereich eine Richtung besitzt, die es beim ersten Auftreffen auf eine Transportfläche des Transportbereichs dort mit einem Winkel zum Lot auf die Transportfläche auftreffen lässt, der größer ist als der Grenzwinkel der internen Totalreflexion.
-
Die Wirkungen der miteinander kooperierenden ersten Umlenkfläche und zweiten Umlenkfläche sind die Folgenden: Nach der Reflexion an der zweiten Umlenkfläche verlaufen die Strahlen parallel zueinander, und die Strahlen weisen nach zweifacher Reflexion jeweils denselben Abstand zu ihren Nachbarstrahlen auf, sind also äquidistant. Die von der zweiten Umlenkfläche 40 ausgehenden Strahlen 48 treffen unter einem Winkel zur Normalen auf die eigentlichen Lichtleiterflächen, also insbesondere auf die Transportfläche, bei der noch eine interne Totalreflexion erfolgt. Dadurch, dass das Licht homogen und parallel ausgerichtet ist, wird über die gesamte, parallele Bündelbreite derselbe Lichtstrom pro Längeneinheit transportiert. Dies bedeutet wiederum, dass an jeder Stelle der Transportflächen nahezu derselbe Lichtstrom pro Längeneinheit auftrifft. Das bedeutet wiederum, dass (nahezu) identische Auskoppelelemente, die entlang einer Lichtleiterfläche angeordnet werden, einem Betrachter immer nahezu gleich hell erscheinen, so dass sich für einen Betrachter dann insgesamt ein homogen helles Erscheinungsbild ergibt.
-
Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass sich der Transportbereich an den Lichteinkoppelbereich so anschließt, dass das parallel ausgerichtete Lichtbündel beim Eintritt in den Transportbereich eine Richtung besitzt, die es beim ersten Auftreffen auf eine Transportfläche des Transportbereichs dort mit einem Winkel von 45 Grad bis 75 Grad zum Lot auf die Transportfläche auftreffen lässt.
-
Bevorzugt ist auch, dass eine Dicke des Lichtleiters in seinem Transportbereich zwischen 3 mm und 12 mm liegt. Unter der Dicke wird hier der Abstand von zwei einander gegenüberliegenden Transportflächen des Lichtleiters verstanden.
-
Ferner ist bevorzugt, dass der Transportbereich des Lichtleiters 30 senkrecht zur mittleren Lichtausbreitungsrichtung rechteckige, runde oder elliptische Querschnitte aufweist.
-
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Lichteintrittsfläche gekrümmt ist und dass ein weiter von dem Transportbereich entfernt liegender Teil der ersten reflektierenden Fläche dort eine näherungsweise parabolische Form besitzt, deren Brennpunkt mit dem Krümmungsmittelpunkt der Lichteintrittsfläche zusammenfällt, und dass ein näher an dem Transportbereich liegender Teil der ersten reflektierenden Fläche stärker als eine Parabel in Richtung zum Krümmungsmittelpunkt der Lichteintrittsfläche gekrümmt ist.
-
Bevorzugt ist auch, dass der weiter von dem Transportbereich entfernt liegende Teil der ersten reflektierenden Fläche verspiegelt ist.
-
Ferner ist bevorzugt, dass die gesamte erste, gekrümmte Umlenkfläche verspiegelt ist.
-
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Umlenkfläche und die zweite Umlenkfläche und die Dicke des Lichtleiters so bestimmt sind, dass ein Randstrahl des in den Lichteinkoppelbereich eintretenden Lichtes nach den Reflexionen an der ersten Umlenkfläche und der zweiten gekrümmten Umlenkfläche und nach einer ersten Reflexion an der oberen Transportfläche der beiden Transportflächen so auf die untere Transportfläche trifft, dass er nach der Reflexion an dieser Fläche denselben Abstand zu einem gegenüberliegenden Randstrahl des in den Einkoppelbereich eintretenden Lichtbündels nach dessen Reflexion an der zweiten Umlenkfläche aufweist, den alle anderen Strahlen nach zweifacher Reflexion zu ihrem jeweiligen nächsten Nachbarn aufweisen. Bevorzugt ist auch, dass die erste Umlenkfläche um den Krümmungsmittelpunkt der Lichteintrittsfläche herum gewölbt ist. Ferner ist bevorzugt, dass der Lichtleiter eine Lichteintrittsfläche aufweist, welche die Form eines Rotationshyperboloids hat.
