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Die Erfindung geht aus von einer totalen internen Reflexionslinse (TIR-Linse) gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, einer Beleuchtungseinrichtung und einem Scheinwerfer.
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Totalreflexion ist ein Phänomen, das im Zusammenhang mit elektromagnetischen Wellen bekannt ist. Sie findet an der Grenzfläche zweier nicht absorbierender Medien mit verschieden großer Ausbreitungsgeschwindigkeit statt, wenn der Einfallswinkel einen bestimmten Wert, den sogenannten Grenzwinkel der Totalreflexion, überschreitet.
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Eine totale interne Reflexionslinsen (TIR-Linse) macht sich diesen Umstand zunutze und bündelt einfallende Strahlung mithilfe einer Reflexionsfläche.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine totale interne Reflexionslinse (TIR-Linse) zu schaffen, die eine weite Ausleuchtung ermöglicht und eine hohe Lichtintensität aufweist, sowie eine TIR-Linsenanordnung, ein Beleuchtungssystem, das die TIR-Linse aufweist und einen Scheinwerfer.
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Die Aufgabe wird gelöst hinsichtlich der totalen internen Reflexionslinse gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1, hinsichtlich der TIR-Linsenanordnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 10, hinsichtlich des Beleuchtungssystems gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 11 und hinsichtlich des Scheinwerfers gemäß des den Merkmalen des Patentanspruchs 15.
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Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den jeweils abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß ist eine totale interne Reflexionslinse (TIR-Linse) vorgesehen. Diese kann zumindest eine Einkoppelfläche für einen ersten Lichtpfad und zumindest eine weitere Einkoppelfläche für einen weiteren Lichtpfad aufweisen. Dabei kann die Strahlung einer Strahlungsquelle im ersten Lichtpfad direkt zu einer Auskoppelseite geführt sein und im weiteren Lichtpfad über eine Reflexionsfläche zur Auskoppelseite reflektierbar sein. Die TIR-Linse kann eine Auskoppelfläche für einen Teil der Strahlung oder die gesamte Strahlung im ersten Lichtpfad haben und eine weitere Auskoppelfläche für einen Teil der Strahlung oder die gesamte Strahlung im weiteren Lichtpfad, wobei sich die erste Auskoppelfläche von der zweiten Auskoppelfläche unterscheiden kann. Weiterhin kann die TIR-Linse alternativ oder zusätzlich an ihrer Auskoppelseite zumindest eine Facette aufweisen, wodurch das ausgegebene Lichtbild veränderbar ist. Zumindest eine Einkoppelfläche oder beide Einkoppelflächen und/oder zumindest eine Auskoppelfläche oder beide Auskoppelflächen können beispielsweise refraktiv ausgestaltet sein. Mit Vorteil sind die Einkoppelfläche und die Auskoppelfläche des ersten Lichtpfads refraktiv ausgestaltet.
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Diese Lösung hat den Vorteil, dass durch die beiden Auskoppelflächen der TIR-Linse die Lichtbilder der zumindest zwei Lichtpfade einzeln anpassbar sind. Durch die zumindest eine Facette kann die einfallende Strahlung gebrochen werden, und so ein breites Lichtbild ermöglicht sein. Das ist von Vorteil, da dadurch eine breite Ausleuchtung einer Fläche, beispielsweise einer Fahrbahn ermöglicht ist. Dadurch kann, falls die TIR-Linse bei einem Scheinwerfer für ein Fahrzeug eingesetzt ist, ein zusätzlicher Fernlichtspot ermöglicht sein. Der zusätzliche Fernlichtspot kann beispielsweise eine runde oder elliptische oder eine andere Lichtverteilung aufweisen.
