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Gegenstand der Erfindung ist ein Modul zur Formung eines Lichtbündels, insbesondere in einer Außenbeleuchtungsanlage eines Fahrzeugs. Die Erfindung kann als Modul einer Frontbeleuchtungsanlage, einer Heckbeleuchtungsanlage sowie als Signalleuchten in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden.
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Es sind Lösungen von Modulen zur Formung eines Lichtbündels in Beleuchtungsanlagen von Kraftfahrzeugen bekannt, bei denen durch entsprechende Formung sowie durch gelenkte Ausbreitung des Lichts gewünschte Parameter für die Ausgangsbeleuchtung für eine gegebene Anwendung erhalten werden. Ein bekannter Effekt, der in solchen Modulen genutzt wird, ist das Phänomen der internen Totalreflexion, bei dem die Tatsache genutzt wird, dass Licht, welches von der Seite eines Mediums mit höherem Brechungsindex in einem Winkel größer als der Grenzwinkel auf die Grenze zwischen den Medien fällt, nicht in das zweite Medium übergeht, sondern einer Totalreflexion innerhalb des ersten Mediums unterliegt.
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Ein Beispiel für eine solche Lösung ist aus dem Dokument
KR20100027805A bekannt, in welchem ein Modul einer Fahrzeugbeleuchtung in Form eines monolithischen Blocks offenbart wurde, der eine Verbesserung der Homogenität und der Helligkeit des Lichts ermöglicht. Die von einer Lichtquelle in das Modul eingeleiteten Strahlen unterliegen einer internen Totalreflexion an dessen beiden Grenzflächen, die parallel zueinander sowie unter einem Winkel in Bezug auf die Lichtquelle angeordnet sind.
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Ähnlich offenbart das Dokument
CN110715257A ein Modul, welches Licht in einer Außenbeleuchtungsanlage eines Fahrzeugs führt, die Folgendes umfasst: einen Lichtempfangsbereich und anschließend nacheinander und entlang der Ausbreitungsrichtung des Lichts im Modul einen ersten, einen zweiten und einen dritten Ausbreitungsbereich. Der Lichtempfangsbereich ist so geformt, dass der in das Modul eintretende divergente Lichtstrahl als kollimierter Strahl innerhalb des Moduls geführt wird. Der erste Ausbreitungsbereich besitzt eine erste reflektierende Oberfläche. Der zweite Ausbreitungsbereich ist dem ersten Ausbreitungsbereich entlang des Ausbreitungsweges des Lichts zugeordnet und umfasst einen ersten lichtdurchlässigen Formbereich und eine zweite reflektierende Fläche. Der auf den zweiten Ausbreitungsbereich folgende dritte Ausbreitungsbereich ist mit einem zweiten lichtdurchlässigen Formbereich versehen, der die Austrittsfläche für das Licht aus dem Modul darstellt.
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Bezogen auf die Scheinwerfer und Leuchten von Kfz-Beleuchtungsanlagen zeigen die Kunden zunehmendes Interesse an Lösungen, die einen sogenannten „crystal look“ aufweisen, d. h. eine glatte und unstrukturierte Oberfläche am Ausgang des Beleuchtungsmoduls, die eine homogene Außenbeleuchtung ermöglicht. Zu diesem Zweck bieten Hersteller Systeme an, bei denen im Bereich der Austrittsfläche des Moduls ein zusätzlicher optischer Filter angeordnet wird. Die Hinzufügung eines weiteren Elements zur Anlage verkompliziert Konstruktion und Montage und verursacht Probleme bei der Führung und bei der Einhaltung der Parameter des Lichtbündels, insbesondere wenn zwischen einem Modul mit einer stufenförmigen Struktur und einem Außenfilter Platz gespart werden muss.
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In Anbetracht des Vorstehenden besteht das Ziel der vorliegenden Erfindung darin, eine neue Lösung für ein Modul zur Formung eines Lichtbündels zu entwickeln, die es ermöglicht, einen Kristall-Effekt für das Element der Außenbeleuchtung sowie ein homogenes Lichtbündel zu erhalten, das nicht durch Blendung und Innenschatten gestört ist, wobei auch die Kontrolle der Richtung der Lichtausbreitung zu gewährleisten ist, um die gesetzlichen Bedingungen im Zusammenhang mit der Beleuchtungsfunktion, mit welcher das Modul genutzt wird, zu erfüllen. Gleichzeitig ist es ebenfalls ein Ziel der Erfindung, eine einfach zu montierende Konstruktion vorzuschlagen, die ohne zusätzliche Montageelemente auf der für den Nutzer zugänglichen Austrittsseite des Moduls auskommt.