-
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die brechende Hyperbel des Lichteinkoppelbereichs einen Brennpunkt aufweist, der mit einem Krümmungsmittelpunkt der Lichteintrittsfläche in einer der zur brechenden Hyperbel senkrechten Ebene zusammenfällt.
-
Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
-
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren jeweils gleiche oder zumindest ihrer Funktion nach vergleichbare Elemente. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
-
1 die für Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtungen am häufigsten verwendete Variante der Einkopplung von Licht in einen Lichtleiter;
-
2 eine weitere bekannte Variante der Einkopplung von Licht in einen Lichtleiter;
-
3 Strahlengänge in einem Lichtleiter, in den Licht gemäß der Variante nach 1 eingekoppelt wird;
-
4 Strahlengänge in einem Lichtleiter, in den Licht gemäß der Variante nach 2 eingekoppelt wird;
-
5 den Gegenstand der 4 mit Abständen zwischen bestimmten, in den Strahlengängen auftretenden Strahlen;
-
6 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßem Lichtleiters;
-
7 einen Schnitt der zweiten Umlenkfläche zusammen mit einer Referenzgeraden;
-
8 den Gegenstand der 6 in einem kleineren Maßstab;
-
9 den gleichen Gegenstand in einem nochmals kleineren Maßstab;
-
10 zwei benachbarte Strahlen, die sich in einem in der Zeichnungsebene kreisförmigen Transportbereich ausbreiten;
-
11 eine Hyperbel als Schnitt eines Rotationshyperboloids als Lichteintrittsfläche;
-
12 einen plattenförmigen Lichtleiter mit einer solchen Lichteintrittsfläche; und
-
13 ein Ausführungsbeispiel eines plattenförmigen Lichtleiters mit einer besonderen Ausgestaltung der ersten Umlenkfläche.
-
1 zeigt die am häufigsten anzutreffende Variante der Einkopplung von Licht in einen Lichtleiter 10. Ein Leuchtmittel 12 (LED, Laserdiode, Glühlampe, ...) wird einer Endfläche 14 des Lichtleiters 10 benachbart angeordnet, sodass vom Leuchtmittel ausgehendes Licht durch diese Endfläche 14 in den Lichtleiter 10 eindringt. Im Lichtleiter wird 10 wird das Licht durch wiederholt erfolgende interne Totalreflexionen, die an als Transportflächen des Lichtleiter 10 dienenden Seitenflächen 16, 18 des Lichtleiters 10 erfolgen, geführt. Dies gilt auch für seitliche Transportflächen des Lichtleiters, die in der 1 außerhalb der Zeichnungsebene liegen.
-
Das Leuchtmittel ist in sämtlichen Ausgestaltungen bevorzugt eine Halbleiterlichtquelle, insbesondere eine Leuchtdiode.
-
Im weiteren Verlauf des Lichtleiters sind Auskoppelelemente angeordnet, die das Licht mittels Brechung und/oder Totalreflexion derart umlenken, dass es den Lichtleiter in erwünschter Weise verlässt. Die Auskoppelelemente sind zum Beispiel prismenförmig und lenken auf sie einfallendes Licht so um, dass dieses Licht beim nächsten Auftreffen auf eine Grenzfläche des Lichtleiters dort so steil einfällt, dass es dort nicht mehr reflektiert wird und über die Grenzfläche aus dem Lichtleiter austritt. Dies ist bekannt und in der 1 nicht dargestellt.
-
2 zeigt einen weiteren Stand der Technik: Ein von einem Leuchtmittel 12 ausgehendes Lichtbündel dringt durch eine Seitenfläche 18 in den Lichtleiter 10 ein und wird dort mittels einer totalreflektierenden (oder einer verspiegelten) Endfläche 20, die näherungsweise eine Paraboloidfläche ist, umgeformt. Die Umformung erfolgt in der dargestellten Ausgestaltung so, dass die Strahlen des umgeformten Bündels zunächst parallel zueinander und zu Seitenflächen 16, 18 des Lichtleiters 10 sind. Dies gilt auch für seitliche Transportflächen des Lichtleiters, die in der 2 außerhalb der Zeichnungsebene liegen.
-
Wie eingangs erwähnt, weisen diese bekannten Arten der Einkopplung von Licht zwei gravierende Mängel auf, die im Folgenden unter Bezug auf die 3 und 4 aufgezeigt werden.