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Die Strahlungsquelle kann beispielsweise eine Laser Activated Remote Phosphor (LARP) Diode oder eine Mikro-LARP Modul sein. Bei dieser Technologie wird ein, von einer Strahlungsquelle beabstandet angeordnetes, Konversionselement, das einen Leuchtstoff aufweist oder daraus besteht, mit einer Anregungsstrahlung, insbesondere einem Anregungsstrahl oder Pumpstrahl oder Pumplaserstrahl, bestrahlt, insbesondere mit dem Anregungsstrahl einer Laserdiode. Die Anregungsstrahlung wird vom Leuchtstoff zumindest teilweise absorbiert und zumindest teilweise in eine Konversionsstrahlung oder in ein Konversionslicht umgewandelt, deren Wellenlängen und somit spektralen Eigenschaften und/oder Farbe durch die Konversionseigenschaften des Leuchtstoffs bestimmt wird. Bei der Down-Konversion wird die Anregungsstrahlung der Strahlungsquelle durch den bestrahlten Leuchtstoff in Konversionsstrahlung mit längeren Wellenlängen als die Anregungsstrahlung konvertiert. Beispielsweise kann so mit Hilfe des Konversionselements blaue Anregungsstrahlung, insbesondere blaues Laserlicht, in rote und/oder grüne und/oder gelbe Konversionsstrahlung konvertiert werden. Bei einer teilweisen Konversion ergibt dann beispielsweise eine Überlagerung von nichtkonvertiertem blauen Anregungslicht und gelbem Konversionslicht weißes Nutzlicht. Weitere Strahlungsquellen sind beispielsweise Licht emittierende Dioden (LED), beispielsweise direkt strahlende LEDs oder Konversions-LEDs, oder organische LEDs (OLEDS). Andere Strahlungsquellen sind denkbar.
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Vorteilhafterweise ist eine Mehrzahl von Facetten vorgesehen, die zusammen eine Facettierung bilden. Mit Vorteil kann dadurch eine Verzerrung der Lichtverteilung entlang einer, insbesondere horizontalen, Achse des Lichtbildes erfolgen, um so beispielsweise eine Fahrbahn auszuleuchten.
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Ein Teil der Facetten oder alle Facetten kann/können dabei direkt aneinander angrenzen, oder zumindest benachbart angeordnet sein. Mit Vorteil ist dadurch die gewünschte Lichtverteilung der TIR-Linse erreichbar.
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Eine Facette oder ein Teil der Facetten oder alle Facetten können dabei im Querschnitt gesehen gebogen ausgestaltet sein. Beispielsweise kann/können die Facette/die Facetten konvex oder konkav ausgestaltet sein. Weiterhin kann/können die Facette/die Facetten länglich ausgestaltet sein. Es ist möglich, dass eine Facette oder ein Teil der Facetten oder alle Facetten als Zylinderlinsen ausgestaltet sind. Möglich ist, dass benachbarte Facetten abwechselnd konvex und konkav ausgestaltet sind und sich dadurch ein wellenförmiger Verlauf der Facetten ergibt. Dabei sind unterschiedliche Tiefenniveaus der Facetten möglich. Die Breite von einem Tiefpunkt zum nächsten Tiefpunkt kann etwa 1mm betragen. Ein wellenförmiger Verlauf der Facetten hat den Vorteil, dass ein solcher Verlauf mechanisch leichter herstellbar ist, als beispielsweise ein Verlauf von aneinandergereihten konvexen oder konkaven Facetten.
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Die erste Auskoppelfläche der TIR-Linse kann etwa mittig an der Auskoppelseite der TIR-Linse angeordnet sein und sich beispielsweise kreisförmig um die optische Hauptachse der TIR-Linse erstrecken. Die weitere Auskoppelfläche kann zumindest abschnittsweise oder vollständig die erste Auskoppelfläche umgreifen. Sie kann dabei kreisförmig oder ringförmig ausgestaltet sein.
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Die zumindest eine Facette oder ein Teil der Facetten oder alle Facetten können dabei an der weiteren Auskoppelfläche vorgesehen sein. Es ist auch möglich, dass zumindest eine oder mehrere Facetten an der ersten Auskoppelfläche ausgebildet sind. Dadurch kann vorteilhafterweise die Strahlung, die über den weiteren Lichtpfad in die weitere Auskoppelfläche geführt wird, gebrochen werden, wodurch ein elliptisches Lichtbild entstehen kann. Beispielsweise beim Ausleuchten einer Straße ist ein solches Lichtbild vorteilhaft. Die Facetten können einstückig mit der Linse geformt sein oder auf die Linse aufgebracht werden. Dabei können sie aus demselben Material wie die Linse oder aus einem anderen Material ausgestaltet sein. Das Material kann beispielsweise Glas, Silikon oder Kunststoff sein. Andere Materialen sind ebenso denkbar. Die Facetten können in der Draufsicht die Form von parallel liegenden Vierecken haben, es sind jedoch auch andere, die Oberfläche parkettierende Muster denkbar. Die Facetten und/oder die ganze Linse können beispielsweise durch Spritzguss hergestellt werden.
