DE102017106841B4 - Lichtleiter, insbesondere für Signalleuchten von Kraftfahrzeugen - Google Patents

Abstract

Lichtleiter, für Signalleuchten von Kraftfahrzeugen, umfassend:mindestens einen Kollimator (3) mit einer kollimierenden Wand (21) zum Binden und Führen der Lichtstrahlen (100), die durch ein Leuchtmittel (5) in dem Lichtleiter emittiert werden, wobei der Kollimator (3) die Lichtstrahlen (100) entlang einer optischen Achse (x) kollimiert,einen Lichtleiterkörper (2) der die kollimierende Wand (21) weiterführt und einstückig räumlich geformt ist, mit einem in der Richtung der optischen Achse (x) länglichen Profil, und an seinem Ende mit einer Ausgangs-Emissionsfläche (4) ausgestattet ist, um Lichtstrahlen (100) in Form eines Strahls mit mindestens einer Signalleuchtenfunktion zu emittieren,wobei der Lichtleiterkörper (2) aus einem Material mit einem Brechungsindex (n) hergestellt ist, wobei eine erste Höhe (d) des Lichtleiterkörpers (2), die dessen Höhe an dessen Anfang ist, wo der Lichtleiterkörper (2) an das Ende der kollimierenden Wand (21) angrenzt, größer ist als eine zweite Höhe (c) des Lichtleiterkörpers (2), die die Höhe an dessen Ende ist, an dem er in die Emissionsfläche (4) übergeht, undwobei der Lichtleiterkörper (2) angepasst ist, um Lichtstrahlen (100) innerhalb eines Winkels (w) der Streuung aus der Richtung der optischen Achse (x) zu emittieren, undwobei der Lichtleiterkörper (2) mindestens eine Übergangsfläche (22) umfasst, die, im Profil des Lichtleiterkörpers (2) gesehen, zu der Emissionsfläche (4) geneigt in Richtung der Längsachse des Profils ist, undwobei die Neigungshöhe (a) und die Neigungslänge (b) auf der Übergangsfläche (22) so gewählt sind, dass sie der folgenden Beziehung entsprechen:ab=tg(12arcsin(sinωn))

