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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Scheinwerfer für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils des Scheinwerfers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 14.
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Bei als Scheinwerfern ausgebildeten Beleuchtungsvorrichtungen für ein Kraftfahrzeug können Kanten in der in den Außenraum des Fahrzeug projizierten Lichtverteilung vorgesehen sein. Dies können beispielsweise die Hell-Dunkel-Grenze einer Abblendlichtverteilung oder vertikale Kanten eines Matrix-Fernlichtes sein. Bei der Abbildung der Hell-Dunkel-Grenze (HDG) in den Außenraum des Kraftfahrzeugs muss der Gradient der Lichtintensität im Bereich der Hell-Dunkel-Grenze gemäß einer gesetzlichen Vorschrift, die unter dem Kürzel AK-31 bekannt ist, in einer vorgeschriebenen Größenordnung liegen. Das entspricht dem lokalen Aufweichen der Hell-Dunkel-Grenze der Abblendlichtverteilung bei einem Horizontalwinkel von -2,5°. Die technische Schwierigkeit liegt darin, dass die Hell-Dunkel-Grenze bei anderen Horizontalwinkeln nicht oder nur kaum merklich aufgeweicht werden darf. So dürfen insbesondere bei einem Horizontalwinkel von 0° Blendwerte nicht überschritten werden, um eine Beeinträchtigung des entgegenkommenden Verkehres zu vermeiden. Eine weitere widerstreitende technische Anforderung besteht darin, dass die Aktivwerte des Scheinwerfers wie zum Beispiel die Maximalintensität nur sehr geringfügig abgesenkt werden dürfen. Ein Aufweichen der Hell-Dunkel-Grenze geht jedoch gewöhnlich mit einer Verringerung dieser Werte einher.
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Ein Scheinwerfer der vorgenannten Art ist aus der
DE 10 2018 131 556 A1 bekannt. Bei dem darin beschriebenen Scheinwerfer ist eine Projektionslinse des Scheinwerfers mit einer Mikrostruktur zu versehen. Diese Mikrostruktur dient dazu, die Hell-Dunkel-Grenze lokal aufzuweichen. Strukturelemente dieser Mikrostruktur weisen jeweils eine Breite im Bereich von deutlich weniger als 100 µm auf. Die Umsetzung einer derartigen mikroskopischen Struktur in einem industriellen Serienprozess bringt Schwierigkeiten bezüglich des Abformens der mikroskopisch kleinen Strukturen mit sich, birgt Risiken bezüglich der Wiederholbarkeit und erhöht den Komplexitätsgrad der Serienfertigung. Des Weiteren stellt das Einbringen der Mikrostruktur einen zusätzlichen Prozessschritt dar.
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Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Schaffung eines Scheinwerfers der eingangs genannten Art, der sich einfacher und kostengünstiger herstellen lässt. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils des Scheinwerfers angegeben werden.
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Dies wird erfindungsgemäß durch einen Scheinwerfer der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 14 erreicht. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass die Strukturelemente der mindestens einen refraktiven Struktur eine Breite zwischen 0,5 mm und 1,0 mm aufweisen. Insbesondere kann dabei die Höhe der Strukturelemente zwischen 0,1 mm und 1,0 mm, vorzugsweise zwischen 0,3 mm und 0,7 mm, beispielsweise etwa 0,5 mm groß sein. Im Unterschied zum Stand der Technik handelt es sich bei der refraktiven Struktur somit nicht um eine mikroskopische, sondern um eine makroskopisch refraktive Struktur. Eine makroskopische Struktur lässt sich einfacher angeben, datentechnisch leichter an den Hersteller des Bauelementes weitergeben und ist insbesondere deutlich einfacher herstellbar. Aufgrund der gewählten mechanischen Abmessungen der Strukturelemente treten keine diffraktiven Effekte oder nur sehr kleine diffraktive Effekte an der refraktiven Struktur auf. Damit lässt sich die Wirkung des optischen Bauteiles strahlenoptisch vollständig bestimmen und vorhersagen. Auch Farbeffekte aufgrund wellenoptischer Erscheinungen, wie sie an sehr kleinen Strukturen auftreten können, sind zumindest reduziert oder sogar vollständig ausgeschlossen.