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Die TIR-Linse kann einen Rand aufweisen, der die Auskoppelfläche und/oder die weitere Auskoppelfläche vollständig oder zumindest abschnittsweise umgreift. Der Rand der TIR-Linse kann beliebig, beispielsweise je nach Kundenwunsch, ausgestaltet sein. Beispielswiese ist ein elliptischer Rand oder ein runder Rand oder ein eckiger Rand denkbar. Weitere Formen sind ebenso denkbar. Die Form der Facettierung kann beispielsweise auch auf dem Rand, beispielsweise auf einem optisch nicht aktiven Teil des Randes, weitergeführt werden. Das hat den Vorteil, dass das Design der TIR-Linse auf dem Rand weitergeführt werden kann.
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Erfindungsgemäß ist weiterhin eine TIR-Linsenanordnung vorgesehen. Diese kann zwei oder mehr TIR-Linsen aufweisen. Die TIR-Linsen können dann beispielsweise über ihren Rand verbunden sein. Der Rand kann einen Rahmen bilden, in dem zumindest zwei TIR-Linsen aufgenommen sein können. Der Rand kann dann beispielsweise einstückig oder mehrteilig ausgestaltet sein und/oder einstückig mit den TIR-Linsen ausgebildet sein. Die TIR-Linsen können beispielsweise einzeilig oder mehrzeilig, spalten- oder matrixartig angeordnet sein. Dadurch kann vorteilhafterweise eine kompakte Bauweise der TIR-Linsenanordnung ermöglicht sein. Denkbar ist auch, dass die TIR-Linsen einstückig miteinander verbunden sind.
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Erfindungsgemäß ist weiterhin ein Beleuchtungssystem vorgesehen, das eine TIR-Linse gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Aspekte enthält. Das Beleuchtungssystem kann eine Strahlungsquelle aufweisen, die in einem Gehäuse montiert ist, wobei das Gehäuse eine Aufnahme für die TIR-Linse aufweisen kann.
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Mit Vorteil ist zumindest ein Aktuator vorgesehen, durch den die TIR-Linse bewegbar sein kann. Die Bewegung kann dabei linear entlang der optischen Hauptachse der TIR-Linse erfolgen. Durch die Veränderung des Abstandes der TIR-Linse zur Strahlungsquelle kann vorteilhafterweise das ausgegebene Lichtbild veränderbar sein. Durch eine laterale Verschiebung der TIR-Linse zur Lichtquelle können beispielsweise die Lichtverteilung und/oder die maximale Intensität veränderbar sein. Dabei ist es durch den Aktuator möglich, das Lichtbild dynamisch zu verändern. Das kann im Straßenverkehr von Vorteil sein, beispielsweise ein automatisches Abblenden bei Gegenverkehr. Möglich ist auch, dass zwei oder mehrere TIR-Linsen von einem Aktuator bewegbar sind. Das ist vorteilhaft, da dadurch Bauraum und Konstruktionskosten eingespart werden kann. Weiterhin vorteilhaft kann die TIR-Linse durch den Aktuator einjustiert werden. Alternativ kann die TIR-Linse auch aktiv einjustiert und anschließend in einer Nominalposition befestigt sein.