Description

• Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung betrifft einen Lichtleiter für Signalleuchten von Kraftfahrzeugen und gehört somit in den Bereich des Entwurfs optischer Vorrichtungen, die hauptsächlich zum Hinweisen auf ein Fahrzeug oder für die Signalgebung für andere Verkehrsteilnehmer bestimmt sind. Der Lichtleiter wurde insbesondere entworfen, um die erforderlichen Emissionseigenschaften der Ausgangslichtspur einer Signalleuchte von Kraftfahrzeugen zu erreichen.
• Stand der Technik
• Im Bereich des Designs von Beleuchtungsanlagen von Kraftfahrzeugen wird eine besondere Position von Lichtleitern eingenommen, deren längliche Form sie dazu befähigt, Lichtlinien zu erzeugen, z.B. um ein Positions-, Brems-, Nebel-, Blink- oder Tagfahrlicht zu emittieren. Gegenwärtig erfüllen Lichtleiter häufig Signallichtfunktionen, die höheren Anforderungen an den Lichtstrom unterliegen, wie z.B. das Tagfahrlicht in Scheinwerfern und das hintere Brems- und Blinklicht in den Heckleuchten. Halbleiter-LEDs (Licht emittierende Dioden) werden am häufigsten verwendet, um Licht zu generieren, die vorne am Lichtleiter positioniert sind oder in einer Vertiefung im Eingangsbereich von Lichtleitern installiert werden. Lichtleiter mit dünnen Abmessungen binden Licht nicht vollständig im Lichtleiter, und ein Teil der Lichtstrahlen geht verloren. Zu diesem Zweck werden Kollimatoren verwendet, die dabei helfen, Licht an den Lichtleiter zu binden, was die Effizienz des optischen Systems erhöht. In einigen Fällen werden Kollimatoren als ein separates Teil entworfen.
  Eine Reihe optischer Systeme ist auf dem Stand der Technik bekannt, die angepasst sind, um Licht an den Lichtleiter zu binden und Licht in dem Lichtleiter auf eine Weise zu leiten, so dass die erforderlichen Lichteigenschaften der Ausgangslichtspur gewährleistet werden. Z.B. offenbaren die Patentschriften CZ 2014 0711 A3 , US 2008 / 0 304 277 A1 , US 6 937 791 B2 , US 7 215 863 B1 und US 2004 / 0 213 001 A1 Designs, bei denen ein Kollimator ein wesentlicher Bestandteil des Lichtleiters ist. Im Allgemeinen können Kollimatoren mit einem Durchmesser von 7-15 mm vorteilhaft für eine effektive Bindung von Licht verwendet werden, wobei eine hohe Effizienz des Systems gewährleistet wird. Jedoch kann, wenn ein Kollimator mit größeren Abmessungen am Eingang verwendet wird, eine dünne Licht emittierende Ausgangsfläche nicht ohne Weiteres am Ausgang bereitgestellt werden, es sei denn, der Lichtleiter wird in der Richtung von der Lichtquelle weg schmaler. Wenn aber die Lichtstrahlen auf verschiedene Weisen innerhalb des Körpers des Lichtleiters reflektiert werden, können sie in jedem Winkel aus der Ausgangsfläche austreten, was die Effizienz in Bezug auf die behördlich vorgeschriebenen Ausgangseigenschaften vermindert. Um somit die Effizienz eines optischen Systems zu erhöhen, ist es vorteilhaft, zu erreichen, dass der Ausgangslichtstrahl in einen bestimmten Winkel von der optischen Achse weg geführt wird. Der effektive Winkel wird durch die Lichtfunktion und die erforderlichen Ausgangseigenschaften definiert. Abhängig von der Art der Lichtfunktion sollte die horizontale Streuung des Ausgangslichts bevorzugt zwischen 5° bis 25° liegen, die vertikale Streuung zwischen 5° bis 10°. Jedoch ist die Variabilität des mechanischen Designs der Leuchtvorrichtung sehr oft eingeschränkt, was die Emissionseigenschaften der sich daraus ergebenden Lichtspur beeinflusst oder eine Anpassung des mechanischen Designs der Leuchtvorrichtung oder sogar einen Neuentwurf des gesamten Lichtleiters erforderlich macht.
