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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Strahlungsaussendung umfassend:
- - ein Leuchtmittel zum Aussenden von Licht in einer Hauptabstrahlrichtung in einen 180°-Halbraum,
- - eine Vorsatzoptik aus einem für das ausgesandte Licht transparenten Material mit einer dem Leuchtmittel zugewandten, im Wesentlichen ebenen Eintrittsfläche und einer der Eintrittsfläche gegenüberliegenden konvex gewölbten Austrittsfläche, deren Wölbung derart ausgebildet ist, dass in einer senkrecht zu der Eintrittsfläche verlaufenden Mittelschnittebene betrachtet von dem Leuchtmittel ausgesandte und über die Eintrittsfläche in die Vorsatzoptik eingekoppelte Lichtstrahlen die Vorsatzoptik über eine Schnittkurve zwischen der Mittelschnittebene und der Austrittsfläche im Wesentlichen ohne eine Richtungsänderung verlassen, wobei in einer vertikalen Mittelschnittebene betrachtet virtuelle Schnittpunkte der über die Austrittsfläche aus der Vorsatzoptik ausgetretenen Lichtstrahlen auf einer virtuellen Geraden liegen, die senkrecht zu der Eintrittsfläche der Vorsatzoptik verläuft, und
- - eine Reflektoranordnung zum Umlenken der über die Austrittsfläche aus der Vorsatzoptik ausgetretenen Lichtstrahlen in eine Hauptaustrittsrichtung der Anordnung.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Berechnung einer Reflexionsfläche einer Reflektoranordnung einer solchen Strahlungsaussendungsanordnung.
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Eine Strahlungsaussendungsanordnung der eingangs genannten Art ist aus der
DE 10 2005 045 685 A1 bekannt. Die bekannte Anordnung hat eine (idealisierte) Punktlichtquelle und einen Paraboloidreflektor, der die von der Lichtquelle abgegebenen Strahlen in eine bestimmte Richtung parallelisiert. Dies funktioniert allerdings nur für eine idealisierte Punktlichtquelle und wenn diese genau in dem Brennpunkt des Reflektors angeordnet ist, wobei die Richtung, in welche die Strahlen parallelisiert werden, der Rotationsachse des Paraboloidreflektors entspricht.
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Aus der
DE 20 2011 103 265 U1 ist eine Kraftfahrzeugleuchte bekannt, welche unter Verwendung einer realen, also nicht punktförmigen, Lichtquelle eine Lichtverteilung der Leuchte, also nicht genau parallelisiertes Licht, erzeugt. Die Lichtverteilung der Leuchte erfordert bspw. horizontale Streuwinkel bis etwa +/-20° und vertikale Streuwinkel bis etwa +/-10°. Dies wird in dieser Druckschrift durch Streuelemente erreicht, die entweder auf parallele Lichtstrahlen, die nicht durch einen Paraboloiden erzeugt werden können, oder auf lediglich „nahezu“ parallele Strahlen wirken, die durch einen Paraboloiden erzeugt werden können. Durch einen Paraboloiden kann das Licht einer realen Lichtquelle deshalb nicht parallelisiert werden, da der Licht aussendende Teil der Lichtquelle aufgrund seiner Flächenerstreckung nicht genau im Brennpunkt des Paraboloidreflektors angeordnet werden kann. Bei Verwendung einer Vorsatzoptik zur Bündelung der von der Lichtquelle ausgesandten Lichtstrahlen, wie in dieser Druckschrift vorgeschlagen, liegen die virtuellen Ausgangspunkte der Lichtstrahlen auf einer senkrecht zur Eintrittsfläche der Vorsatzoptik verlaufenden Geraden und damit ebenfalls nicht im Brennpunkt des Reflektors. Ein Paraboloidreflektor kann also bei Verwendung einer realen Lichtquelle lediglich „nahezu“ parallele Lichtstrahlen erzeugen, die bspw. eine Divergenz von 5° aufweisen. Dies bedeutet, dass die Streuelemente zur Erzielung der geforderten Streuwinkel der Lichtverteilung der Leuchte die Divergenz korrigieren und dann horizontal nur 20°-5°=+/-15° und vertikal nur 10°-5°=+/-5° streuen.
