DE102018208494A1 - Lichtleiter mit homogen ausgeleuchteter Auskoppelfläche - Google Patents
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Abstract
Bei einem Lichtleiter (1) mit rechteckigem Querschnitt, aufweisend einen sich in Längsrichtung (2) des Lichtleiters (1) erstreckenden Eingangsabschnitt (3), einen sich in Querrichtung (4) des Lichtleiters (1) erstreckenden Ausgangsabschnitt (5) und einen dazwischenliegenden Umlenkabschnitt (6), der sich in Längsrichtung (2) an den Eingangsabschnitt (3) anschließt und an den sich der Ausgangsabschnitt (5) in Querrichtung (4) anschließt, wobei die dem Ausgangsabschnitt (5) gegenüberliegende Seite des Umlenkabschnitts (6) als ein Umlenkbereich (7) ausgebildet ist, der Licht (8), welches im Eingangsabschnitt (3) in Längsrichtung (2) geführt ist, in den Ausgangsabschnitt (5) umlenkt, ist erfindungsgemäß der Umlenkbereich (7) treppenförmig mit konvex nach innen gerichteten, abgerundeten Stufenübergängen (10) ausgebildet.
Description
- Die Erfindung betrifft einen Lichtleiter mit vorzugsweise rechteckigem Querschnitt, aufweisend einen sich in Längsrichtung des Lichtleiters erstreckenden Eingangsabschnitt, einen sich in Querrichtung des Lichtleiters erstreckenden Ausgangsabschnitt und einen dazwischenliegenden Umlenkabschnitt, der sich in Längsrichtung an den Eingangsabschnitt anschließt und an den sich der Ausgangsabschnitt in Querrichtung anschließt, wobei die dem Ausgangsabschnitt gegenüberliegende Seite des Umlenkabschnitts als ein Umlenkbereich ausgebildet ist, der Licht, welches im Eingangsabschnitt in Längsrichtung geführt ist, in den Ausgangsabschnitt umlenkt.
- Derartige Lichtleiter mit einem Umlenkabschnitt zum Umlenken von Licht aus einem Eingangsabschnitt in einen Ausgangsabschnitt sind hinlänglich bekannt. Der Umlenkabschnitt kann beispielsweise als Schrägfläche ausgebildet sind.
- In Fahrzeugen kommen im Innenraum vermehrt Lichtanwendungen zum Einsatz, deren homogener Lichtaustritt für die Fahrzeuginsassen von hohem optischem Erkennungsgrad ist. Die Lichtanwendungen können z.B. bei Luftaustrittsdüsen, Schaltern und Tastern zum Einsatz kommen und sind naturgemäß davon geprägt, dass die Lichtzufuhr mittels äusserst filigraner Kunststoff-Lichtleitern erfolgt. Die engen Platzverhältnisse, aber auch die häufige Kombination aus beweglichen und statischen Komponenten (z.B. Beleuchtung von Zeigern auf Zifferblätter) führen dazu, dass häufig ein inhomogenes Lichterlebnis beim Insassen erzeugt wird. Aufgrund der naturgemäß unterschiedlichen Positionen der Betrachter ist eine homogene Lichtverteilung bei möglichst großem Betrachtungswinkel anzustreben. Heutige Lichtsysteme erzeugen hingegen einen Lichtaustritt, der üblicherweise nur innerhalb eines engen Betrachtungswinkels zu einem homogenen Lichterlebnis führt.
- Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Lichtleiter der eingangs genannten Art eine annähernd gleichmäße Leuchtdichte an einer Auskoppelfläche des Lichtleiters zu erzielen.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Umlenkbereich treppenförmig mit abgerundeten Stufenübergängen ausgebildet ist.
- Erfindungsgemäß sind im Lichtleiter an geeigneten Stellen Treppenstufen angebracht, um auftreffende Strahlen in gerichteter Weise umzulenken. Die Stufenübergänge wiederum sind dahingehend abgerundet, dass an den abgerundeten Stufenübergängen umgelenkte Lichtstrahlen zu einem optimalen Ausleuchtergebnis am Lichtaustritt aus dem Lichtleiter führen.