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Es kann vorgesehen sein, dass mindestens eines der Strukturelemente ringförmig oder teilringförmig ausgebildet ist, insbesondere dass mehrere, vorzugsweise sämtliche, der Strukturelemente der refraktiven Struktur ringförmig oder teilringförmig ausgebildet sind. Die Strukturelemente können somit wie eine Fresnellinse Teile des durch sie hindurchtretenden Lichts in eine gewünschte Richtung ablenken.
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Es besteht die Möglichkeit, dass die ringförmig oder teilringförmig ausgebildeten Strukturelemente koaxial oder konzentrisch zueinander angeordnet sind. Dabei kann vorgesehen sein, dass ein erstes der ringförmig oder teilringförmig ausgebildeten Strukturelemente einen kleineren Durchmesser als ein zweites der ringförmig oder teilringförmig ausgebildeten Strukturelemente aufweist.
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Es besteht die Möglichkeit, dass mindestens eines der Strukturelemente derart teilringförmig ausgebildet ist, dass es sich in Umfangsrichtung über weniger als 360° erstreckt, insbesondere nur über einen Sektor eines Kreises erstreckt. Dadurch wird nur ein kleinerer Teil des optischen Bauteils, auf dem die refraktive Struktur angeordnet ist, modifiziert, so dass das optische Bauteil seine eigentliche Funktion wirksamer erfüllen kann.
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Es kann vorgesehen sein, dass mindestens eines der optischen Bauteile als Linse, insbesondere als asphärische Linse, ausgebildet ist, wobei die refraktive Struktur in die Linse integriert ist.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass mindestens eines der optischen Bauteile als Linse mit einer Fresnelstruktur ausgebildet ist, wobei die refraktive Struktur in die Fresnelstruktur integriert ist. Dabei kann die Fresnelstruktur ringförmige Stufen umfassen, die jeweils eine Nutzflanke und eine Störflanke aufweisen, wobei die Nutzflanke derjenige Bereich der Stufe ist, der dazu eingerichtet ist, dass durch ihn Licht hindurchtritt, und wobei die Störflanke derjenige Bereich der Stufe ist, der nicht dazu eingerichtet, dass durch ihn Licht hindurchtritt, wobei die Nutzflanken der Fresnelstruktur mit einer Ebene, die senkrecht zur optischen Achse der Linse ist, einen Anstellwinkel einschließen, der beispielsweise eine Größe zwischen 0,1° und 5,0° aufweisen kann.
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Es besteht die Möglichkeit, dass die Integration der refraktiven Struktur in die Fresnelstruktur zu einer teilweisen Veränderung der Anstellwinkel der Nutzflanken der Fresnelstruktur führt, insbesondere wobei die Anstellwinkel der Störflanken der Fresnelstruktur durch die Integration der refraktiven Struktur in die Fresnelstruktur nicht verändert werden. Durch eine leichte Veränderung der Anstellwinkel einiger Nutzflanken kann die Diakaustik um Lichtstrahlen, die in einem Raumwinkelbereich um die Hell-Dunkel-Grenze durch das mit der Struktur versehene optisch Bauteil hindurchtreten, geeignet aufgeweitet werden, um die Hell-Dunkel-Grenze geeignet aufzuweichen.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Scheinwerfer eine Primäroptik und eine Sekundäroptik umfasst, insbesondere wobei die Primäroptik dazu eingerichtet ist, das von der mindestens einen Lichtquelle ausgehende Licht so zu formen, dass eine ausgedehnte Lichtverteilung erzeugt wird, und wobei die Sekundäroptik dazu eingerichtet ist, die von der Primäroptik erzeugte ausgedehnte Lichtverteilung in eine der Abblendlichtverteilung des Scheinwerfers entsprechende Lichtverteilung zu überführen. Dabei kann die Sekundäroptik eine Projektionslinse aufweisen.