-
Die 3 zeigt deutlich, dass schon in einem geringen Abstand von der Endfläche 14, an der das Licht eingekoppelt wird, ein nicht mehr zu durchschauendes Durcheinander an Lichtstrahlen vorliegt. Dieser Effekt wird durch die Krümmung des Lichtleiters verstärkt. Das Problem besteht darin, dass an vielen Punkten innerhalb des Lichtleiters jeweils viele Strahlen aus unterschiedlichen Richtungen ankommen. Will man beim Entwurf des Lichtleiters an einem Punkt des Lichtleiters ein Auskoppelelement vorsehen, muss man aus allen ankommenden Strahlen eine Richtung auswählen, für die das Auskoppelelement optimiert werden kann. Alle anderen an diesem Punkt ankommenden Strahlen weisen nach der Auskopplung nicht die gewünschte Richtung auf.
-
Daraus ergibt sich die Folge, dass eine gewünschte Verengung des Lichtbündels nicht durch die Auskoppelelemente erreicht werden kann. Eine gesetzlich geforderte Lichtverteilung kann also nicht unmittelbar durch solche Auskoppelelemente erzeugt werden. Das bedeutet, dass zunächst nur ein Bruchteil des so ausgekoppelten Lichtes zu einer regelkonformen Lichtverteilung beiträgt, so dass die Effizienz der Anordnung aus Lichtquelle und Lichtleiter gering ist, was als Folgenachteil zu hohen Kosten führt. Der Versuch, eine größere Ordnung der Lichtausbreitung im Lichtleiter durch eine beim Lichteintritt erfolgende Parallelisierung zu erzielen, führt auch nicht viel weiter, da die erzeugte Ordnung durch die Krümmung des Lichtleiters zerstört wird. Dies ist aus der 4 ersichtlich, wenn man die an den beiden Enden des Lichtleiters 10 auftretenden Strahlengänge miteinander vergleicht.
-
Weiterhin kann es in diesem Fall im Lichtleiter 10 Bereiche geben, in denen nahezu kein Licht propagiert. Solche Bereiche treten insbesondere in der Nähe derjenigen Seitenfläche 18 auf, die dem Krümmungszentrum des gekrümmten Verlaufs des Lichtleiters 10 zugewandt ist. In anderen Bereichen propagiert dafür sehr viel Licht. Solche Bereiche treten insbesondere nahe derjenigen Seitenfläche 16 auf, die dem genannten Krümmungszentrum abgewandt ist.
-
In 5 ist der projizierte Abstand a-a dargestellt, in dem die beiden obersten Strahlen 22, 24, die an der Paraboloidfläche 20 umgelenkt wurden, auf die dem Krümmungszentrum abgewandte Seite 16 des Lichtleiters 10 treffen. Weiterhin ist die Entfernung b-b eingezeichnet, in der die beiden untersten Strahlen 26, 28 die durch die Paraboloidfläche 20 umgelenkt wurden, auf die dem Krümmungszentrum zugewandte Lichtleiterfläche 18 treffen. Nimmt man vereinfachend an, dass die beiden Bündel, die durch die beiden obersten Strahlen 22, 24 und die beiden untersten Strahlen 26, 28 begrenzt werden, denselben Lichtstrom transportieren, wird klar, dass im Bereich a-a viel weniger Licht pro Länge vorhanden ist als im Bereich b-b. Insgesamt führt das geschilderte Verhalten dazu, dass dann, wenn man an zwei Punkten Auskoppelelemente anbringt, diese in der Regel stark unterschiedliche Lichtströme auskoppeln, weil an diesen Punkten unterschiedlich viel Licht vorhanden ist. Als Folge erscheinen diese zwei Punkte einem Betrachter nicht als gleich hell. Bei vielen Auskoppelelementen erhält man also ein inhomogenes Erscheinungsbild, was unerwünscht ist.
-
Die 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lichtleiters in einer auf die Form und Anordnung seiner reflektierenden Flächen in einem Längsschnitt reduzierten Form. Perspektivische Darstellungen werden weiter unten erläutert.
-
Im Einzelnen zeigt die 6 einen Lichtleiter 30, der einen Lichteinkoppelbereich 32 und einen Transportbereich 34 aufweist. Der Lichteinkoppelbereich 32 weist eine Lichteintrittsfläche 36 und eine erste Umlenkfläche 38 auf. Darüber hinaus weist der Lichteinkoppelbereich 32 eine zweite Umlenkfläche 40 auf. Die erste Umlenkfläche 38 ist dazu eingerichtet, Licht 42, das von einem außerhalb des Lichtleiters 30 vor der Lichteintrittsfläche 36 liegenden Punkt 44 eines Leuchtmittels ausgeht, so umzulenken, dass das umgelenkte Licht eine leicht gekrümmte zweite Umlenkfläche nahezu homogen beleuchtet.