• Außerdem werden in der JP 2005 228 510 A eine Fahrzeuglampe und in der JP 2015 049 977 A eine Beleuchtungseinrichtung für ein Fahrzeug beschrieben.
• Das Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden, insbesondere die Effizienz des optischen Systems zu erhöhen, indem die Lichtstrahlen der LED-Lichtquelle effizient an den Lichtleiter gebunden werden, und durch Verbessern der Wegführung und des Leitens des Licht, das sich durch den Lichtleiter verbreitet. Ein weiteres Ziel ist es, die Streuung des Ausgangslichts in einem Winkel von 5° bis 25° (oder jeweils 5° bis 10°) zu gewährleisten, wobei die Streuung des Ausgangslichts durch eine kleine/schmale Ausgangsfläche gewährleistet wird, um die Anforderungen der Designer zu erfüllen. Gleichzeitig muss ein homogenes Aussehen verschiedener Formen der Ausgangslichtspur garantiert werden, wobei das Licht basierend auf den geforderten Eigenschaften der Signalfunktion nur zu dem geforderten Bereich emittiert wird. Die Form des Lichtleiters muss an das mechanische Design der Leuchtvorrichtung und die erforderlichen Eigenschaften der Lichtspur anpassbar sein, während er gleichzeitig ein simples Design und geringe Produktionskosten aufweisen muss.
• Prinzip der Erfindung
• Die oben genannten Ziele der Erfindung werden durch einen Lichtleiter für Signalleuchten von Kraftfahrzeugen in Übereinstimmung mit der Erfindung erreicht, umfassend: mindestens einen Kollimator mit einer kollimierenden Wand zum Binden und Führen der Lichtstrahlen, die durch ein Leuchtmittel in dem Lichtleiter emittiert werden, wobei der Kollimator die Lichtstrahlen entlang einer optischen Achse kollimiert, einen Lichtleiterkörper der die kollimierende Wand weiterführt und einstückig räumlich geformt ist, mit einem in der Richtung der optischen Achse (x) länglichen Profil, und an seinem Ende mit einer Ausgangsemissionsfläche ausgestattet ist, um Lichtstrahlen in Form eines Strahls mit mindestens einer Signalleuchtenfunktion zu emittieren, wobei der Lichtleiterkörper aus einem Material mit einem Brechungsindex hergestellt ist, wobei eine erste Höhe des Lichtleiterkörpers, die dessen Höhe an dessen Anfang ist, wo der Lichtleiterkörper an das Ende der kollimierenden Wand angrenzt, größer ist als eine zweite Höhe des Lichtleiterkörpers, die die Höhe an dessen Ende ist, an dem er in die Emissionsfläche übergeht und wobei der Lichtleiterkörper angepasst ist, um Lichtstrahlen innerhalb eines Winkels der Streuung (ω) aus der Richtung der optischen Achse zu emittieren, und wobei der Lichtleiterkörper mindestens eine Übergangsfläche umfasst, das heißt, die im Profil des Lichtleiterkörpers zu der Emissionsfläche geneigt in Richtung der Längsachse des Profils ist, und wobei die Neigungshöhe und die Neigungslänge auf der Übergangsfläche so gewählt sind, dass sie der folgenden Beziehung entsprechen: $$\frac{a}{b}=tg\left(\frac{1}{2}\text{arcsin}\left(\frac{\text{sin}\mathrm{\omega }}{n}\right)\right)$$