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In Übereinstimmung mit der Erfindung ist das Modul zur Formung eines Lichtbündels, insbesondere in einer Außenbeleuchtungsanlage eines Fahrzeugs, in Form eines monolithischen Blocks aus einer Vielzahl von nebeneinanderliegenden Querschnittssegmenten gebildet, von denen jedes eine der Lichtquelle zugewandte Eintrittsfläche, eine Austrittsfläche und eine erste Fläche mit interner Totalreflexion sowie mindestens eine weitere Fläche mit interner Totalreflexion aufweist. Das Modul zur Formung eines Lichtbündels ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fläche mit interner Totalreflexion hinter der Eintrittsfläche angeordnet ist und dass mindestens eine weitere Fläche mit interner Totalreflexion eine darauf ausgebildete geformte optische Struktur aufweist.
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Vorzugweise ist die erste Fläche mit interner Totalreflexion parabolisch geformt.
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Ebenfalls bevorzugt ist die erste Fläche mit interner Totalreflexion als ebene Fläche ausgebildet.
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Vorzugsweise sind eine erste Fläche mit interner Totalreflexion und eine zweite Fläche mit interner Totalreflexion vorhanden, wobei die zweite Fläche mit interner Totalreflexion die Basis für das Modul zur Formung des Lichtbündels bildet und eine geformte optische Struktur aufweist.
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Des Weiteren bevorzugt ist die Austrittsfläche gegenüber der zweiten Fläche mit interner Totalreflexion in einem Winkel im Intervall von 50° - 75° geneigt.
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Ebenfalls bevorzugt sind eine erste Fläche mit interner Totalreflexion, eine zweite Fläche mit interner Totalreflexion und eine dritte Fläche mit interner Totalreflexion vorhanden, wobei die zweite Fläche mit interner Totalreflexion die Basis für das Modul zur Formung des Lichtbündels bildet und die dritte Fläche mit interner Totalreflexion gegenüber der zweiten Fläche mit interner Totalreflexion angeordnet ist.
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Vorzugsweise ist die zweite Fläche mit interner Totalreflexion mit einer geformten optischen Struktur ausgestattet.
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Ebenfalls bevorzugt ist die dritte Fläche mit interner Totalreflexion mit einer geformten optischen Struktur ausgestattet.
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Es wird auch bevorzugt, dass die zweite Fläche mit interner Totalreflexion und die dritte Fläche mit interner Totalreflexion mit einer geformten optischen Struktur ausgestattet sind.
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Vorzugsweise ist die Austrittsfläche gegenüber der zweiten Fläche mit interner Totalreflexion in einem Winkel im Intervall von 105° - 130° geneigt.
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Darüber hinaus ist die Eintrittsfläche vorzugsweise gegenüber der zweiten Fläche mit interner Totalreflexion in einem Winkel im Intervall von 160° - 175° geneigt.
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Vorzugsweise wird die geformte optische Struktur durch eine Vielzahl von aneinandergrenzenden Formteilen gebildet.
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Vorzugsweise sind die Formteile als kugelförmige Elemente ausgebildet.
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Vorzugsweise sind die Formteile als Elemente mit einem rechteckigen Querschnitt ausgebildet.
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Vorzugsweise sind die Formteile als Elemente mit einem dreieckigen Querschnitt ausgebildet.
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Vorzugsweise sind die Formteile konvex geformte Elemente.
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Ebenfalls bevorzugt sind die Formteile konkav geformte Elemente.
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Zusätzlich wird bevorzugt, dass die geformte optische Struktur auf der ersten Fläche mit interner Totalreflexion ausgebildet ist.
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Das in Übereinstimmung mit der Erfindung vorgeschlagene Modul zur Formung eines Lichtbündels gewährleistet - aufgrund des Fehlens eines zusätzlichen Filters - eine einfache und kompakte Konstruktion bei gleichzeitiger klarer und starker Wirkung einer homogenen und kristallinen Ausleuchtung am Ausgang des Moduls. Die Anordnung einer geformten optischen Struktur auf mindestens einer der zweiten oder dritten Flächen mit interner Totalreflexion führt dazu, dass diese aus der Perspektive der Austrittsfläche völlig unsichtbar ist und visuell die Wirkung des aus dem Modul austretenden Lichts nicht beeinflusst. Das Modul kann erfolgreich in verschiedenen Fahrzeugmodellen eingesetzt und montiert werden - sowohl mit divergenten, als auch mit parallelen Lichtstrahlen von der Strahlungsquelle.