-
Ein Schnitt der zweiten Umlenkfläche ist zusammen mit einer Referenzgeraden 46 in der 7 dargestellt. Die Gerade 46 schneidet die zweite Umlenkfläche 40 in wenigstens zwei Punkten. Der Vergleich der zweiten Umlenkfläche 40 mit einer Referenzgeraden 46 zeigt, wie geringfügig die Krümmung der zweiten Umlenkfläche 40 ist.
-
Wie aus 6 ersichtlich ist, ist die zweite Umlenkfläche 40 im Lichtweg hinter der ersten Umlenkfläche 38 angeordnet. Ihre Form und Lage wird erfindungsgemäß durch die Forderungen festgelegt, dass von der ersten Umlenkfläche 38 her einfallendes Licht 46 von der zweiten Umlenkfläche 40 als parallel ausgerichtetes und homogenes Lichtbündel 48 reflektiert wird. Der Transportbereich 34 schließt sich an den Lichteinkoppelbereich 32 so an, dass das parallel ausgerichtete Lichtbündel 48 beim Eintritt in den Transportbereich 34 eine Richtung besitzt, die es beim ersten Auftreffen auf eine Transportfläche 50 des Transportbereichs 34 dort mit einem Winkel von 45 Grad bis 75 Grad, zum Beispiel einem Winkel von 60 Grad zum Lot auf die Transportfläche 50 auftreffen lässt.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung liegt die Dicke des Lichtleiters in seinem Transportbereich zwischen 3 mm und 12 mm. Eine als Leuchtmittel verwendete Leuchtdiode ist dann so anzuordnen, dass das Zentrum ihrer zur Lichteintrittsfläche 36 gerichteten Lichtaustrittsfläche im Mittelpunkt der sphärischen Form der Lichteintrittsfläche 36 des Lichtleiters 10 liegt. Die sphärische Form erscheint in dem Schnitt, der in der 6 sichtbar ist, als Kreisform. Die Lichtaustrittsfläche der Leuchtdioden ist typischerweise etwa einen Quadratmillimeter groß. Bei einer solchen Anordnung treten die vom Zentrum des Leuchtdiodenchips ausgehenden Strahlen senkrecht über die kreisförmige Lichteintrittsfläche 36 in den Lichtleiter ein und erfahren dabei keine richtungsändernde Brechung.
-
Nach der durch die Reflexionen an der ersten Umlenkfläche 38 und der zweiten Umlenkfläche 40 erfolgenden Umformung des Lichtbündels breitet sich das Licht durch wiederholte Totalreflexion entlang des Transportbereichs 34 des gekrümmten Lichtleiters 30 aus.
-
Auf der ersten, gekrümmten Umlenkfläche 38 ist eine Flächennormale 52 zusammen mit zwei Lichtstrahlen 54, 56 dargestellt, die unter dem Grenzwinkel der Totalreflexion auf den Fußpunkt der Normalen 52 treffen. Strahlen, die links von der Normalen 52 auf die erste, gekrümmte Umlenkfläche 38 treffen, fallen zu steil auf und erfüllen nicht die Bedingung für Totalreflexion, Strahlen, die rechts von der Normalen 52 auftreffen, unterliegen der Totalreflexion. Den gesamten dargestellten Strahlverlauf erhält man also insbesondere dann, wenn entweder die gesamte erste, gekrümmte Umlenkfläche 38 verspiegelt ist, oder wenn zumindest der links von der Normalen 52 liegende Teil verspiegelt ist. Eine Verspiegelung erfolgt bevorzugt durch eine metallische Beschichtung. Eine weitere Möglichkeit, eine vollständige Reflexion zu erzielen, basiert auf der Verwendung einer dachkantenförmigen Oberfläche und wird weiter unten beschrieben.