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Es besteht die Möglichkeit, dass die refraktive Struktur auf der Projektionslinse der Sekundäroptik angeordnet ist. Dabei kann die refraktive Struktur in die Einkoppelseite oder die Auskoppelseite der Projektionslinse der Sekundäroptik integriert sein.
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Gemäß Anspruch 14 ist vorgesehen, dass das optische Bauteil durch Spritzgießen aus Kunststoff hergestellt wird, wobei die refraktive Struktur bei dem Spritzgießen mit erzeugt wird. Auf diese Weise entfallen zusätzliche Arbeitsschritte zur Einbringung der refraktiven Struktur in das optische Bauteil.
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Es kann vorgesehen sein, dass für das Spritzgießen Konstruktionsdaten des herzustellenden optischen Bauteils verwendet werden, die hinsichtlich der Form und der Anordnung der Strukturelemente der refraktiven Struktur in einem iterativen Verfahren generiert werden, insbesondere wobei in einem Iterationsschritt in den Konstruktionsdaten die Form und/oder die Anordnung mindestens eines der Strukturelemente verändert wird und wobei in einem darauffolgenden Iterationsschritt in einer Simulation ermittelt wird, ob ein gemäß diesen Konstruktionsdaten hergestelltes optisches Bauteil die gesetzlichen Vorgaben für die Abblendlichtverteilung, insbesondere im Bereich der Hell-Dunkel-Grenze, erfüllt. Dabei kann versucht werden, sowohl die Wirkung der refraktiven Struktur im zu betrachtenden Raumwinkelbereich als auch ihren geometrischen Anteil auf der Oberfläche des optischen Bauteils möglichst klein zu halten. Insbesondere führt dieses iterative Verfahren schließlich zu der Angabe einer Aufweichungsfunktion für die diskreten Anstellwinkel der Nutzflanken der refraktiven Struktur, die das Gewünschte leistet. Diese Aufweichungsfunktion kann als refraktive Struktur umgesetzt und in das optische Bauteil implementiert werden.
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Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt:
- 1 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Scheinwerfers mit beispielhaft eingezeichneten Lichtstrahlen;
- 2 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Projektionslinse des Scheinwerfers gemäß 1, wobei die Projektionslinse mit einer Fresnelstruktur versehen ist;
- 3 eine 2 entsprechende Ansicht der Projektionslinse gemäß 2, bei der die mit refraktiven Struktur versehenen Bereiche angedeutet sind;
- 4 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer Projektionslinse eines erfindungsgemäßen Scheinwerfers, wobei die Projektionslinse mit einer Fresnelstruktur versehen ist;
- 5a einen schematischen Schnitt durch einen Teil der Fresnelstruktur der Projektionslinse gemäß 2, in den keine refraktive Struktur zur Aufweichung der Hell-Dunkel-Grenze integriert ist;
- 5b einen schematischen Schnitt durch einen Teil der Fresnelstruktur der Projektionslinse gemäß 3, in den eine refraktive Struktur zur Aufweichung der Hell-Dunkel-Grenze integriert ist;
- 6 eine perspektivische Ansicht einer Projektionslinse eines Scheinwerfers gemäß dem Stand der Technik;
- 7 eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform einer Projektionslinse eines erfindungsgemäßen Scheinwerfers;
- 8a eine von einem Scheinwerfer erzeugte Lichtverteilung, der keine refraktive Struktur zur Aufweichung der Hell-Dunkel-Grenze aufweist;
- 8b eine Grafik, die die Veränderung der Lichtstärke der Lichtverteilung gemäß 8a in vertikaler Richtung im Bereich der Hell-Dunkel-Grenze verdeutlicht;
- 9a eine von dem Scheinwerfer gemäß 1 erzeugte Lichtverteilung;
- 9b eine Grafik, die die Veränderung der Lichtstärke der Lichtverteilung gemäß 9a in vertikaler Richtung im Bereich der Hell-Dunkel-Grenze verdeutlicht.