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Der Erfindungsgegenstand wurde in Ausführungsbeispielen und in Zeichnungen offenbart, wobei 1 ein einzelnes Segment des Querschnitts eines Moduls zur Formung eines Lichtbündels entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt, 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Moduls zur Formung eines Lichtbündels in Übereinstimmung mit der Erfindung, 3 zeigt einen Segmentquerschnitt gemäß 1, 4 zeigt ein alternatives Beispiel für die Ausführung der ersten Fläche mit interner Totalreflexion, 5 zeigt ein weiteres Beispiel für die Ausführung der ersten Fläche mit interner Totalreflexion sowie die Eintrittsfläche, die mit einem optischen Kollimationssystem ausgestattet ist, 6 zeigt ein weiteres mögliches Beispiel für die Ausführung einer ersten Fläche mit interner Totalreflexion, 7 zeigt einen Querschnitt durch ein Segment gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, 8 zeigt einen Querschnitt durch ein Segment gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel, 9 zeigt eine Anordnung zur Strahlenreflexion von einer geformten optischen Struktur, die als konkave Struktur ausgebildet ist, 10 zeigt eine Anordnung zur Strahlenreflexion von einer geformten optischen Struktur, die als konvexe Struktur ausgebildet ist, und 11 zeigt ein Beispiel für eine Ausführung einer ersten Fläche mit interner Totalreflexion, die mit einer geformten optischen Struktur ausgestattet ist.
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Für sämtliche Figuren in der Abbildung wird ein konstantes dreidimensionales Bezugssystem mit X-, Y- und Z-Achse verwendet, wobei die Richtung entlang der X-Achse als Ausbreitungsrichtung des Lichts angenommen wird.
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Gemäß 1 umfasst ein einzelnes Segment eines lichtformenden Moduls eine auf einer Halteplatte 15 befestigte seitlich gerichtete Lichtquelle 16, eine Eintrittsfläche 13, eine Austrittsfläche 14, eine erste Fläche mit interner Totalreflexion 12, eine zweite Fläche mit interner Totalreflexion 11 sowie eine obere Fläche 17. Für einen Fachmann auf dem Gebiet dürfte es klar sein, dass das in 1 dargestellte Segment nur ein Fragment eines monolithischen Blocks eines Moduls zur Formung eines Lichtbündels ist, der sich gemäß der Erfindung aus vielen nebeneinanderliegenden Segmenten zusammensetzt. Das einzelne Segment wurde zwecks Klarheit der Darstellung des Ausführungsbeispiels getrennt gezeigt. Das monolithische Modul zur Formung eines Lichtbündels gemäß der Erfindung ist in 2 dargestellt, wobei ebenfalls die Halteplatte 15 dargestellt ist, die sich längs der gesamten Breite der Lichteintrittsfläche 13 (gemessen in Bezug auf die Y-Achse) erstreckt. Die Halteplatte 15 ist mit einer Vielzahl von Lichtquellen 16 ausgestattet - separat für jedes Segment. Ein einzelner Querschnitt, der ein Segment des Moduls zur Formung des Lichtbündels bildet, ist anschließend in 3 dargestellt.
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Gemäß dem vorgestellten Ausführungsbeispiel stellt die Eintrittsfläche 13 eine ebene Fläche dar, die in einem Winkel von 160° gegenüber der zweiten Fläche mit interner Totalreflexion 11 geneigt ist, welche die Basis des Moduls zur Formung des Lichtbündels bildet. Von der Eintrittsfläche 13 geht eine parabolisch geformte erste Fläche mit interner Totalreflexion 12 ab. Wie insbesondere in 2 gezeigt wird, setzt sich das Modul zur Formung des Lichtbündels gemäß dem Ausführungsbeispiel aus acht Segmenten mit einer parabolisch verlaufenden ersten Fläche mit interner Totalreflexion 12 zusammen. Gemäß dem oben Dargelegten ist die erste Fläche mit interner Totalreflexion 12 keine ebene Fläche, sondern besteht aus 8 Segmenten mit parabolischem Verlauf sowohl entlang der Y-Achse, als auch entlang der Z-Achse. Durch diese Formgebung der ersten Fläche mit interner Totalreflexion 12 wird das von der Lichtquelle 16 einfallende divergente Lichtbündel 33 aufgrund der internen Totalreflexion an der ersten Fläche mit interner Totalreflexion 12 in ein paralleles Lichtbündel 34 umgewandelt, das anschließend auf die zweite Fläche mit interner Totalreflexion 11 gerichtet wird.