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Die im Stand der Technik nach
DE 10 2005 045 685 A1 ,
DE 10 2013 219 898 A1 und
DE 10 2013 219 898 A1 beschriebene Reflektorgeometrie weist, wenn man sie identisch auf Halbleiterlichtquellen, bspw. Leuchtdioden (LEDs), überträgt, folgenden Nachteil auf. Die von der Leuchtdiode abgestrahlte Lichtstärke fällt von einem maximalen Wert, der in senkrechter Richtung zur Chipoberfläche vorliegt, mit dem Cosinus des Winkels zu dieser Senkrechten ab (sog. Lambertstrahler). Dies führt dazu, dass ein der Leuchtdiode zugeordneter Reflektor einen sehr stark schwankenden Helligkeitseindruck erzeugt. Im Gegensatz dazu strahlt bspw. eine Glühlampe in fast „alle“ Richtungen (nicht durch den Sockel), d.h. in einen 360°-Raum, eine nahezu konstante Lichtstärke ab, wodurch ein Reflektor, auf den das Licht der Glühlampe fällt, homogen hell leuchtend erscheint.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Strahlungsaussendung dahingehend auszugestalten und weiterzubilden, dass sie bei Verwendung einer realen Lichtquelle und trotz Verwendung einer Vorsatzoptik paralleles Licht erzeugt, wie es bspw. zur Ausbildung einer Fernlichtverteilung benötigt wird. Selbstverständlich könnte aus dem parallelen Lichtbündel, bspw. durch Verwendung geeigneter Streuelemente, die horizontal +/-20° bzw. vertikal +/-10° streuen, auch eine Leuchtenverteilung realisiert werden. Dabei soll die Anordnung ein möglichst kleines Volumen beanspruchen und möglichst effizient arbeiten. Wenn die Anordnung zum Aufbau einer Leuchte verwendet wird, soll darüber hinaus ein möglichst homogen leuchtendes Erscheinungsbild an der Lichtaustrittsfläche erzielt werden.
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Diese und andere Aufgaben werden durch eine Anordnung zur Strahlungsaussendung der eingangs genannten Art gelöst, bei der die Reflektoranordnung eine Reflexionsfläche aufweist, die ausgebildet ist, die über die Austrittsfläche aus der Vorsatzoptik ausgetretenen Lichtstrahlen zu parallelisieren. Erfindungsgemäß wird eine Anordnung zur Strahlungsaussendung mit einer Reflektoranordnung vorgeschlagen, die zu einem Paraboloid-Reflektor wirkgleich ist, aber eine von einem Paraboloid abweichende Reflexionsfläche aufweist. Dadurch können selbst für nichtpunktförmige Leuchtmittel mit einer Lichtaustrittsfläche und trotz Verwendung der beschriebenen Vorsatzoptik die reflektierten Lichtstrahlen parallelisiert werden. Als Nebeneffekt ergibt sich eine deutlich verbesserte Homogenität des leuchtenden Erscheinungsbildes der Anordnung zur Strahlungsaussendung. Außerdem bietet die erfindungsgemäße Anordnung die Möglichkeit, aus den streng parallelen Lichtstrahlen ungewöhnliche Designs zu erzeugen.