  
• In einer der Ausführungsformen liegt die erste Höhe im Bereich von 5 mm bis 25 mm und die zweite Höhe beträgt 2 mm bis 15 mm.
• In einer der Ausführungsformen ist der Lichtleiterkörper konfiguriert, um Lichtstrahlen im Allgemeinen innerhalb der Begrenzungen des Winkels (w) der Streuung aus der Richtung der optischen Achse zu emittieren, wobei dieser Streuungswinkel etwa 5° bis etwa 25° beträgt.
• In einer der Ausführungsformen ist der Lichtleiterkörper für nur eine Reflexion eines bestimmten Lichtstrahls von der Übergangsfläche konfiguriert.
• In einer der Ausführungsformen umfasst der Lichtleiterkörper ein Aufbausegment, das sich zwischen der kollimierenden Wand und der Übergangsfläche befindet.
• Die Höhe des Aufbausegments kann konstant in der Richtung vom Kollimator zu der Übergangsfläche des Lichtleiterkörpers sein.
• In einer der Ausführungsformen ist das Profil des Lichtleiterkörpers axial symmetrisch in Bezug auf die Längsachse des Profils, wobei der Lichtleiterkörper zwei Übergangsflächen aufweist, die einander gegenüberliegen, und wobei die zwei Übergangsflächen axial symmetrische Kurven umfassen, insbesondere Geraden, die dieselbe Größe in Bezug auf die Neigungslängen und dieselbe Größe in Bezug auf die Neigungshöhen aufweisen.
• In einer der Ausführungsformen umfasst der Lichtleiterkörper mindestens zwei Übergangsflächen, die sich in ihren jeweiligen Profilen hinsichtlich der Länge und/oder Höhe ihrer Neigung voneinander unterscheiden.
• In einer Ausführungsform ist die Übergangsfläche eine Ebene, die ein Liniensegment in dem Profil des Lichtleiterkörpers ist.
• Figurenliste
• Die Erfindung wird auf detailliertere Weise unter Verwendung der Ausführungsbeispiele mit Verweisen auf die beigefügten Zeichnungen verdeutlicht, wobei:
• - 1 eine axonometrische Ansicht der Leuchtvorrichtung unter Verwendung der ersten Ausführungsform des Lichtleiters in Übereinstimmung mit der Erfindung darstellt,
• - 2 eine Draufsicht der Leuchtvorrichtung aus 1 darstellt,
• - 3 einen Längsschnitt A-A durch die Leuchtvorrichtung aus 2 zeigt,
• - 4 einen Längsschnitt B-B durch die Leuchtvorrichtung aus 2 zeigt,
• - 5 einen Längsschnitt C-C durch die Leuchtvorrichtung aus 2 zeigt,
• - 6 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform des Lichtleiters in Übereinstimmung mit der Erfindung zeigt, und
• - 7 einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform des Lichtleiters in Übereinstimmung mit der Erfindung zeigt.
• Ausführungsbeispiele
• Die 1, 2, 3 und 4 zeigen eine erste Ausführungsform der Lichtleiter in Übereinstimmung mit der Erfindung in unterschiedlichen Ansichten. Die Leuchtvorrichtung umfasst vier Lichtleiter, die in der Form eingebauter, räumlich geformter planer Elemente 1 geformt sind. Jedes Lichtleiterelement 1umfasst einen plan geformten Lichtleiterkörper 2, der angepasst ist, um Licht zu führen. Der Lichtleiterkörper 2 ist Licht führend entworfen und ist mit Kollimatoren 3 an seinem Eingangsteil und mit einer durchgehenden emittierenden Fläche 4 auf der Außenseite ausgestattet. Zusätzlich wird der Lichtleiterkörper 2 vom Kollimator 3 zu der emittierenden Fläche 4 hin schmaler, d.h., das Längsprofil wird in der Richtung der optischen Achse x kleiner. Jede emittierende Fläche 4 der Leuchtvorrichtung ist angepasst, um eine unterschiedliche Leuchtfunktion bereitzustellen, z.B. um das Positions-, Brems-, Blink- oder Nebellicht zu emittieren, wobei die emittierenden Flächen 4 ein bestimmtes Designelement erzeugen.
  5 stellt eine Detailansicht der ersten Ausführungsform des Lichtleiters dar, der in der Leuchtvorrichtung aus 1 verwendet wird, worin der Kollimator 3 angepasst ist, um Lichtstrahlen 100 zu binden, die durch das Leuchtmittel 5 zu dem Lichtleiterkörper 2 des Lichtleiters emittiert werden. Die Lichtstrahlen 100, die durch die Lichtquellen 51 des Beleuchtungsmittels 5 emittiert werden, werden von den kollimierenden Wänden 21 reflektiert, z.B. mit einer Ellipsoid-Form, in eine Richtung, die etwa parallel zu der Richtung der optischen Achse X liegt. Die Lichtstrahlen 100 werden entweder von der Übergangsfläche 22 zu der emittierenden Fläche 4 reflektiert, nämlich im Allgemeinen durch eine Reflexion, oder sie werden direkt von den kollimierenden Wänden 21 an die emittierende Fläche 4 gesendet.
• Die austretenden Lichtstrahlen 100 erzeugen einen Lichtstrahl, der im Allgemeinen einen Streuungswinkel w aufweist, nämlich im Allgemeinen einen Streuungswinkel w in dem Bereich von 5° bis 25°. Der Streuungswinkel ω ist ein absichtlich entworfener Winkel. Tatsächlich leuchtet durch Stellen, die eine Mikrorauigkeit und Produktionsmängel aufweisen, der Lichtleiter selbst bei geringen Intensitäten stets mit einem größeren Streuungswinkel. Aus diesem Grund geben wir „im Allgemeinen mit einem Streuungswinkel w“ an. So ist die Bedeutung des Begriffs im Allgemeinen in diesem Kontext zu verstehen.
• In der horizontalen Richtung beträgt die Streuung des Ausgangslichts im Allgemeinen 5° bis 25° und in der vertikalen Richtung bevorzugt im Allgemeinen 5° bis 10°. Die Höhe d des Lichtleiterkörpers 2 variiert bevorzugt in dem Bereich von 5 mm bis 25 mm, während die Neigungshöhe a bevorzugt in dem Bereich von 2 mm bis 15 mm variiert, und die Höhe c der emittierenden Fläche 4 variiert bevorzugt in dem Intervall von 2 mm bis 15 mm. Das Verhältnis der Neigungshöhe a und der Neigungslänge b in der Übergangsfläche 22 ergibt sich aus dem Verhältnis: $$\frac{a}{b}=tg\left(\frac{1}{2}\text{arcsin}\left(\frac{\text{sin}\mathrm{\omega }}{n}\right)\right)$$