- Vorzugsweise sind die abgerundeten Stufenübergänge von einer Treppenstufe zur nächsten Treppenstufe, gesehen im Längsschnitt, jeweils als ein Teilkreis ausgebildet, dessen Radius größer als die Stufenhöhe zwischen den beiden Treppenstufen ist. Dabei können sich die Teilkreise bezogen auf ihren Kreismittelpunkt zwischen ca. 45° und ca. 55° zur Längsrichtung erstrecken.
- Bevorzugt nehmen mit zunehmendem Abstand der abgerundeten Stufenübergänge vom Eingangsabschnitt auch die Radien der abgerundeten Stufenübergänge zu, so dass die Radien der eingangsabschnittnahen abgerundeten Stufenübergänge kleiner als die Radien der eingangsabschnittfernen abgerundeten Stufenübergänge sind. Auch die Stufenhöhen können variieren, wobei vorteilhaft die Stufenhöhe zwischen eingangsabschnittnäheren Treppenstufen kleiner als die Stufenhöhe zwischen eingangsabschnittferneren Treppenstufen ist.
- Besonders bevorzugt betragen die Radien der abgerundeten Stufenübergänge zwischen ca. 1,2 und ca. 2,4 mm, die Stufenhöhe zwischen zwei benachbarten Treppenstufen zwischen ca. 0,8 mm und ca. 1,3 mm, und sind die Treppenstufen in Längsrichtung zwischen ca. 1,3 mm und ca. 1,7 mm lang.
- Häufig bzw. bauraumbedingt müssen bereits im Lichtleiter eingespeiste Lichtstrahlen um 90° umgeleitet werden. In diesem Fall kann dem Eingangsabschnitt ein Winkelabschnitt vorgeordnet sein, der einen sich in Querrichtung erstreckenden Eingangsarm, einen sich in Längsrichtung erstreckenden Ausgangsarm, an den sich der Eingangsabschnitt in Längsrichtung anschließt, und dazwischen einen sich schräg zur Längsrichtung erstreckenden Mittelarm aufweist. Vorteilhaft weist der Eingangsarm stirnseitig eine als Linse ausgebildete Lichteintrittsfläche auf. Besonders bevorzugt sind die Linsenkrümmung der Lichteintrittsfläche, die Länge des Eingangsarms sowie die Länge und der Winkel des schrägen Mittelarms derart gewählt, dass die Lichtstrahlen in dem Ausgangsarm parallel oder nahezu parallel zur Längsrichtung geführt werden.
- Vorzugsweise ist der Lichtleiter bis auf den Bereich einer stirnseitigen Auskoppelfläche des Ausgangsabschnitts aus einem transparenten Kunststoff mit einem für sichtbares Licht hohen Transmissionsgrad, insbesondere aus PMMA, und im Bereich der Auskoppelfläche aus einem für sichtbares Licht strahlstreuenden Diffusor- bzw. Kunststoffmaterial, insbesondere aus dotiertem Polycarbonat, gebildet.
- Das Diffusormaterial bewirkt eine deutliche Aufteilung im Fernfeld, die nochmals zu einer sichtbaren Verbesserung der Gleichmässigkeit der Ausleuchtung an der Auskoppelfläche des Lichtleiters führt.
- Besonders bevorzugt sind die abgerundeten Stufenübergänge in Längsrichtung derart voneinander beabstandet, dass sich die an den abgerundeten Stufenübergängen umgelenkten und dabei aufgeweiteten, einzelnen Strahlenbündel einander in Längsrichtung überlagern und zu einer gleichmäßigen Helligkeitsverteilung an der Auskoppelfläche führen.
- Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch eine Uhr, insbesondere in Form eines Lüftungsgitters, mit zwölf radialen Gitterstreben, die jeweils durch eine radial innere Teilstrebe und/oder eine radial äußere Teilstrebe gebildet sind, wobei jede Strebe durch den Ausgangsabschnitt eines wie oben ausgebildeten Lichtleiters gebildet ist und wobei jedem Lichtleiter eine ansteuerbare Lichtquelle vorgeordnet ist, deren Licht in den Eingangsabschnitt, insbesondere über die Lichteintrittsfläche des Winkelabschnitts, eingekoppelt wird. Durch entsprechende zeitliche Ansteuerung der Lichtquellen können die radial inneren Teilstreben als Stundenzeiger und die radial äußeren Teilstreben als Minutenzeiger einer Uhr genutzt werden.
- Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
- Es zeigen:
-
1 einen Längsschnitt des erfindungsgemäßen Lichtleiters; -
2 einen Ausschnitt des Lichtleiters gemäßII in1 ; -
3 schematisch den Strahlenverlauf von Licht, das von einem Eingangsabschnitt bis zu einem Ausgangsabschnitt des erfindungsgemäßen Lichtleiters geführt ist; -
4 einen Ausschnitt des Lichtleiters gemäßIV in1 ; -
5 eine Frontansicht eines runden Lüftungsgitters mit radialen Lüftungsstreben; und -
6 einen Längsschnitt einer der in5 gezeigten Lüftungsstreben. - Der in
1 gezeigte Lichtleiter1 hat einen rechteckigen Querschnitt und umfasst einen sich in Längsrichtung2 des Lichtleiters1 erstreckenden Eingangsabschnitt3 , einen sich in Querrichtung4 (also rechtwinklig zur Längsrichtung2 ) des Lichtleiters1 - in1 nach oben - erstreckenden Ausgangsabschnitt5 und dazwischen einen Umlenkabschnitt6 , der sich in Längsrichtung2 an den Eingangsabschnitt3 anschließt und an den sich der Ausgangsabschnitt5 in Querrichtung4 oben anschließt. Die dem Ausgangsabschnitt5 gegenüberliegende Unterseite des Umlenkabschnitts6 ist innenseitig als ein Umlenkbereich7 ausgebildet, der Licht8 (3 ), welches im Eingangsabschnitt3 in Längsrichtung2 geführt ist, in den Ausgangsabschnitt5 umlenkt. Aus dem Ausgangsabschnitt5 tritt das Licht dann über eine stirnseitige Auskoppelfläche9 aus. - Wie in
2 gezeigt, ist der Umlenkbereich7 treppenförmig mit konvex nach innen gerichteten, abgerundeten Stufenübergängen10 zwischen den einzelnen Treppenstufen11 ausgebildet. Dabei sind die Krümmungen der abgerundeten Stufenübergänge10 und die Stufenhöhen h derart gewählt, dass möglichst viel des im Eingangsabschnitt3 in Längsrichtung2 geführten Lichts8 an den abgerundeten Stufenübergängen10 zwischen ca. 80° und ca. 110° in den Ausgangsabschnitt5 umgelenkt wird. Wie im Ausführungsbeispiel gezeigt, können die abgerundeten Stufenübergänge10 von einer Treppenstufe11a zur nächsthöheren Treppenstufe11b , gesehen im Längsschnitt, jeweils als ein Teilkreis12 ausgebildet sein, dessen Radius R größer als die Stufenhöhe h zwischen den beiden Treppenstufen11a ,11b ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel betragen die Radien R zwischen ca. 1,2 und ca. 2,4 mm und die Stufenhöhe h zwischen ca. 0,8 mm und ca. 1,3 mm. Die Treppenstufen11 sind in Längsrichtung2 zwischen ca. 1,3 mm und ca. 1,7 mm lang. Die Teilkreise12 erstrecken sich - jeweils bezogen auf ihren außerhalb bzw. unterhalb des Eingangsabschnitts3 liegenden Kreismittelpunkt M - zwischen einem Startwinkelα1 von ca. 45° und einem Endwinkel α2 von ca. 55° zur Längsrichtung2 . Mit zunehmendem Längsabstand der abgerundeten Stufenübergänge10 vom Eingangsabschnitt3 nehmen auch die Radien R der abgerundeten Stufenübergänge10 zu, d.h., die Radien R der eingangsabschnittnäheren abgerundeten Stufenübergänge10 sind kleiner als die Radien R der eingangsabschnittferneren abgerundeten Stufenübergänge10 . Außerdem ist die Stufenhöhe h zwischen zwei eingangsabschnittnäheren Treppenstufen11 kleiner als die Stufenhöhe h zwischen zwei eingangsabschnittferneren Treppenstufen11 . -