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Das Leuchtmittel umfasst vorzugsweise mindestens eine Leuchtdiode. Selbstverständlich kann die Reflektoranordnung der erfindungsgemäßen Strahlungsaussendungsanordnung auch mit anderen Lichtquellen in Verbindung mit einer geeigneten Vorsatzoptik der oben beschriebenen Art verwendet werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Reflexionsfläche in einer senkrecht zu der Eintrittsfläche der Vorsatzoptik verlaufenden Schnittebene berechnet ist:
- - für ausgewählte Lichtstrahlen, Ermitteln der virtuellen Schnittpunkte der über die Austrittsfläche aus der Vorsatzoptik ausgetretenen Lichtstrahlen auf der virtuellen Geraden,
- - Konstruieren von Achsen durch die virtuellen Schnittpunkte parallel zu der Hauptaustrittsrichtung der Anordnung,
- - für den am weitesten von der Eintrittsfläche der Vorsatzoptik entfernt liegenden virtuellen Schnittpunkt und den dazugehörigen Lichtstrahl, Definieren einer ersten Parabel mit der parallel zu der Hauptaustrittsrichtung verlaufenden Achse als Parabelachse,
- - Auswählen eines Abschnitts der Parabel zu beiden Seiten eines Schnittpunkts zwischen dem Lichtstrahl und der Parabel, wobei der Parabelabschnitt einen zum Scheitel der Parabel gerichteten Anfangspunkt und einen Endpunkt aufweist,
- - für den nächsten virtuellen Schnittpunkt und den dazugehörigen Lichtstrahl, Definieren einer weiteren Parabel mit der parallel zu der Hauptaustrittsrichtung verlaufenden Achse als Parabelachse,
- - Wahl der Brennweite der weiteren Parabel derart, dass die weitere Parabel durch den Anfangspunkt der unmittelbar zuvor ermittelten Parabel verläuft,
- - Auswählen eines Abschnitts der weiteren Parabel zu beiden Seiten eines Schnittpunkts zwischen dem Lichtstrahl und der weiteren Parabel, wobei der Parabelabschnitt einen zum Scheitel der weiteren Parabel gerichteten Anfangspunkt und einen Endpunkt aufweist, und
- - Wiederholen der drei vorangegangenen Schritte bis für alle virtuellen Schnittpunkte entsprechende Parabelabschnitte ausgewählt sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden alle zuvor genannten Schritte für weitere senkrecht zu der Eintrittsfläche der Vorsatzoptik verlaufende Schnittebenen wiederholt. Vorzugsweise wird in jeder Schnittebene eine Einhüllende der Parabeln über die ausgewählten Parabelabschnitte gespannt, wobei die Reflexionsfläche durch die Einhüllende gebildet ist.
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Besonders bevorzugt wird die Reflexionsfläche im dreidimensionalen Raum berechnet, indem statt der Parabeln und der Parabelabschnitten flächige Paraboloide und Paraboloidabschnitte ausgewählt werden. Über die ausgewählten Paraboloidabschnitte wird vorzugsweise eine dreidimensionale Hüllkurve gespannt, welche die Reflexionsfläche bildet.
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Um einen besonders Platz sparenden Reflektor realisieren zu können, wird vorgeschlagen, dass in der Mittelschnittebene betrachtet eine Funktion eines Abstands (y) zwischen einer Lichtaustrittsfläche der Leuchtdiode und der Reflexionsfläche in Abhängigkeit von einem Winkel (β) von einem Anfangspunkt der Reflexionsfläche in der Mittelschnittebene zu einem gegenüberliegenden Endpunkt der Reflexionsfläche in der Mittelschnittebene zumindest über Teilbereiche der Reflexionsfläche keine monotone Funktion ist. In diesem Fall wird die Reflexionsfläche für jeden der nicht-monotonen Teilbereiche anhand der zuvor angeführten Schritte berechnet. Eine derart ausgestaltete Reflektoranordnung mit einer nicht-monotonen Reflexionsfläche benötigt nur einen Bruchteil an Bauraum. Wechselt man das Leuchtmittel von einer Glühlampe zu einer Leuchtdiode und verwendet man eine geeignete Vorsatzoptik, kann weiterer Bauraum eingespart werden, ohne im Gegenzug nennenswerte Effizienz einzubüßen. Das Verhältnis V=Effizienz/Bauraum wird verbessert.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die gewölbte Austrittsfläche der Vorsatzoptik durch eine Rotation der Schnittkurve um eine Rotationsachse erzeugt ist, die parallel zu der Mittelschnittebene und senkrecht zu der Eintrittsfläche verläuft.