-
Die Wirkungen der miteinander kooperierenden ersten Umlenkfläche 38 und zweiten Umlenkfläche 40 sind die Folgenden: Nach der Reflexion an der zweiten Umlenkfläche 40 verlaufen die Strahlen 48 parallel zueinander, und die Strahlen weisen nach zweifacher Reflexion jeweils denselben Abstand zu ihren Nachbarstrahlen auf, sind also äquidistant. Die zwischen der ersten Umlenkfläche 38 und der zweiten Umlenkfläche 40 verlaufenden Strahlen 46 verlaufen noch nicht parallel zueinander. Die von der zweiten Umlenkfläche 40 ausgehenden Strahlen 48 treffen unter dem Winkel von 45 Grad bis 75 Grad, zum Beispiel einem Winkel von 60 Grad zur Normalen auf die eigentlichen Lichtleiterflächen, also insbesondere auf die Transportfläche 50.
-
Eine weitere Wirkung wird unter Bezug auf die 8 erläutert, die im Übrigen den Gegenstand der 6 in einem kleineren Maßstab zeigt. Die 9 zeigt den gleichen Gegenstand in einem nochmals kleineren Maßstab, so dass jeweils auch größere Längen des Lichtleiters 10 dargestellt werden.
-
Der in der 8 nach links außen abgegebene Strahl 42.1 trifft nach den Reflexionen an der ersten Umlenkfläche 38 und der zweiten gekrümmten Umlenkfläche 40 und nach einer ersten Reflexion an der oberen Transportfläche 50 der beiden Transportflächen 50, 58 so auf die untere Transportfläche 58, dass er nach der Reflexion an dieser Fläche 58 denselben Abstand zum nach rechts außen abgegebenen Strahl 42.2 nach dessen Reflexion an der zweiten Umlenkfläche 40 aufweist, den alle anderen Strahlen nach zweifacher Reflexion zu ihrem jeweiligen nächsten Nachbarn aufweisen. Um diese Bedingung zu erfüllen, muss der Transportbereich 34 in der Zeichnungsebene eine bestimmte Mindestdicke (Abstand seiner von der Zeichnungsebene geschnittenen Transportflächen aufweisen, was sich aus der 8 ergibt.
-
Mit Bezug auf das Leuchtmittel 12 ist bevorzugt, dass dieses Leuchtmittel eine Strahlungscharakteristik besitzt, die einem Lambertstrahler möglichst nahekommt. Das bedeutet, dass senkrecht zum Chip eine maximale Lichtstärke abgegeben wird und dass die Lichtstärke proportional zum Cosinus des Winkels der jeweils betrachteten Abstrahlrichtung zur Senkrechten abfällt. In den 6, 8 und 9 wird dies schematisch dadurch dargestellt, dass zwischen jeweils zwei benachbarten Strahlen des von der Lichtquelle ausgehenden Bündels 42 derselbe Lichtstrom abgestrahlt wird, wobei die Strahlen nicht denselben Winkelabstand aufweisen: Am Rand des Lichtbündels sind die Abstände benachbarter Strahlen voneinander größer als in Zentrum des Lichtbündels, das über der Chip-Mitte liegt.
-
Werden die Strahlen dieses Bündels 42 so manipuliert, dass sie sowohl parallel verlaufen und weiterhin denselben Abstand zueinander aufweisen, bedeutet dies, dass über die gesamte (parallele) Bündelbreite derselbe Lichtstrom pro Länge transportiert wird. Dies bedeutet wiederum, dass in den 8 und 9 an jeder Stelle der Transportflächen 50, 58 nahezu derselbe Lichtstrom pro Längeneinheit auftrifft. Das bedeutet wiederum, dass Auskoppelelemente, die entlang einer Lichtleiterfläche, zum Beispiel entlang der Fläche 58 angeordnet werden, einem Betrachter immer nahezu gleich hell erscheinen, so dass sich für einen Betrachter dann insgesamt ein homogen helles Erscheinungsbild ergibt.
-
Die geometrische Form der ersten, gekrümmten Umlenkfläche 38 und der zweiten, gekrümmten Umlenkfläche 40 erhält man zum Beispiel mittels eines Verfahrens zur Wellenfrontrekonstruktion. Derartige Verfahren sind dem in der Optik tätigen Fachmann bekannt. Dies ist kann hier in einer sehr vereinfachten Form verwendet werden: Die Startwelle ist eine Kugelwelle. Die gewünschte Welle ist eine ebene Welle. Es gibt keine brechenden Flächen und die Anzahl der Reflexionen beträgt zwei. Alternativ dazu kann die geometrische Form mittels einer geeigneten Software als Freiformfläche berechnet werden.