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Die zweite Fläche mit interner Totalreflexion 11 bildet die Basis des Moduls zur Formung des Lichtbündels und besitzt eine darauf ausgebildete geformte optische Struktur, die für die Formung des Bündels vor dem Durchgang durch die Austrittsfläche 14 verantwortlich ist. Nach der Reflexion an der zweiten Fläche mit interner Totalreflexion 11, welche die geformte optische Struktur enthält, wird das Lichtbündel 35 auf die Austrittsfläche 14 gerichtet und durchläuft diese, wobei es gebrochen wird und einen divergenten Lichtstrahl 36 bildet - mit Parametern entsprechend den Anforderungen der vorliegenden Erfindung.
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Gemäß dem vorgestellten Ausführungsbeispiel ist die Austrittsfläche 14 gegenüber der zweiten Fläche mit interner Totalreflexion 11 um einen Winkel von 65° geneigt. Zusätzlich ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel die der ersten Fläche mit interner Totalreflexion 11 gegenüberliegende obere Fläche 17 eine ebene Fläche und ist - im betrachteten Fall - an der Ausbreitung des Lichts nicht beteiligt.
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Dank der Ausbildung einer geformten optischen Struktur auf der zweiten Fläche mit interner Totalreflexion 11 verbleibt diese in der Struktur des austretenden Lichts unsichtbar, d. h. im Lichtbündel 36 nach Verlassen der Lichtaustrittsfläche 14. Hiermit wird das angestrebte Ziel der Erfindung, das heißt die Erzielung eines durch den Nutzer wahrnehmbaren Effekts einer ästhetisch ansprechenden und glatten, d. h. reflexions- und schattenfreien Austrittsfläche 14 erreicht.
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Zusätzlich zur oben beschriebenen parabolischen Formgebung der ersten Fläche mit interner Totalreflexion 12, dank derer es möglich ist, ein divergierendes von der Lichtquelle 16 einfallendes Lichtbündel zu kollimieren, ist die vorliegende Erfindung auch für den Empfang von Licht mit parallelen Strahlen geeignet. Ausführungsbeispiele mit einer ebenen ersten Fläche mit interner Totalreflexion 121 sind in 4, 5 und 6 dargestellt. Gemäß 4 fällt das primär kollimierte Lichtbündel (die externe Kollimationsanordnung ist nicht dargestellt) auf die ebene erste Fläche mit interner Totalreflexion 121, von der aus sich die reflektierte Lichtstrahlung 123 weiter innerhalb des Moduls zur Formung des Lichtbündels ausbreitet. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem zusätzlich zur ebenen ersten Fläche mit interner Totalreflexion 121 die erste Eintrittsfläche 131 ein darin ausgebildetes kollimierendes optisches System aufweist, um das von der Lichtquelle 16 einfallende divergierende Lichtbündel zu kollimieren. Anschließend steht bei einem weiteren in 6 gezeigten Anwendungsbeispiel die ebene erste Fläche mit interner Totalreflexion 121 in keinem direkten Kontakt mit der Eintrittsfläche 13 - diese beiden Flächen sind durch eine zusätzliche Zwischenfläche getrennt. Ähnlich wie bei dem Beispiel von 4 fällt eine parallele Lichtstrahlung 122 auf die Eintrittsfläche 13, wobei die externe Anordnung zur Kollimation der Strahlung von der Lichtquelle 16 in diesem Fall in der Abbildung nicht dargestellt ist.