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Weiter Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 einen vertikalen Mittelschnitt durch die erfindungsgemäße Anordnung zur Strahlungsaussendung;
- 2 eine perspektivische Ansicht der Anordnung aus 1;
- 3 einen vertikalen Mittelschnitt durch eine Vorsatzoptik der Anordnung aus 1 und 2;
- 4 eine schematische Schnittansicht zur Veranschaulichung des Verfahrens zur Berechnung der Reflexionsfläche der Reflektoranordnung der Anordnung aus 1 und 2;
- 5 eine schematische perspektivische Ansicht zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Ermitteln einer unteren Randkontur eines Reflektorelements der mehrteiligen Reflektoranordnung der Anordnung aus 1 und 2;
- 6 eine schematische perspektivische Ansicht zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Ermitteln einer oberen Randkontur eines Reflektorelements der mehrteiligen Reflektoranordnung der Anordnung aus 1 und 2; und
- 7 eine perspektivische Ansicht der Anordnung aus 1 und 2.
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Eine erfindungsgemäße Anordnung zur Strahlungsaussendung ist in den 1 und 2 in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet. 1 zeigt einen vertikalen Mittelschnitt durch die Anordnung 2, 2 eine perspektivische Ansicht der Anordnung 2. Die Anordnung 2 umfasst ein Leuchtmittel 4, das hier zwar vereinfacht als eine Punktlichtquelle dargestellt ist, tatsächlich aber eine reale Flächenerstreckung aufweist. Das Leuchtmittel 4 sendet Licht in einer Hauptabstrahlrichtung 6 in einen 180°-Halbraum aus. Vorzugsweise umfasst das Leuchtmittel 4 mindestens eine Leuchtdiode (LED). Die LED 4 kann einen oder mehrere LED-Chips mit jeweils einer Lichtaustrittsfläche aufweisen. Diese hat eine Flächenerstreckung im Wesentlichen quer zu der Hauptabstrahlrichtung 6.
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Ferner umfasst die Anordnung 2 eine als Linse ausgebildete Vorsatzoptik 8 aus einem für das ausgesandte Licht transparenten Material mit einer dem Leuchtmittel 4 zugewandten, im Wesentlichen ebenen Eintrittsfläche 10 und einer der Eintrittsfläche 10 gegenüberliegenden konvex gewölbten Austrittsfläche 12. Die Wölbung der Austrittsfläche 12 ist derart ausgebildet, dass in einer senkrecht zu der Eintrittsfläche verlaufenden Mittelschnittebene (entspricht der Zeichenebene von 1) betrachtet von einem idealisierten punktförmigen Leuchtmittel 4 ausgesandte und über die Eintrittsfläche 10 in die Vorsatzoptik 8 eingekoppelte Lichtstrahlen die Vorsatzoptik 8 über eine Schnittkurve zwischen der Mittelschnittebene und der Austrittsfläche 12 im Wesentlichen ohne eine Richtungsänderung verlassen. Das punktförmige Leuchtmittel 4 liegt vorzugsweise im Mittelpunkt der Lichtaustrittsfläche der realen LED 4. In der vertikalen Mittelschnittebene betrachtet liegen virtuelle Schnittpunkte 14 (vgl. 3) der über die Austrittsfläche 12 aus der Vorsatzoptik 8 ausgetretenen Lichtstrahlen auf einer virtuellen Geraden 16, die senkrecht zu der Eintrittsfläche 10 der Vorsatzoptik 8 verläuft.