3 zeigt den Strahlverlauf des Lichts8 in den Abschnitten3 ,5 ,6 des Lichtleiters1 . Die abgerundeten Stufenübergänge10 sind in Längsrichtung2 derart voneinander beabstandet, dass sich die an den abgerundeten Stufenübergängen10 umgelenkten und dabei aufgeweiteten, einzelnen Strahlenbündel13 einander in Längsrichtung2 überlagern und an der Auskoppelfläche9 zu einer gleichmäßigen bzw. homogenen Leistungsverteilung führen. Durch die Kombination aus Stufenhöhen h, Radiengrößen, -anzahl und -positionierung sowie Start- und Endwinkel kann eine annähernd gleichmäße Leuchtdichte der auszuleuchtenden Auskoppelfläche9 generiert werden. Die abgerundeten Stufenübergängen10 mit ihren Radien R dienen also zur Strahlumlenkung, Strahlaufweitung und zur internen Strahlüberlagerung des Lichts8 . - Dem Eingangsabschnitt
3 kann optional ein 90°-Winkelabschnitt14 vorgeordnet sein, um das dem Eingangsabschnitt3 zugeführte Licht8 zuvor um 90° umzuleiten. Wie in4 gezeigt, weist der Winkelabschnitt14 einen sich in Querrichtung4 erstreckenden Eingangsarm15 , einen sich in Längsrichtung2 erstreckenden Ausgangsarm16 , an den sich der Eingangsabschnitt3 in Längsrichtung2 anschließt, und dazwischen einen sich schräg zur Längsrichtung2 erstreckenden Mittelarm17 auf, um Licht8 , welches in dem Eingangsarm15 in der Querrichtung4 geführt ist, in Licht8 , welches im Ausgangsarm16 in der Längsrichtung2 geführt ist, umzulenken. Der schräge Mittelarm17 erstreckt unter einem Winkel β von ca. 45° bis 55° zur Querrichtung4 . Der Eingangsarm15 weist stirnseitig eine als Sammellinse ausgebildete, sphärische bzw. konvexe Lichteintrittsfläche18 auf, über die das Licht8 einer Punktlichtquelle (z.B. LED) 19 mit nahezu paralleler Ausbreitung in den Eingangsarm15 eingekoppelt wird. Die Linsenkrümmung der Lichteintrittsfläche18 , die Länge L1 des Eingangsarms15 sowie die Länge L2 und der Winkel ß des schrägen Mittelarms17 sind derart gewählt, dass das an dem schrägen Mittelarm17 umgelenkte Licht8 in dem Ausgangsarm16 parallel zur Längsrichtung2 verläuft und in der Querrichtung4 möglichst gleichmäßig verteilt ist. Vorzugsweise sind die Lichtstrahlen in dem Ausgangsarm16 parallel oder nahezu parallel zur Längsrichtung2 geführt. Das im Ausgangsarm16 geführte parallele Licht8 wird dann im Eingangsabschnitt3 weitergeführt. Versuche haben gezeigt, dass je höher die Linsenkrümmung bei einem Winkel β von ca. 45° bis 55° ist, desto höher die relative Umlenkleistung ist und dass je kürzer die Länge L1 des Eingangsarms15 ist, desto höher die relative Umlenkleistung ist. - Der Lichtleiter