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In den Figuren sind gleiche und funktional gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Das in 1 abgebildete Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Scheinwerfers umfasst zwei lediglich schematisch dargestellte Lichtquellen 1, eine Primäroptik 2, die zwei miteinander verbundene optische Bauteile 3 aufweist, sowie eine Sekundäroptik 4, die insbesondere lediglich ein optisches Bauteil aufweist, das als Projektionslinse 5 ausgebildet ist. Es besteht durchaus die Möglichkeit, dass die Primäroptik 2 lediglich aus einem Bauteil 3 oder aus mehr als zwei Bauteilen 3 besteht. Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass die Sekundäroptik 4 aus mehr als einem Bauteil besteht.
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Dabei ist die Primäroptik 2 dazu eingerichtet, das von den Lichtquellen 1 ausgehende Licht 6 so zu formen, dass eine ausgedehnte Lichtverteilung erzeugt wird. Weiterhin ist die Sekundäroptik 4 dazu eingerichtet, die von der Primäroptik 2 erzeugte ausgedehnte Lichtverteilung in eine der Abblendlichtverteilung des Scheinwerfers entsprechende Lichtverteilung zu überführen, die eine Hell-Dunkel-Grenze aufweist.
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Die Projektionslinse 5 weist eine Einkoppelseite 7 für das von der Primäroptik 2 ausgehenden Licht 6 und eine Auskoppelseite 8 auf, aus der das Licht 6 austreten kann. Die Projektionslinse 5 ist als Linse mit einer Fresnelstruktur 9 ausgebildet, wobei die Fresnelstruktur 9 auf der Auskoppelseite 8 der Projektionslinse 5 angeordnet ist (siehe 1 und 2).
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Die Einkoppelseite 7 ist im in den 1 bis 3 abgebildeten Ausführungsbeispiel plan ausgebildet. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform der Projektionslinse 5, bei der die Fresnelstruktur 9 auf einem gewölbten Substrat angeordnet ist.
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Die Fresnelstruktur 9 umfasst ringförmige Stufen 10, die jeweils eine Nutzflanke 11 und eine Störflanke 12 aufweisen (siehe 5a). Dabei ist die Nutzflanke 11 derjenige Bereich der Stufe 10, der dazu eingerichtet ist, dass durch ihn Licht hindurchtritt, und die Störflanke 12 derjenige Bereich der Stufe 10, der nicht dazu eingerichtet ist, dass durch ihn Licht hindurchtritt. Dabei schließen die Nutzflanken 11 der Fresnelstruktur 9 mit einer Ebene, die senkrecht zur optischen Achse 13 der Linse ist, einen Anstellwinkel α ein, der beispielsweise eine Größe zwischen 0,1° und 5,0° aufweisen kann (siehe 5a).
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In dem abgebildeten Ausführungsbeispiel nimmt die Höhe der ringförmigen Stufen 10 von der Mitte der Projektionslinse 5 in radialer Richtung nach außen hin zu. Dies ist aus 5a ersichtlich, die einen radialen Schnitt durch die Fresnelstruktur 9 zeigt, wobei das linke Ende der 5a der Mitte der Projektionslinse 5 und das rechte Ende der 5a dem Rand der Projektionslinse 5 entspricht. Es besteht durchaus die Möglichkeit, dass die Höhe der Stufen 10 sich in radialer Richtung nicht ändert oder auf eine andere Weise ändert.