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Des Weiteren umfasst die Anordnung 2 eine Reflektoranordnung 18 zum Umlenken der über die Austrittsfläche 12 aus der Vorsatzoptik 8 ausgetretenen Lichtstrahlen in eine Hauptaustrittsrichtung 20 der Anordnung 2. In dem gezeigten Beispiel umfasst die Reflektoranordnung 18 vier separate Reflektorelemente 18.1, 18.2, 18.3, 18.4, die versetzt zueinander angeordnet sind, so dass in der Mittelschnittebene betrachtet eine Funktion eines Abstands y zwischen der Lichtaustrittsfläche der Leuchtdiode 4 und der Reflexionsfläche 22 in Abhängigkeit von einem Winkel β von einem Anfangspunkt P1 der Reflexionsfläche 22 in der Mittelschnittebene zu einem gegenüberliegenden Endpunkt P2 der Reflexionsfläche 22 in der Mittelschnittebene zumindest über Teilbereiche der Reflexionsfläche 22 keine monotone Funktion ist. Dies gilt z.B. beim Übergang von dem Reflektorelement 18.1 zu dem Reflektorelement 18.2.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Reflektoranordnung 18 eine Reflexionsfläche 22 aufweist, die ausgebildet ist, die über die Austrittsfläche 12 aus der Vorsatzoptik 8 ausgetretenen Lichtstrahlen parallel zur Hauptaustrittsrichtung 20 zu parallelisieren. Dies ist keine Selbstverständlichkeit, da sowohl aufgrund der Flächenerstreckung der Lichtaustrittsfläche der LED 4 (nicht alle von der LED 4 über ihre Lichtaustrittsfläche ausgesandten Lichtstrahlen liegen im Brennpunkt der Vorsatzoptik 8 und passieren deshalb auch nicht die Austrittsfläche 12 ohne Richtungsänderung) als auch aufgrund der besonderen hier verwendeten Vorsatzoptik 8 (die von außerhalb des Brennpunkts der Vorsatzoptik 8 ausgesandten Lichtstrahlen erfahren beim Durchtritt durch die Austrittsfläche 12 eine Ablenkung) eine Parallelisierung der Lichtstrahlen mittels eine herkömmlichen Paraboloiden nicht möglich ist.
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In den 1 bis 3 sind nur die Schnittkurven durch optisch aktive Flächen fett dargestellt, gestrichelt ist die horizontale Richtung 22 gekennzeichnet, in welcher die Lichtstrahlen die Reflektoranordnung 18 verlassen sollen (sog. Wunschrichtung). Die Lichtstrahlen sind dünn durchgezogen dargestellt. 2 zeigt eine Schrägansicht der optisch aktiven Flächen und wiederum die Lichtstrahlen im Mittelschnitt (Zeichenebene der 1) und die Wunschrichtung 20. Die Lichtaustrittsfläche der Leuchtdiode 4 ist parallel zur Ebenen der Eintrittsfläche 10 orientiert und liegt möglichst nahe der Eintrittsfläche 10, so dass diese gerade noch nicht durch die abgestrahlte Hitze der LEDs 4 zerstört wird. Ein typischer Abstand beträgt etwa 1 mm. Die in den 1 und 2 beispielhaft dargestellten Strahlen stammen vom Mittelpunkt des LED-Chips.
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Die verwendete Vorsatzoptik 8 weist eine ebene Eintrittsfläche 10 auf. Die Austrittsfläche 12 ist so gewölbt, dass alle austretenden Lichtstrahlen senkrecht auf ihr stehen. Durch die Neigung gegenüber der Wunschrichtung 20 kann die Bautiefe und die mit dieser zusammenhängende Bauhöhe der Anordnung 2 variiert werden. Auf diese Weise ist eine Anpassung an einen vorgegebenen oder vorhandenen Bauraum im Kraftfahrzeug möglich. Die Aufgabe der Vorsatzoptik 8 besteht darin, einen Großteil des von der Leuchtdiode 4 in den kompletten 180°-Halbraum ausgesandten Lichts in einen Kegel um eine zur Eintrittsfläche 10 senkrechte Achse zu bündeln, die parallel zur Hauptabstrahlrichtung 6 der Leuchtdiode 4 verläuft, wodurch der für die Reflektoranordnung 18 benötigte Raum (ohne Effizienzverlust) stark reduziert wird. Die Kegelachse 6 verläuft durch die Mitte des LED-Chips 4. Der Öffnungswinkel des Kegels ist vom Brechungsindex des verwendeten glasklaren Materials der Vorsatzoptik 8 abhängig und liegt beispielsweise für Polycarbonat (PC) bei etwa 39°, für Polymethylmethacrylat (PMMA) bei etwa 42° (jeweils Grenzwinkel der Totalreflexion).