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Mit Vorteil kann der Aktuator alternativ oder zusätzlich eine Drehbewegung um die optische Hauptachse durchführen und so die TIR-Linse drehen. Es ist auch möglich, dass ein weiterer Aktuator vorgesehen ist, durch den die Drehbewegung erfolgen kann. Vorteilhafterweise ist nur ein Aktuator für die drehende und die lineare Bewegung vorgesehen, wodurch auch Bauraum und Konstruktionskosten eingespart werden können. Durch die Drehung der TIR-Linse kann ein elliptischer Bereich der Lichtverteilung, welcher durch die Facetten hervorgerufen ist, horizontal geneigt werden, insbesondere wenn die optische Hauptachse der TIR-Linse, insbesondere etwa, in einer Horizontalebene, beispielsweise bei einem Scheinwerfer für ein Fahrzeug, angeordnet ist. Die optische Hauptachse kann sich dann beispielsweise weiter etwa in Richtung der Längsachse des Fahrzeugs erstrecken. Es ist denkbar, dass dies in Abhängigkeit der Fahrgeschwindigkeit eines Fahrzeugs geschieht. Dadurch kann vorteilhafterweise das Vorfeld des Fahrzeugs besser ausgeleuchtet werden und/oder eine Neigung des Fahrzeugs korrigiert werden.
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Erfindungsgemäß ist weiterhin ein Scheinwerfer vorgesehen, der das Beleuchtungssystem gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Aspekte aufweist. Der Scheinwerfer ist bevorzugt in einem Fahrzeug vorgesehen.
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Das Fahrzeug kann ein Luftfahrzeug oder ein wassergebundenes Fahrzeug oder ein landgebundenes Fahrzeug sein. Das landgebundene Fahrzeug kann ein Kraftfahrzeug oder ein Schienenfahrzeug oder ein Fahrrad sein. Besonders bevorzugt ist das Fahrzeug ein Lastkraftwagen oder ein Personenkraftwagen oder ein Kraftrad. Das Fahrzeug kann des Weiteren als nicht-autonomes oder teil-autonomes oder autonomes Fahrzeug ausgestaltet sein.
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Es ist auch möglich, den Scheinwerfer in weiteren Anwendungsbereichen, beispielsweise Effektlichtbeleuchtungen, Entertainmentbeleuchtungen, Architainmentbeleuchtungen, Allgemeinbeleuchtung, medizinische und therapeutische Beleuchtung oder Horticulture einzusetzen.
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Der Begriff „etwa“ kann beispielsweise bedeuten, dass eine Abweichung in den fachüblichen Toleranzen oder von bis zu 5% vorhanden sein kann.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
- 1 in einer perspektivischen Darstellung ein Beleuchtungssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- 2 in einem Querschnitt eine Totale Interne Reflexionslinse (TIR-Linse) des Ausführungsbeispiels aus 1,
- 3a und 3b jeweils in einer Draufsicht eine TIR-Linse gemäß einem jeweiligen Ausführungsbeispiel zusammen mit einem zugehörigen Lichtbild,
- 4a bis 4d jeweils in einer Draufsicht eine TIR-Linse gemäß einem jeweiligen Ausführungsbeispiel,
- 5a und 5b jeweils in einer perspektivischen Darstellung eine Anordnung einer Mehrzahl von TIR-Linsen gemäß einem jeweiligen Ausführungsbeispiel und
- 6 in einem Querschnitt einen vergrößerten Ausschnitt der TIR-Linse aus 2 im Bereich ihrer Austrittsseite.
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Gemäß 1 ist ein Beleuchtungssystem 1 mit seinem Gehäuse 2 dargestellt. Dieses ist in einem, durch Strichlinien dargestellten Scheinwerfer 3 vorgesehen. Das Beleuchtungssystem 1 weist eine totale interne Reflexionslinse (TIR-Linse) 4 auf. Die TIR-Linse 4 ist über eine Aufnahme 6 an einem hohlzylindrischen Gehäuseabschnitt 8 befestigt, welcher einen Teil des Gehäuses 2 bildet. Im Gehäuse 2 ist eine Strahlungsquelle angeordnet, beispielsweise eine LARP Strahlungsquelle, die Strahlung durch den Gehäuseabschnitt 8 in die TIR-Linse 4 emittiert. Die TIR-Linse 4 weist eine Auskoppelseite 10 auf, welche eine Auskoppelfläche 12 und eine weitere Auskoppelfläche 14 aufweist. Die Auskoppelfläche 12 ist kreisförmig um eine optische Hauptachse 16 angeordnet. Die weitere Auskoppelfläche 14 umschließt die Auskoppelfläche 12 vollständig. In die weitere Auskoppelfläche 14 sind Facetten 18 eingebracht, durch die das ausgegebene Lichtbild veränderbar ist.