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In 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Moduls zur Formung eines Lichtbündels gezeigt, das eine Eintrittsfläche 13, eine parabolische erste Fläche mit interner Totalreflexion 12, eine zweite Fläche mit interner Totalreflexion 11 und eine dritte Fläche mit interner Totalreflexion 17 umfasst, wobei die zweite Fläche mit interner Totalreflexion 11 und die dritte Fläche mit interner Totalreflexion 17 einander gegenüberliegend angeordnet sind. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Austrittsfläche 14 gegenüber der zweiten Fläche mit interner Totalreflexion 11 in einem Winkel von 110° geneigt. Auch in diesem Fall besitzt die dritte Fläche mit interner Totalreflexion 17 eine darin geformte optische Struktur. Die geformte optische Struktur - gemäß dem vorgestellten Ausführungsbeispiel - wird in dem Teil gebildet, der am Prozess der Ausbreitung und Reflexion des Lichts beteiligt ist. Für einen Fachmann dürfte jedoch klar sein, dass die geformte optische Struktur auch auf der gesamten Fläche mit interner Totalreflexion ausgebildet sein kann.
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Im vorliegenden Fall ist der Verlauf der Strahlen des Eingangslichts 33 und des Lichts 34 nach der Reflexion an der ersten Fläche mit interner Totalreflexion 12 analog zu den in 1 - 3 vorgestellten Ausführungsbeispielen. Nach der Reflexion an der zweiten Fläche mit interner Totalreflexion 11 ist das Licht 34' auf die dritte Fläche mit interner Totalreflexion 17 gerichtet und breitet sich anschließend in Form der Lichtstrahlung 35 in Richtung der Austrittsfläche 14 aus, nach deren Durchgang das Austrittslicht 36 erhalten wird.
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Im Rahmen der Erfindung ist die Ausbildung einer geformten optischen Struktur sowohl auf der zweiten Fläche mit interner Totalreflexion 11 als auch auf der dritten Fläche mit interner Totalreflexion 7 möglich, was im Ausführungsbeispiel in 8 dargestellt ist. Gemäß dem vorgestellten Ausführungsbeispiel sind die Eintrittsfläche 13, die erste Fläche mit interner Totalreflexion 12 und die Austrittsfläche 14 in Übereinstimmung mit dem in 7 dargestellten Beispiel geformt. Einem Fachmann auf dem Gebiet der Erfindung wird auch die Tatsache klar sein, dass die geformte optische Struktur sowohl im gesamten Bereich jeweils der zweiten Fläche mit interner Totalreflexion 11 als auch der dritten Fläche mit interner Totalreflexion 17 ausgebildet sein kann, wie ebenso - was in 8 gezeigt ist - in dem Teil, der am Prozess der Ausbreitung und Reflexion des Lichts beteiligt ist.
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Hinsichtlich der Ausbildung der geformten optischen Struktur stellt diese eine standardmäßig angewandte Struktur zur Formung eines Lichtbündels dar, die in Lösungen von Systemen und Modulen der Außenbeleuchtung von Fahrzeugen eingesetzt wird. Diese Struktur wird durch eine Vielzahl von aneinandergrenzenden Formteilen gebildet. Die Formteile können kugelförmig ausgebildet sein - wie beispielhaft in 9 und 10 gezeigt wird. Zulässig sind ebenfalls - obwohl nicht auf einer Zeichnung dargestellt - standardmäßig ausgebildete Formteile mit einem rechteckigen, dreieckigen oder einem sonstigen geometrischen Querschnitt. Die geformte optische Struktur kann auch entweder als konkave Struktur oder als konvexe Struktur ausgebildet sein - der Strahlenverlauf vor der Reflexion 341, 342 und 343 sowie nach der Reflexion 351, 352 und 353 an der jeweiligen geformten optischen Struktur ist entsprechend in 9 und 10 dargestellt.
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Neben der Ausbildung einer geformten optischen Struktur gemäß der Erfindung auf mindestens einer der folgenden Flächen mit interner Totalreflexion, d. h. der ersten Fläche mit interner Totalreflexion 11 oder der dritten Fläche mit interner Totalreflexion 17, kann diese Struktur zusätzlich auf der ersten Fläche mit interner Totalreflexion 12 vorgesehen sein. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in 11 dargestellt, wonach die von der Lichtquelle 16 emittierten Eingangslichtstrahlen 331, 332, 333 und 334 an den Formteilen 612 der geformten optischen Struktur auf der ersten Fläche mit interner Totalreflexion 12 reflektiert werden, dank dessen eine zusätzliche Korrektur des Strahlenverlaufs 341, 342, 343 und 344 möglich ist.
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Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt - verschiedene Modifikationen und Weiterentwicklungen davon sind im Rahmen der beigefügten Patentansprüche möglich, ohne dass vom Wesen der Erfindung abgewichen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- KR 20100027805 A [0003]
- CN 110715257 A [0004]