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Die Vorsatzoptik 8 hat die vorteilhafte Eigenschaft, in alle Richtungen innerhalb des Kegels eine nahezu konstante Lichtstärke abzustrahlen, womit der Nachteil der zur Seite hin abfallenden Lichtstärke der Leuchtdiode 4 behoben wird. Da die Kegelachse 6 durch die Chipmitte verläuft und alle Strahlen auf der Austrittsfläche 12 senkrecht stehen, ist die Austrittsfläche 12 rotationssymmetrisch zur Kegelachse 6. Statt der hier verwendeten Linse gibt es eine Vielzahl anderer Linsen, die ebenfalls als Vorsatzoptik 8 verwendet werden könnten. Diese müssen jedoch eine Grundbedingung erfüllen: in dem Raumgebiet, in dem die Reflektoranordnung 18 angeordnet ist, dürfen an keinem Punkt Strahlen aus unterschiedlichen Richtungen ankommen, da mit der Reflektoranordnung 18 dann nur entweder der eine oder der andere Strahl in gewünschter Weise abgelenkt werden kann. Nachteilig bei vielen anderen Linsen ist, dass die Konstruktion der Reflexionsflächen 22 massiv erschwert wird, weil bei einem nicht senkrechten Durchtritt der Strahlen durch die Austrittsfläche 12 der Vorsatzoptik 8 eine Richtungsänderung aufgrund von Brechung stattfindet.
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3 zeigt einige mit durchgezogener dünner Linie gezeichnete Lichtstrahlen, die aus der Mitte des LED-Chips 4 stammen. Sie treffen auf die mit fetter Linie gezeichnete ebene Eintrittsfläche 10 der Linse 8 und dringen unter Richtungsänderung aufgrund von Brechung in diese ein. Da die ebenfalls fett gezeichnete Austrittsfläche 12 der Linse 8 an jedem Punkt senkrecht zu den bei ihr ankommenden Strahlen steht, verlassen die Strahlen die Linsen 8 ohne Richtungsänderung. Verlängert man die Strahlen entgegen ihrer Ausbreitungsrichtung (vgl. die gepunkteten Linien), so scheinen sie von unterschiedlichen „virtuellen Chipzentren“ 14 auszugehen, die alle auf der zur Eintrittsfläche 10 senkrechten Geraden 16 durch die Mitte des LED-Chips 4 liegen. Das bedeutet, dass die aus der Linse 8 ausgetretenen Strahlen nicht mit einem herkömmlichen Paraboloidreflektor parallelisiert werden können.
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Stattdessen wird beispielsweise mittels des anhand der
4 näher erläuterten Verfahrens eine Reflektoranordnung
18 bzw. deren Reflexionsfläche
22 konstruiert. Statt des hier beschriebenen Verfahrens können jedoch auch beliebig andere Verfahren zur Berechnung der Reflexionsfläche
22 eingesetzt werden, wie bspw. das aus der Geologie bekannten Wellenfrontenverfahren (näher beschrieben bspw. in der
DE 10 2015 220 959 A1 ).