-
Die Flächen selbst sind schwierig zu beschreiben. Es handelt sich jedenfalls nicht um Flächen, deren Gleichungen man in mathematischen Formelsammlungen findet, sondern um Freiformflächen, deren Form jeweils stückweise so berechnet werden muss, dass sich die beanspruchten Eigenschaften ergeben. Die beanspruchten Eigenschaften legen also die Form und Lage dieser Flächen fest. Aus den Verfahren zur Wellenfrontrekonstruktion erhält man beispielsweise für die Fläche eine Differentialgleichung, die in der Regel nicht geschlossen lösbar ist. Löst man die Gleichung abschnittsweise (lokal 2 dimensional) dann erhält man die erwähnten Freiformflächen unter Berücksichtigung der Anschlussbedingungen der Flächen.
-
Die erste Umlenkfläche ist bevorzugt um den Krümmungsmittelpunkt der Lichteintrittsfläche herum gewölbt. Dies ist vorteilhaft, damit die gesamte Anordnung einen möglichst geringen Raum benötigt, der mit dem transparenten Lichtleitermaterial, das bevorzugt PMMA oder PC ist, ausgefüllt ist. Je kleiner das Lichtleitervolumen ist, desto kleiner ist auch das Gewicht. Kleinere Lichtleitervolumina haben gegenüber größeren Lichtleitervolumina auch den Vorteil einer besseren Herstellbarkeit: Sehr dicke Kunststoffteile sind nicht gut für das Spritzgussverfahren geeignet.
-
Da der links von der Normalen 52 und damit weiter von dem Transportbereich 34 entfernt liegende Teil der ersten reflektierenden Fläche 38 annähernd paralleles Licht erzeugt, besitzt die erste reflektierende Fläche 38 dort bevorzugt eine näherungsweise parabolische Form, deren Brennpunkt mit dem Krümmungsmittelpunkt der Lichteintrittsfläche 36 zusammenfällt. Der rechts von der Normalen 52 und damit näher an dem Transportbereich 34 liegende Teil der ersten reflektierenden Fläche 38 wirkt dagegen bündelnd auf das einfallende Licht ein, was bedeutet, dass dieser Teil der ersten reflektierenden Fläche 38 stärker als eine Parabel in Richtung zum Krümmungsmittelpunkt der Lichteintrittsfläche gekrümmt ist.
-
Insgesamt verlassen die Strahlen 46 die erste reflektierende Fläche 38 so, dass sie nicht-parallel auf die zweite reflektierende Fläche 40 treffen, wobei die Auftreffpunkte dieser Strahlen 46 aber nahezu (bzw. bei ebener Fläche exakt) denselben Abstand voneinander aufweisen. Wie bereits erwähnt wurde, ist ein Schnitt der zweiten Umlenkfläche 40 zusammen mit der Geraden 46, die als solche einen Schnitt durch eine ebene Fläche repräsentiert, in der 7 vergrößert dargestellt.
-
Da die auf die zweite Umlenkfläche 40 einfallenden Strahlen vor der an dieser Fläche 40 erfolgenden Reflexion nicht parallel und nach der Reflexion an dieser Fläche 40 parallel sind, muss die zweite Umlenkfläche 40 eine entsprechende Krümmung aufweisen. Die Forderungen nach der Parallelität und der Äquidistanz der Strahlen legen die Lage und Form der zweiten Umlenkfläche 40 in Bezug auf die erste Umlenkfläche 38 fest.
-
Die Forderung nach dem unter 60° zur Normalen erfolgenden Einfall des von der zweiten Umlenkfläche ausgehenden Lichtbündels lässt sich leicht dadurch erfüllen, dass der Transportbereich 34 des Lichtleiters 30 unter dem gewünschten Winkel zum Lichteinkoppelbereich 32 angeordnet wird.
-
Die Wirkung, dass der in der 8 nach links außen abgegebene Strahl 42.1 nach gewissen, oben angegebenen Reflexionen denselben Abstand zum nach rechts außen abgegebenen Strahl 42.2 nach gewissen, oben angegebenen Reflexionen hat, den alle anderen Strahlen nach zweifacher Reflexion zu ihrem jeweiligen nächsten Nachbarn aufweisen, kann durch geeignete Wahl der Dicke des Transportbereichs 34 des Lichtleiters 30 erfüllt werden und legt insofern die Mindestdicke des Transportbereichs 34 fest.