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Es ist weiterhin zur Aufweichung der Hell-Dunkel-Grenze eine refraktive Struktur 14 vorgesehen, die zumindest abschnittsweise in die Fresnelstruktur 9 integriert ist. Entsprechend den Stufen 10 der Fresnelstruktur 9 weist die refraktive Struktur 14 Strukturelemente 15 auf, die ringförmig oder teilringförmig ausgebildet sind (siehe 3). Dabei können die Strukturelemente 15 der refraktiven Struktur 14 eine Breite b in radialer Richtung der Projektionslinse zwischen 0,5 mm und 1,0 mm aufweisen (siehe 5b). Die Höhe h der Strukturelemente kann insbesondere zwischen 0,1 mm und 1,0 mm, vorzugsweise zwischen 0,3 mm und 0,7 mm, beispielsweise etwa 0,5 mm groß sein.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 und 3 ist die refraktive Struktur 14 nur in einzelnen Bereichen in die Fresnelstruktur 9 integriert. In diesen Bereichen sind zumindest Segmente einzelner ringförmiger Stufen der 10 Fresnelstruktur 9 durch ringförmige oder teilringförmige Strukturelemente 15 der refraktiven Struktur 14 ersetzt (siehe 3).
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Wie bei der Fresnelstruktur 9 weisen die Strukturelemente 15 der refraktiven Struktur 14 jeweils eine Nutzflanke 16 und eine Störflanke 17 auf (siehe 4b und 5b). In dem abgebildeten Ausführungsbeispiel ist die Störflanke 17 der refraktiven Struktur 14 zwar etwas länger als die Störflanke 12 der Fresnelstruktur 9. Der Anstellwinkel der Störflanke 17 der refraktiven Struktur 14 ist jedoch gleich dem Anstellwinkel der Störflanke 12 der Fresnelstruktur 9.
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Der Anstellwinkel α' der Nutzflanke 16 der refraktiven Struktur 14 ist ungleich dem Anstellwinkel α der Nutzflanke 11 der Fresnelstruktur 9. Insbesondere ist der Anstellwinkel α' der Nutzflanke 16 der refraktiven Struktur 14 größer als der Anstellwinkel α der Nutzflanke 11 der Fresnelstruktur 9. Durch den veränderten Anstellwinkel α' der Nutzflanke 16 der refraktiven Struktur 14 kann die Diakaustik um Lichtstrahlen, die in einem Raumwinkelbereich um die Hell-Dunkel-Grenze durch die Projektionslinse 5 hindurchtreten, geeignet aufgeweitet werden, um die Hell-Dunkel-Grenze geeignet aufzuweichen. Dies ist beispielhaft in 8a bis 9b verdeutlicht.
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8a zeigt eine Abblendlichtverteilung 18, die von einer Projektionslinse 5 mit Fresnelstruktur 9 ohne darin integrierte refraktive Struktur 14 erzeugt wird. Diese Abblendlichtverteilung 18 weist eine Hell-Dunkel-Grenze 19 auf. Die Veränderung 20 der Lichtstärke dieser Abblendlichtverteilung 18 in vertikaler Richtung längs der Linie 21 wird in 8b verdeutlicht. Es zeigt sich, dass die Veränderung 20 vergleichsweise groß ist, so dass ein sehr harter Übergang zwischen dem unterhalb der Hell-Dunkel-Grenze 19 angeordneten ausgeleuchteten Raumwinkel und dem oberhalb der Hell-Dunkle-Grenze 19 angeordneten nicht ausgeleuchteten Raumwinkel vorliegt. Der Gradient der Lichtintensität der Abblendlichtverteilung 18 im Bereich der Hell-Dunkel-Grenze 19 ist also sehr groß.