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Auch in 4 sind die optisch wirksamen Linsenflächen 10, 12 fett eingezeichnet. Weiterhin sind drei wiederum rückwärts bis zum „virtuellen Chipzentrum“ 14 verlängerte Lichtstrahlen eingezeichnet (gestrichelte, gepunktete und durchgezogene Linien). Diese virtuellen Chipzentren 14 entsprechen den virtuellen Schnittpunkten der über die Austrittsfläche 12 aus der Vorsatzoptik 8 ausgetretenen Strahlen. Durch diese wird jeweils eine Achse 28, 31, 35 in Wunschrichtung 20 gelegt. Beginnend mit dem durchgezogenen Lichtstrahl 24 wird eine Parabel 26 mit der durchgezogenen Achse 28 und dem zugehörigen virtuellen Chipzentrum 14 mit frei wählbarer Brennweite erzeugt (dünn durchgezogen), von der nur ein kurzes Stück 26a (fett durchgezogen) benötigt wird. Zur Verdeutlichung der Begrenzung des Stücks 26a sind ein Anfangspunkt P1.1 und ein Endpunkt P1.2 eingezeichnet.
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In einem nächsten Schritt wird dieselbe Prozedur für den gepunkteten Strahl 30 mit der Achse 31 durchgeführt. Im Unterschied zur durchgezogenen Parabel 26 ist die Brennweite hier nicht beliebig, sondern muss so gewählt werden, dass die Parabel 32 (gepunktet) durch den Endpunkt P1.2 des fett gezeichneten Stücks 26a der durchgezogenen Parabel 26 verläuft. Wiederum wird von der gepunkteten Parabel 32 nur das fett gezeichnete Stück 32a benötigt, und wiederum wird im nachfolgenden Schritt für den gestrichelten Strahl 34 mit der Achse 35 die Brennweite der gestrichelten Parabel 36 so gewählt, dass diese durch den Endpunkt P2.2 des fett gepunkteten Stücks 32a der gepunkteten Parabel 32 verläuft.
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„Bearbeitet“ man nach diesem Verfahren hinreichend dicht nebeneinander liegende Lichtstrahlen über die gesamte Austrittsfläche 12 der Vorsatzoptik 8, erhält man eine Vielzahl von Parabeln 26, 32, 36 bzw. Parabelstücken 26a, 32a, 36a, die jeweils am Schnittpunkt mit dem Lichtstrahl zugeordneten Lichtstrahl 24, 30, 34 die gewünschte Wirkung zeigen, d.h. den Lichtstrahl 24, 30, 34 in die Richtung 20 umlenken. Um alle Strahlen in die Wunschrichtung 20 zu lenken, kann über die Parabeln 26, 32, 36 bzw. die Parabelstücke 26a, 32a, 36a deren Einhüllende gespannt werden. In der Mathematik bezeichnet Einhüllende (auch Hüllkurve oder Enveloppe) eine Kurve, die eine Kurvenschar einhüllt. Das heißt, die Einhüllende berührt jede Scharkurve einmal. Das hier im zweidimensionalen Schnitt anhand von Kurven Beschriebene muss natürlich dreidimensional mit Flächen durchgeführt werden, um zu der gewünschten Form der Reflektoranordnung 18 bzw. der Reflexionsfläche 22 zu gelangen.
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Um einen Reflektor wie in 2 gezeigt zu erzeugen, muss das eben beschriebene Verfahren viermal (für jedes Reflektorelement 18.1, 18.2, 18.3, 18.4 einmal) angewendet werden, um die vier Reflexionsflächen 22 in unterschiedlichen Abständen von der Vorsatzoptik 8 zu erzeugen. Dann schneidet man beispielsweise das der Linse 8 am nächsten liegende Reflektorelement 18.4 entlang einer frei wählbaren Randkontur ab. Um die gewünschte hohe Effizienz zu erzielen, sollte dies nach Möglichkeit so erfolgen, dass das verbleibende Stück innerhalb des von der Linse 8 abgegebenen Lichtkegels liegt. Wenn die Reflektoranordnung 18 die maximale Effizienz aufweisen soll, dürfen
- - keine Lichtstrahlen zwischen den Reflektorelementen 18.1, 18.2, 18.3, 18.4 hindurchtreten,
- - keine Lichtstrahlen von einem ersten Reflektorelement auf die Rückseite eines anderen Reflektorelements reflektiert werden.