-
9 zeigt denselben Lichtleiter wie die 6 und 8 mit einer größeren Länge des Transportbereichs 34, wobei der Transportbereich 34 eine Krümmung aufweist. Man sieht, dass die bei der Einkopplung erzeugte Ordnung bis auf leichte "Schwebungen" bis zum dem Lichteinkoppelbereich 32 abgewandten Ende 38 des Transportbereichs 34 hin erhalten bleibt, obwohl der Transportbereich gekrümmt ist. Dieses sehr überraschende Verhalten beruht darauf, dass die Lichtstrahlen sehr häufig die Form des Lichtleiters "abtasten". Damit ist gemeint, dass die Lichtstrahlen sehr häufig auf die Transportflächen auftreffen.
-
10 zeigt zwei benachbarte Strahlen 42.1 und 42.2, die sich in einem in der Zeichnungsebene kreisförmigen Transportbereich 34 von links nach rechts ausbreiten. Zu Beginn läuft das Bündel mit +3° Öffnungswinkel auseinander. Nach der Reflexion an der äußeren Transportfläche 50 läuft das Bündel mit –3° Öffnungswinkel zusammen, nach erneuter Reflexion an der inneren Transportfläche 58 läuft das Bündel wieder mit +3° Öffnungswinkel auseinander. Dies wiederholt sich fortlaufend. Das System korrigiert abwechselnd den Öffnungswinkel, sodass dieser fortwährend zwischen +3° und –3° pendelt.
-
Eine Veränderung des Öffnungswinkels, die gleichbedeutend mit einer Zerstörung der Ordnung wäre, würde sich dann ergeben, wenn beispielsweise zwischen der zweiten und der dritten Reflexion eine Änderung der Krümmung des Lichtleiters erfolgen würde. Aufgrund des großen Winkels von ca. 30°, den der Strahl aufgrund der 60° zum Lot – Bedingung mit den Transportflächen 50, 58 einschließt, ist der Abstand zwischen der zweiten und der dritten Reflexion gering. Wenn sich die Krümmung also nur langsam und über eine kurze Strecke ändert, ist auch die Änderung des Öffnungswinkels des Bündels gering. Die Länge dieser Strecke kann auch durch die Dicke des Lichtleiters beeinflusst werden.
-
Das extreme Gegenbeispiel zeigt die 4: Anfangs nahe benachbarte parallele Strahlen weisen nach der ersten Reflexion eine sehr große Bündelöffnung auf, da die Lichtstrahlen, heuristisch ausgedrückt, nicht merken, wie stark sich der Lichtleiter krümmt. Als Gegenbeispiel ist dort ein Strahl 60 eingezeichnet, der bei der Einkopplung die Parabel verfehlt und deshalb unter großem Winkel zur Lichtleiterfläche regelmäßig zwischen der krümmungsäußeren Transportfläche 16 und der krümmungsinneren Transportfläche hin und her propagiert.
-
Die Lichteintrittsfläche 36 des Lichteinkoppelbereichs 32 des Lichtleiters 30 weist in Abhängigkeit von der Winkelverteilung des Lichts im Lichteinkoppelbereich 32 in von der Zeichnungsebene verschiedenen Ebenen unterschiedliche Formen auf, wenn die in der Zeichnungsebene der 6 dargestellte Winkelverteilung erhalten bleiben soll. Zur Erinnerung: Bei der in der 6 dargestellten Winkelverteilung ergibt sich als Schnitt zwischen der dreidimensionalen Lichteintrittsfläche und der Zeichnungsebene ein Kreis 36, in dessen Mittelpunkt 44 die hier als punktförmig angenommene Leuchtdiode angeordnet ist. Alle vom Mittelpunkt 44 ausgehenden Strahlen treffen dann parallel zur Flächennormalen auf die Fläche 36 und erleiden somit keine Richtungsänderung.
-
Wünscht man, als eines von vielen möglichen Beispielen, in allen zur Zeichnungsebene parallelen Ebenen des Lichteinkoppelbereichs 32 die gleiche Winkelverteilung wie in der 6 so ergibt sich in zur Zeichnungsebene der 6 senkrechten Ebenen eine Hyperbel als Schnittfigur, wie sie in der 11 dargestellt ist. Die brechende Hyperbel 62 des Lichteinkoppelbereichs weist einen Brennpunkt 64 auf. Das Halbachsenverhältnis der Hyperbel hängt von dem Brechungsindex des verwendeten Materials ab. Der Brennpunkt 64 fällt mit dem Krümmungsmittelpunkt 44 der Lichteintrittsfläche 36 in der 4 zusammen. In diesem Punkt ist die Lichtquelle anzuordnen.