  

  
  Wobei:
• n der Brechungsindex des Materials ist,
• ω der Streuungswinkel ist,
• a die Neigungshöhe ist, und
• b die Neigungslänge ist.
• Die Übergangsfläche 22 kann eine Übergangsebene sein, die daher als ein Liniensegment in ihrem Profil gezeigt wird.
• Um die erforderlichen Ausgangseigenschaften der Lichtspur zu erreichen und um in der Lage zu sein, gleichzeitig die Abmessungen des Lichtleiters an das mechanische Design der Leuchtvorrichtung anzupassen, ist zunächst die erforderliche Neigungshöhe a oder die Neigungslänge b der Übergangsfläche 22 auszuwählen, während die Auswahl der Parameter a oder b hauptsächlich von den gesamten mechanischen Installationsbedingungen der Beleuchtungsvorrichtung abhängig ist. Einer der Parameter a, b ist stets wichtiger. Die Maße des wichtigeren Parameters werden basierend auf den Möglichkeiten des Installationsraums ausgewählt und der andere Parameter wird durch Berechnung bestimmt. Z.B. kann in dem Installationsraum einer Beleuchtungsvorrichtung ein Lichtleiter mit der Körperhöhe d positioniert werden, während das Design eine bestimmte Höhe c der Ausgangsfläche und einen Streuungswinkel w erfordert. Basierend auf diesen Maßen wird die Neigungslänge b danach bestimmt, so dass die Lichtstrahlen, die aus der Emissionsfläche 4 austreten, nur innerhalb dem erforderlichen Streuungswinkel geführt werden können. Jedoch kann das mechanische Design eine bestimmte Einschränkung hinsichtlich der Installationstiefe aufweisen, was eine bestimmte Einschränkung der Neigungslänge b darstellt, während in einem solchen Fall die Neigungshöhe a durch Berechnung bestimmt wird.
• 6 zeigt die zweite Ausführungsform des Lichtleiters, die zwei Übergangsflächen 22 mit unterschiedlichen Neigungslängen b, b' und unterschiedlichen Neigungshöhen a, a' aufweist. Jede Übergangsfläche 22 unterliegt der oben aufgeführten Beziehung zwischen der Neigungslänge b dieser Übergangsebene 22 und der Neigungshöhe a dieser Neigungsebene 22. Der Kollimator 3 wurde symmetrisch entworfen, während sich zwischen dem Kollimator 3 und der kürzeren Neigungslänge b' ein Aufbauelement 23 befindet. Die Bezugszeichennummer 101 bezeichnet einen Grenzstrahl 101, der in einer vertikalen Richtung einen Winkel abgrenzt, innerhalb dessen Lichtstrahlen 100 von der Emissionsfläche 4 emittiert werden.
• 7 zeigt eine dritte Ausführungsform des Lichtleiters, wobei der Lichtleiterkörper 2 ein Aufbausegment 23 enthält, das eine Länge e aufweist, das sich zwischen dem Kollimator 3 und der Übergangsflächen 22 befindet, wobei das Längsprofil in der Richtung von dem Kollimator 3 zu den Übergangsflächen 22 des Körpers 2 konstant ist. In einer weiteren Ausführungsform kann das Aufbauelement in einem Rückzugswinkel abgeschrägt sein, um die Formbarkeit zu verbessern, abhängig vom Formdesign in der Richtung zum oder von dem Kollimator.
• Bezugszeichenliste

1

Element

2

Lichtleiterkörper

21

Kollimierende Wand

22

Übergangsfläche

23

Aufbauelement

3

Kollimator

4

Emissionsfläche

5

Beleuchtungsmittel

51

Lichtquelle

100, 101

Lichtstrahl

n

Brechungsindex des Materials,

ω

Streuungswinkel,

a, a'

Neigungshöhe,

b, b'

Neigungslänge,

c

Höhe der Emissionsfläche

d

Körperhöhe

e

Dehnungslänge

X

optische Achse

Claims (9)