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Die TIR-Linse 4 hat einen kegelstumpfförmigen Abschnitt 20, der etwa rotationssymmetrisch um die optische Hauptachse 16 ausgestaltet ist und sich in Richtung zu dem Gehäuse 2 verjüngt. Eine große Stirnfläche des Abschnitts 20 bildet dann die Auskoppelseite 10. Diese ist etwa so ausgestaltet, dass sie eine längere und eine kürzere Seite hat und dass sie breiter als der Abschnitt 20 ausgebildet ist. An den längeren Seiten sind Halteelemente 22 vorgesehen, die die TIR-Linse an der Aufnahme 6 festlegen, was untenstehend näher erläutert ist.
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In dem Gehäuse 2 ist neben der Strahlungsquelle ein Aktuator angeordnet (nicht eingezeichnet). Durch den Aktuator ist die TIR-Linse 4 um die optische Hauptachse 16 drehbar und/oder entlang der optischen Hauptachse 16 linear verschiebbar.
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Gemäß 2 ist die TIR-Linse 4 aus 1 im Detail dargestellt. Die Auskoppelfläche 12 ist von der Auskoppelseite 10 aus gesehen konvex nach außen gekrümmt. Eine Innenseite 24 des kegelstumpfförmigen Abschnitts 20, so dass sie Strahlung zu einer Auskoppelseite 10 der TIR-Linse 4 reflektiert. An den kegelstumpfförmigen Abschnitt 20 der TIR-Linse 4 schließt sich in Richtung der Auskoppelseite 10 ein etwa zylindrischer Abschnitt 26 an. Von der Aufnahme 6 aus gesehen, schließt sich an den zylindrischen Abschnitt 26 ein weiterer etwa zylindrischer Abschnitt 28 an, der breiter im Vergleich zum Abschnitt 26 ist. Dieser Abschnitt 28 weist die Auskoppelseite 10 mit den Auskoppelflächen 12 und 14 auf. Von diesem aus sind beabstandet zu dem kegelstumpfförmigen Abschnitt 20 der TIR-Linse 4 die Halteelemente 22 angeordnet, welche die TIR-Linse 4 mit der Aufnahme 6 verbinden. Auf der zur Aufnahme 6 weisenden Seite hat die TIR-Linse 4 in dem kegelstumpfförmigen Abschnitt 20 eine sacklochartige Aussparung 30, in welcher eine Strahlung einer Strahlungsquelle (nicht gezeigt) einkoppeln kann. Die sacklockartige Aussparung 30 weist zwei Einkoppelflächen 32 und 34 auf. Die Einkoppelfläche 32 ist konvex gekrümmt und erstreckt sich etwa kreisförmig um die optische Hauptachse 16 der TIR-Linse 4. Die Einkoppelfläche 34 hat eine kegelstumpfförmige Mantelfläche, die die Einkoppelfläche 32 umfasst und sich um die optische Hauptachse 16 erstreckt. Die Mantelfläche verbreitert sich hierbei in einer Richtung weg von der Einkoppelfläche 32. Die Strahlung der nicht dargestellten Strahlungsquelle kann in die sacklochartige Aussparung 30 geführt werden und dort in die Einkoppelflächen 32 und 34 einkoppeln. Dadurch entstehen zwei Lichtpfade 36 und 38, die die Strahlung zu einer der Auskoppelflächen 12 und 14 führen. Dabei führt der erste Lichtpfad 36 die über die Einkoppelfläche 32 eingekoppelte Strahlung direkt über die Einkoppelfläche 32 zur Auskoppelfläche 12. Der weitere Lichtpfad 38 führt die über die Einkoppelfläche 24 eingekoppelte Strahlung über die Einkoppelfläche 34 auf eine reflektierende Innenseite 24 des kegelstumpfförmigen Abschnitts 20 der TIR-Linse 4 und von dort aus weiter zu der Auskoppelfläche 14, wo sich die Strahlungen der Lichtpfade 36 und 38 zu dem gewünschten Lichtbild überlagern.