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9a zeigt eine Abblendlichtverteilung 22, die von einer Projektionslinse 5 mit in die Fresnelstruktur 9 integrierter refraktiver Struktur 14 erzeugt wird. Diese Abblendlichtverteilung 22 weist ebenfalls eine Hell-Dunkel-Grenze 19 auf. Die Veränderung 20 der Lichtstärke dieser Abblendlichtverteilung 22 in vertikaler Richtung längs der Linie 21 wird in 9b verdeutlicht. Es zeigt sich, dass die Veränderung 20 vergleichsweise klein ist, so dass ein weicher Übergang zwischen dem unterhalb der Hell-Dunkel-Grenze 19 angeordneten ausgeleuchteten Raumwinkel und dem oberhalb der Hell-Dunkle-Grenze 19 angeordneten nicht ausgeleuchteten Raumwinkel vorliegt. Der Gradient der Lichtintensität der Abblendlichtverteilung 22 im Bereich der Hell-Dunkel-Grenze 22 ist also vergleichsweise klein.
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Es besteht durchaus die Möglichkeit, dass die refraktive Struktur 14 nicht auf der Auskoppelseite 8 der Projektionslinse 5, sondern auf der Einkoppelseite 7 der Projektionslinse 5 angeordnet ist.
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6 zeigt eine Projektionslinse 5, die keine Fresnelstruktur aufweist, sondern als Linse ausgebildet ist, insbesondere als plan-konvexe asphärische Linse, ausgebildet ist.
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7 zeigt eine Projektionslinse 5, die hinsichtlich ihrer Form der Linse gemäß 6 gleicht. Allerdings ist in die Projektionslinse 5 eine refraktive Struktur 14 integriert, die dazu eingerichtet ist, durch die Projektionslinse 5 hindurchtretendes Licht so zu beeinflussen, dass die Hell-Dunkel-Grenze aufgeweicht wird. Dabei kann die refraktive Struktur 14 ähnlich oder gleich der Struktur 14 der Ausführungsbeispiele gemäß den 2 bis 5b ausgebildet sein. Insbesondere weist die Struktur 14 Strukturelemente 15 auf, von denen mindestens eines ringförmig oder teilringförmig ausgebildet ist.
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Die refraktive Struktur 14 ist im Ausführungsbeispiel gemäß 7 auf der, insbesondere planen, Einkoppelseite 7 der Projektionslinse 5 angeordnet. Es besteht dabei durchaus die Möglichkeit, dass die refraktive Struktur 14 auf der, insbesondere konvexen, Auskoppelseite 8 der Projektionslinse 5 angeordnet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lichtquelle
- 2
- Primäroptik
- 3
- optisches Bauteil der Primäroptik
- 4
- Sekundäroptik
- 5
- Projektionslinse der Sekundäroptik
- 6
- von der Lichtquelle ausgehendes Licht
- 7
- Einkoppelseite der Projektionslinse
- 8
- Auskoppelseite der Projektionslinse
- 9
- Fresnelstruktur der Projektionslinse
- 10
- ringförmige Stufe der Fresnelstruktur
- 11
- Nutzflanke der Fresnelstruktur
- 12
- Störflanke der Fresnelstruktur
- 13
- optische Achse der durch die Fresnelstruktur gebildeten Linse
- 14
- refraktive Struktur zur Aufweichung der Hell-Dunkel-Grenze
- 15
- Strukturelement der refraktiven Struktur
- 16
- Nutzflanke der refraktiven Struktur
- 17
- Störflanke der refraktiven Struktur
- 18
- Abblendlichtverteilung, die von einer Projektionslinse mit Fresnelstruktur ohne darin integrierte refraktive Struktur erzeugt wird
- 19
- Hell-Dunkel-Grenze der Abblendlichtverteilung
- 20
- Veränderung der Lichtstärke der Abblendlichtverteilung
- 21
- Linie in vertikaler Richtung der Abblendlichtverteilung
- 22
- Abblendlichtverteilung, die von einer Projektionslinse mit in die Fresnelstruktur integrierter refraktiver Struktur erzeugt wird
- b
- Breite eines Strukturelements der refraktiven Struktur in radialer Richtung
- h
- Höhe eines Strukturelements der refraktiven Struktur
- α
- Anstellwinkel der Nutzflanke der Fresnelstruktur
- α'
- Anstellwinkel der Nutzflanke der refraktiven Struktur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018131556 A1 [0003]