1 ist bis auf den Bereich der Auskoppelfläche9 aus einem transparenten Kunststoff (z.B. PMMA) mit einem für sichtbares Licht hohen Transmissionsgrad und im Bereich der Auskoppelfläche9 aus einem für sichtbares Licht strahlstreuenden Diffusormaterial, insbesondere aus dotiertem Polycarbonat, wie z.B. Alcom Albis WT1220 , gebildet. Das dotierte Polycarbonat enthält neben dem eigentlichen Polycarbonat Additive bzw. strahlstreuende, eingeschlossene Partikel, die das Polycarbonat trüb erscheinen lassen und der Strahlaufweitung bzw. Homogenisierung dienen. Das Diffusormaterial bewirkt eine deutliche Aufteilung im Fernfeld, die zu einer sichtbaren Verbesserung der Gleichmässigkeit der Ausleuchtung an der Auskoppelfläche9 führt, allerdings auf Kosten eines Strahlen- bzw. Lichtverlust. -
5 zeigt eine im Innenraum eines Fahrzeugs angeordnete Luftaustrittsdüse20 mit zwölf radialen Gitterstreben21 , die jeweils durch eine radial innere Teilstrebe21a und eine radial äußere Teilstrebe21b gebildet sind. Wie in6 gezeigt, sind die beiden Teilstreben21a ,21b einer Gitterstrebe21 durch die Auskoppelflächen9 zweier Lichtleiter1 ausgebildet. Jedem Lichtleiter1 ist eine ansteuerbare Lichtquelle19 , z.B. in Form einer LED, vorgeordnet, deren Licht über die linsenförmige Lichteintrittsfläche18 in den Lichtleiter1 eingekoppelt und über die Auskoppelflächen9 ausgekoppelt wird. Durch entsprechende zeitliche Ansteuerung der Lichtquellen19 können die zwölf radial inneren Teilstreben21a als Stundenzeiger und die zwölf radial äußeren Teilstreben21b als Minutenzeiger einer Uhr genutzt werden.
Claims (16)
- Lichtleiter (1) mit vorzugsweise rechteckigem Querschnitt, aufweisend einen sich in Längsrichtung (2) des Lichtleiters (1) erstreckenden Eingangsabschnitt (3), einen sich in Querrichtung (4) des Lichtleiters (1) erstreckenden Ausgangsabschnitt (5) und einen dazwischenliegenden Umlenkabschnitt (6), der sich in Längsrichtung (2) an den Eingangsabschnitt (3) anschließt und an den sich der Ausgangsabschnitt (5) in Querrichtung (4) anschließt, wobei die dem Ausgangsabschnitt (5) gegenüberliegende Seite des Umlenkabschnitts (6) als ein Umlenkbereich (7) ausgebildet ist, der Licht (8), welches im Eingangsabschnitt (3) in Längsrichtung (2) geführt ist, in den Ausgangsabschnitt (5) umlenkt, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkbereich (7) treppenförmig mit konvex nach innen gerichteten, abgerundeten Stufenübergängen (10) ausgebildet ist.
- Lichtleiter nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die abgerundeten Stufenübergänge (10) von einer Treppenstufe (11a) zur nächsten Treppenstufe (11b), gesehen im Längsschnitt, jeweils als ein Teilkreis (12) ausgebildet sind, dessen Radius (R) größer als die Stufenhöhe (h) zwischen den beiden Treppenstufen (11a, 11b) ist. - Lichtleiter nach
Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass sich die Teilkreise (12) bezogen auf ihren Kreismittelpunkt (M) zwischen einem Startwinkel (α1) von ca. 45° und einem Endwinkel (α2) von ca. 55° zur Längsrichtung (2) erstrecken. - Lichtleiter nach
Anspruch 2 oder3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Radien (R) der abgerundeten Stufenübergänge (10) zwischen ca. 1,2 mm und ca. 2,4 mm betragen. - Lichtleiter nach einem der
Ansprüche 2 bis4 , dadurch gekennzeichnet, dass mit zunehmendem Abstand der abgerundeten Stufenübergänge (10) vom Eingangsabschnitt (3) auch die Radien (R) der abgerundeten Stufenübergänge (10) zunehmen. - Lichtleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufenhöhe (h) zwischen zwei benachbarten Treppenstufen (11a, 11b) zwischen ca. 0,8 mm und ca. 1,3 mm beträgt.
- Lichtleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufenhöhe (h) zwischen eingangsabschnittnäheren Treppenstufen (11) kleiner als die Stufenhöhe (h) zwischen eingangsabschnittferneren Treppenstufen (11) ist.
- Lichtleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Treppenstufen (11) in Längsrichtung (2) zwischen ca. 1,3 mm und ca. 1,7 mm lang sind.
- Lichtleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Eingangsabschnitt (3) ein Winkelabschnitt (14) vorgeordnet ist, der einen sich in Querrichtung (4) erstreckenden Eingangsarm (15), einen sich in Längsrichtung (2) erstreckenden Ausgangsarm (16), an den sich der Eingangsabschnitt (3) in Längsrichtung (2) anschließt, und dazwischen einen sich schräg zur Längsrichtung (2) erstreckenden Mittelarm (17) aufweist, um Licht (8), welches in dem Eingangsarm (15) in der Querrichtung (4) geführt ist, in Licht (8), welches im Ausgangsarm (16) in der Längsrichtung (2) geführt ist, umzulenken.
- Lichtleiter nach
Anspruch 9 , dadurch gekennzeichnet, dass sich der schräge Mittelarm (17) unter einem Winkel (ß) von ca. 45° bis 55° zur Querrichtung (4) erstreckt. - Lichtleiter nach
Anspruch 9 oder10 , dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangsarm (15) stirnseitig eine als Linse ausgebildete Lichteintrittsfläche (18) aufweist. - Lichtleiter nach
Anspruch 10 und11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenkrümmung der Lichteintrittsfläche (18), die Länge (L1) des Eingangsarms (15) sowie die Länge (L2) und der Winkel (ß) des schrägen Mittelarms (17) derart gewählt sind, dass die Lichtstrahlen in dem Ausgangsarm (16) parallel oder nahezu parallel zur Längsrichtung (2)geführt sind. - Lichtleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsabschnitt (5) stirnseitig eine ebene Auskoppelfläche (9) aufweist.
- Lichtleiter nach
Anspruch 13 , dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter (1) bis auf den Bereich der Auskoppelfläche (9) aus einem transparenten Kunststoff mit einem für sichtbares Licht hohen Transmissionsgrad, insbesondere aus PMMA, und im Bereich der Auskoppelfläche (9) aus einem für sichtbares Licht strahlstreuenden Diffusormaterial, insbesondere aus dotiertem Polycarbonat, gebildet ist. - Lichtleiter nach
Anspruch 13 oder14 , dadurch gekennzeichnet, dass die abgerundeten Stufenübergänge (10) in Längsrichtung (2) derart voneinander beabstandet sind, dass sich die an den abgerundeten Stufenübergängen (10) umgelenkten und dabei aufgeweiteten, einzelnen Strahlenbündel (13) einander in Längsrichtung (2) überlagern und insbesondere zu einer gleichmäßigen Helligkeitsverteilung an der Auskoppelfläche (9) führen. - Uhr, insbesondere in Form eines Lüftungsgitters (20), mit zwölf radialen Gitterstreben (21), die jeweils durch eine radial innere Teilstrebe (21a) und/oder eine radial äußere Teilstrebe (21b) gebildet sind, wobei jede Teilstrebe (21a, 21b) durch den Ausgangsabschnitt (5) eines Lichtleiters (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche gebildet ist und wobei jedem Lichtleiter (1) eine ansteuerbare Lichtquelle (19) vorgeordnet ist, deren Licht (8) in den Eingangsabschnitt (3), insbesondere über die Lichteintrittsfläche (18) des Winkelabschnitts (14), eingekoppelt wird.
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