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3a und 3b zeigen jeweilige Lichtbilder einer TIR-Linse mit dazugehörigen Geometrien einer jeweiligen Auskoppelseite 56 und 58. Dabei zeigt 3a eine Geometrie der Auskoppelseite 56 ohne Facettierung und 3b eine Geometrie der Auskoppelseite 58 mit Facettierung 60. In der Auskoppelseite 58 sind zwei Auskoppelflächen 62 und 64 vorgesehen, von denen die Auskoppelfläche 64 die Facettierung 60 aufweist. Das Lichtbild der Auskoppelseite ohne Facettierung 60 in 3a zeigt eine runde Lichtverteilung mit maximaler Intensität und maximaler Fokussierung im mittigen Bereich. Das Lichtbild der Geometrie mit der Facettierung 60 in 3b ist deutlich entlang einer horizontalen Mittellinie gestreckt, dadurch kann beispielsweise eine Straße in der gesamten Breite ausgeleuchtet werden.
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Die 4a bis 4d zeigen Ausgestaltungen der Auskoppelseite einer TIR-Linse. Zu sehen sind jeweils die etwa kreisrunden optisch aktiven Auskoppelflächen 66 und 68, wobei die Auskoppelfläche 68 die Auskoppelfläche 66 vollständig umgreift, sowie ein Rand 70, welcher keine optische Funktion erfüllt. 4a zeigt einen ellipsenförmige Ausgestaltung des Randes 70, 4b eine runde, 4c eine rechteckige und 4d eine etwa ellipsenförmige Ausgestaltung mit einer Facettierung 72.
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Die 5a und 5b zeigen je eine TIR-Linsenanordnung 74 oder 75, wobei zwei TIR-Linsen 76 und 78 durch einen Rand 80 verbunden sind. Die TIR-Linsen 76, 78 können etwa zeilenartig, wie in 5a, oder versetzt, wie in 5b, angeordnet sein, wobei jeweils deren optische Hauptachsen parallel sind.
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6 zeigt einen Querschnitt durch eine Facettierung. Zu sehen ist die Außenseite der Auskoppelfläche 82, die sich konvex von der Auskoppelseite 84 aus gesehen erstreckt, und die Außenseite der Auskoppelfläche 86 mit einer Facettierung. Diese ist dabei etwa wellenförmig ausgestaltet.
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Offenbart ist eine totale interne Reflexionslinse mit einer Einkoppelfläche für einen Lichtpfad und einer weiteren Einkoppelfläche für einen weiteren Lichtpfad wobei der weitere Lichtpfad über eine reflektierende Fläche geführt wird, und wobei jeder Lichtpfad eine eigene Auskoppelfläche aufweist und/oder zumindest eine Facette vorgesehen ist, mit der ein ausgegebenes Lichtbild veränderbar ist.
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Bezugszeichenliste
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| Beleuchtungssystem |
1 |
| Gehäuse |
2 |
| Scheinwerfer |
3 |
| TIR-Linse |
4 |
| Aufnahme |
6 |
| Hohlzylindrischer Gehäuseabschnitt |
8 |
| Auskoppelseite |
10 |
| Auskoppelfläche |
12, 14 |
| optische Hauptachse |
16 |
| Facetten |
18 |
| kegelstumpfförmigen Abschnitt |
20 |
| Halteelement |
22 |
| reflektierende Innenseite |
24 |
| kreiszylindrischer Abschnitt |
26, 28 |
| sacklochartige Aussparung |
30 |
| Einkoppelfläche |
32, 34 |
| Lichtpfad |
36, 38 |
| Auskoppelseite |
56, 58 |
| Facettierung |
60 |
| Auskoppelfläche |
62, 64 |
| Auskoppelfläche |
66, 68 |
| Rand |
70 |
| Facettierung |
72 |
| Beleuchtungssystem |
74, 75 |
| TIR-Linse |
76, 78 |
| Rand |
80 |
| Auskoppelfläche |
82, 84 |