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Dies bedeutet, dass mit der Festlegung der Randkontur des ersten Reflektorelements 18.4 die Randkonturen aller anderen Reflektoren 18.3, 18.2, 18.1 definiert sind.
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5 zeigt, dass man die untere Randkontur 18.1a eines ersten Reflektorelements 18.1 aus der oberen Randkontur 18.2a des benachbarten zweiten Reflektorelements 18.2 dadurch erhält, dass man aus der oberen Kontur 18.2a durch Ziehen entgegen der Wunschrichtung 22 eine Fläche 38 erzeugt und das erste Reflektorelement 18.1 unten entlang dieser Fläche 38 kürzt.
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6 zeigt, dass man eine obere Randkontur 18.2a eines Reflektorelements 18.2 aus der unteren Randkontur 18.3a des benachbarten Reflektorelements 18.3 dadurch erhält, dass man das Reflektorelement 18.2 oben entlang einer Fläche 40 kürzt, die folgendermaßen erzeugt wird: man erzeugt auf der unteren Randkontur 18.3a des benachbarten Reflektorelements 18.3 Punkte, durch die man Geraden zieht, die senkrecht zur Austrittsfläche 12 der Linse 8 stehen. Diese Geraden sind also parallel zu Lichtstrahlen an der jeweiligen Stelle. Dann verlängert man die Geraden über die Reflexionsfläche 22 des benachbarten Reflektorelements 18.3 hinaus; diese Geraden dienen als Erzeugende der benötigten Fläche 40. Diese Operation ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung 2 einfach auszuführen, da die Lichtstrahlen senkrecht auf der Austrittsfläche 12 der Linse 8 stehen. Falls beim Lichtaustritt Brechung stattfinden würde (also eine andere Linse verwendet werden würde), wäre der Aufbau der Schnittfläche sehr kompliziert, da man in diesem Fall weder den Austrittspunkt des Lichtstrahls aus der Linse 8 noch die Richtung des austretenden Lichtstrahls kennen würde.
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Die seitlichen Berandungen (in 5 sind einige mit „a“ gekennzeichnet) ergeben sich durch Schnitt mit dem aus der Linse 8 austretenden Lichtkegel. Dies führt zu maximaler Effizienz und gleichzeitig gesicherter Homogenität; würde man eine weiter außen liegende Berandung wählen, würde der Bereich außerhalb des Lichtkegels dunkel (und somit nicht homogen hell) erscheinen, würde man eine weiter innen liegende Berandung wählen, würden Strahlen die Reflexionsfläche 22 verfehlen, was zu einer Effizienzeinbuße führen würde.
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Um Abschattungen, die aufgrund der Wandstärke der Reflektorelemente 18.1, 18.2, 18.3, 18.4 entstehen, zu vermeiden oder zu minimieren, ist es vorteilhaft, die schmalen Verbindungsflächen zwischen der vorderen verspiegelten Reflexionsfläche 22 und der hinteren Fläche 42 wie in 7 dargestellt geneigt, vorzugsweise parallel zu passierenden Lichtstrahlen, auszuführen.
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Es können Verbindungselemente (nicht dargestellt) zwischen den Reflektorelementen 18.1, 18.2, 18.3, 18.4 vorgesehen werden. Wenn diese einstückig mit den Reflektorelementen 18.1, 18.2, 18.3, 18.4 ausgebildet sind, kann die Reflektoranordnung 18 besonders preisgünstig hergestellt werden. Die Verbindungselemente werden vorzugsweise an den in 5 mit „a“ gekennzeichneten Außenflächen der Reflektorelementen 18.1, 18.2, 18.3, 18.4 befestigt oder ausgebildet, da es andernfalls zu Abschattung auf den hinteren Reflektorelementen kommen kann. Ferner ist auch eine Facettierung der Reflexionsflächen 22 denkbar, um die Lichtverteilung zu beeinflussen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005045685 A1 [0003, 0005, 0006]
- DE 202011103265 U1 [0004]
- DE 102013219898 A1 [0005, 0006]
- DE 102015220959 A1 [0024]