-
Um diese Lichteintrittsfläche zu konstruieren, lässt man die Hyperbel um eine Achse rotieren, die senkrecht zur Zeichnungsebene steht und die durch den Ort 64 des Leuchtmittels verläuft. Man erhält auf diese Weise ein Rotationshyperboloid als Lichteintrittsfläche. 12 zeigt einen plattenförmigen Lichtleiter 30, der die in den Figuren dargestellten geometrischen Eigenschaften besitzt, jedoch mit den dort fehlenden Füllflächen und der Eintrittsfläche 36. Die Lichteintrittsfläche 36 entsteht durch Drehen der Hyperbel 62 um die strichpunktierte Achse 66, die durch den Punkt 44 geht und die senkrecht auf der Zeichnungsebene der 4 steht. Der Ort 44 des bevorzugt als Leuchtdiode verwirklichten Leuchtmittels ist durch einen kurzen Strich markiert.
-
In den 6, 8 und 9 ist die Einkoppelfläche in der Zeichnungsebene jeweils kreisförmig. Das hat den Vorteil, dass in den jeweiligen Zeichnungsebenen keine richtungsändernden Brechungen beim Lichteintritt auftreten.
-
Natürlich kann auch eine andere Form der Eintrittsfläche gewählt werden. Dann wird in einem ersten Schritt des Wellenfrontenverfahrens die Wellenfront der gebrochenen Welle nach Durchgang durch die Eintrittsfläche bestimmt und diese Wellenfront wird anstatt der oben verwendeten Kugelwellenfront zur Bestimmung der ersten und der zweiten reflektierenden Flächen benutzt. Auch dieses Verfahren bereitet dem mit dem Wellenfrontenverfahren vertrauten Fachmann keine besonderen Schwierigkeiten, da die Anfangswellenfront und die Wunschwellenfront bekannt sind und da weiterhin vorgegeben ist, dass nur zwei reflektierende Flächen mit den Wellenfronten wechselwirken.
-
13 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die erste Umlenkfläche 38 mit n = drei parallel verlaufenden 90°-Prismen 68, 70, 72 belegt sind, deren Flanken jeweils um 45° gegen die Zeichnungsebene der 6 geneigt sind.
-
Dies stellt die weiter oben erwähnte Dachkantenform dar. Durch diese Struktur kann das weiter oben angegebene Problem, dass die erste Umlenkfläche 38 ganz oder bereichsweise nicht totalreflektierend wirkt, behoben werden. Die Zahl n liegt bevorzugt zwischen 1 und 10.
-
Der Transportbereich 34 des Lichtleiters 30 kann senkrecht zur mittleren Lichtausbreitungsrichtung rechteckige, runde oder elliptische Querschnitte aufweisen. Bevorzugt werden rechteckige Querschnitte verwendet. Die mittlere Lichtausbreitungsrichtung verläuft zum Beispiel in der 9 parallel zu den Transportflächen 50, 58 und innerhalb des Transportbereichs wie eine Mittellinie des Transportbereichs 34. Der Querschnitt des Lichteinkoppelbereichs kann in dieser Richtung der Form des Querschnitts des Transportbereichs 34 entsprechen oder auch eine davon abweichende Form besitzen. Beispielsweise kann der in der in 12 dargestellte, plattenartige Lichteinkoppelbereich 32 mit rechteckigem Querschnitt auch in Kombination mit einem runden Transportbereich des Lichtleiters benutzt werden.
-
Bisher zeigen alle Figuren einen Lichteinkoppelbereich 32, der unter der Voraussetzung einer punktförmigen Lichtquelle exakt paralleles Licht erzeugt, das zum eigentlichen Lichtleiter, also zum Transportbereich 34, einen Winkel von 30° (bzw. 60° zur Normalen) aufweist. In der Realität besitzt jede Lichtquelle eine endliche Größe. Dies führt statt des exakt parallelen Lichts zu einem Lichtbündel, das einen endlichen Öffnungswinkel aufweist. Statt der bisher benutzten 30° können natürlich auch andere Anstell-Winkel Verwendung finden. Zu beachten ist jedoch, dass neben dem Anstellwinkel auch der endliche Bündelöffnungswinkel und durch die Lichtleiterkrümmung erzeugte Effekte dazu führen können, dass die Bedingung für Totalreflexion verletzt wird, was zu unerwünschtem Lichtaustritt führt.