1. Lichtleiter, für Signalleuchten von Kraftfahrzeugen, umfassend: mindestens einen Kollimator (3) mit einer kollimierenden Wand (21) zum Binden und Führen der Lichtstrahlen (100), die durch ein Leuchtmittel (5) in dem Lichtleiter emittiert werden, wobei der Kollimator (3) die Lichtstrahlen (100) entlang einer optischen Achse (x) kollimiert, einen Lichtleiterkörper (2) der die kollimierende Wand (21) weiterführt und einstückig räumlich geformt ist, mit einem in der Richtung der optischen Achse (x) länglichen Profil, und an seinem Ende mit einer Ausgangs-Emissionsfläche (4) ausgestattet ist, um Lichtstrahlen (100) in Form eines Strahls mit mindestens einer Signalleuchtenfunktion zu emittieren, wobei der Lichtleiterkörper (2) aus einem Material mit einem Brechungsindex (n) hergestellt ist, wobei eine erste Höhe (d) des Lichtleiterkörpers (2), die dessen Höhe an dessen Anfang ist, wo der Lichtleiterkörper (2) an das Ende der kollimierenden Wand (21) angrenzt, größer ist als eine zweite Höhe (c) des Lichtleiterkörpers (2), die die Höhe an dessen Ende ist, an dem er in die Emissionsfläche (4) übergeht, und wobei der Lichtleiterkörper (2) angepasst ist, um Lichtstrahlen (100) innerhalb eines Winkels (w) der Streuung aus der Richtung der optischen Achse (x) zu emittieren, und wobei der Lichtleiterkörper (2) mindestens eine Übergangsfläche (22) umfasst, die, im Profil des Lichtleiterkörpers (2) gesehen, zu der Emissionsfläche (4) geneigt in Richtung der Längsachse des Profils ist, und wobei die Neigungshöhe (a) und die Neigungslänge (b) auf der Übergangsfläche (22) so gewählt sind, dass sie der folgenden Beziehung entsprechen: $$\frac{a}{b}=tg\left(\frac{1}{2}\text{arcsin}\left(\frac{\text{sin}\mathrm{\omega }}{n}\right)\right)$$

   
2. Lichtleiter nach Anspruch 1, wobei die erste Höhe (d) in dem Bereich von etwa 5 mm bis etwa 25 mm liegt, und die zweite Höhe (c) beträgt etwa 2 mm bis etwa 15 mm.
3. Lichtleiter nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Lichtleiterkörper (2) konfiguriert ist, um Lichtstrahlen (100) im Allgemeinen innerhalb der Begrenzungen des Winkels (w) der Streuung aus der Richtung der optischen Achse (x) zu emittieren, wobei dieser Streuungswinkel etwa 5° bis etwa 25° beträgt.
4. Lichtleiter nach einem der vorigen Ansprüche, wobei er für lediglich eine Reflexion eines bestimmten Lichtstrahls (100) von der Übergangsfläche (22) konfiguriert ist.
5. Lichtleiter nach einem der vorigen Ansprüche, wobei der Lichtleiterkörper (2) ein Aufbausegment (23) umfasst, das sich zwischen der kollimierenden Wand (21) und der Übergangsfläche (22) befindet.
6. Lichtleiter nach Anspruch 5, wobei die Höhe (d) des Aufbausegments (23) konstant in der Richtung von dem Kollimator (3) zu der Übergangsfläche (22) des Lichtleiterkörpers (2) ist.
7. Lichtleiter nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das Profil des Lichtleiterkörpers (2) axial symmetrisch in Bezug auf die Längsachse des Profils ist, wobei der Lichtleiterkörper (2) zwei Übergangsflächen (22) aufweist, die einander gegenüberliegen, und wobei die zwei Übergangsflächen axial symmetrische Kurven umfassen, die dieselbe Größe in Bezug auf die Neigungslängen (b) und die dieselbe Größe in Bezug auf die Neigungshöhen (a) aufweisen.
8. Lichtleiter nach einem der vorigen Ansprüche 1 bis 4, wobei der Lichtleiterkörper (2) mindestens zwei Übergangsflächen (22) umfasst, die sich in ihren jeweiligen Profilen hinsichtlich der Länge (b) und/oder Höhe (a) ihrer Neigung voneinander unterscheiden.
9. Lichtleiter nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Übergangsfläche (22) eine Ebene ist, die ein Liniensegment in dem Profil des Lichtleiterkörpers (2) ist.

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