DE102022124330A1 - Lighting unit and lamp - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leuchteinheit für eine Leuchte, insbesondere für eine Fahrzeug- oder Fahrradleuchte, mit einer Lichtquelle und einer Linse, die auf einer gemeinsamen optischen Achse angeordnet sind, wobei die Lichtquelle mit dem Ursprung eines kartesischen Koordinatensystems und die optische Achse mit der z-Achse des Koordinatensystems zusammenfallen. Ferner betrifft die Erfindung eine Leuchte, insbesondere eine Fahrzeug- oder Fahrradleuchte, mit einer solchen Leuchteinheit. Um die Ausleuchtung eines vorausliegenden Wegabschnitts zu optimieren, ist vorgesehen, dass die Linse eingerichtet ist, um ein von der Lichtquelle einfallendes Lichtbündel zu einem Hauptlichtkegel zu bündeln, der senkrecht zur optischen Achse einen trapezförmigen Querschnitt aufweist, wobei der trapezförmige Querschnitt des Hauptlichtkegels gleichschenklig ausgebildet ist und zwei Grundseiten unterschiedlicher Länge aufweist, wobei die vergleichsweise längere Grundseite in Bezug auf die y-Achse des Koordinatensystems unterhalb von der vergleichsweise kürzeren Grundseite ist.The present invention relates to a lighting unit for a lamp, in particular for a vehicle or bicycle lamp, with a light source and a lens, which are arranged on a common optical axis, the light source having the origin of a Cartesian coordinate system and the optical axis having the z -axis of the coordinate system coincide. The invention further relates to a lamp, in particular a vehicle or bicycle lamp, with such a lighting unit. In order to optimize the illumination of a path section ahead, it is provided that the lens is set up to bundle a light beam incident from the light source into a main light cone which has a trapezoidal cross section perpendicular to the optical axis, the trapezoidal cross section of the main light cone being isosceles and has two base sides of different lengths, the comparatively longer base side being below the comparatively shorter base side with respect to the y-axis of the coordinate system.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leuchteinheit für eine Leuchte, insbesondere für eine Fahrzeug- oder Fahrradleuchte, mit einer Lichtquelle und einer Linse, die auf einer gemeinsamen optischen Achse angeordnet sind, wobei die Lichtquelle mit dem Ursprung eines kartesischen Koordinatensystems (Leuchtenkoordinatensystem) und die optische Achse mit der z-Achse des Koordinatensystems zusammenfallen.The present invention relates to a lighting unit for a lamp, in particular for a vehicle or bicycle lamp, with a light source and a lens, which are arranged on a common optical axis, the light source having the origin of a Cartesian coordinate system (lamp coordinate system) and the optical axis coincide with the z-axis of the coordinate system.

Ferner betrifft die Erfindung eine Leuchte, insbesondere eine Fahrzeug- oder Fahrradleuchte, mit einer solchen Leuchteinheit.The invention further relates to a lamp, in particular a vehicle or bicycle lamp, with such a lighting unit.

Nach dem Stand der Technik sind Leuchten, insbesondere Fahrzeug- oder Fahrradleuchten bekannt, die einen Reflektor oder eine Linse besitzen, um Licht zu bündeln, das von einer Lichtquelle abgegeben wird. Als Lichtquelle wird zumeist eine Leuchtdiode (LED) verwendet. Das Licht wird dabei so gebündelt, dass der vorausliegende Weg ausgeleuchtet ist, so dass der Anwender auch bei dunklen Sichtverhältnissen fahren kann. Die nach dem Stand der Technik bekannten Fahrradleuchten besitzen jedoch Leuchteinheiten, die den vorausliegenden Weg beim bestimmungsgemäßen Gebrauch nur unzureichend ausleuchten. Insbesondere werden Bereiche abseits des Weges unkontrolliert ausgeleuchtet, womit der zur Verfügung stehende Lichtstrom nicht vollständig zur Ausleuchtung des zu befahrenden Wegabschnitts ausgeschöpft wird. Ferner werden nahe und ferne Bereiche inhomogen ausgeleuchtet, was sich negativ auf die gewünschten Sichtbedingungen auswirkt.According to the prior art, lights, in particular vehicle or bicycle lights, are known which have a reflector or a lens in order to concentrate light that is emitted by a light source. A light-emitting diode (LED) is usually used as the light source. The light is focused in such a way that the path ahead is illuminated, so that the user can drive even in dark visibility conditions. However, the bicycle lights known from the prior art have lighting units that only inadequately illuminate the path ahead when used as intended. In particular, areas off the path are illuminated in an uncontrolled manner, meaning that the available luminous flux is not fully utilized to illuminate the section of path to be traveled. Furthermore, near and far areas are illuminated inhomogeneously, which has a negative effect on the desired viewing conditions.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Leuchteinheit und eine Leuchte anzugeben, die die Nachteile des Standes der Technik beheben. Insbesondere soll die Ausleuchtung eines vorausliegenden Wegabschnitts optimiert werden, der beim bestimmungsgemäßen Gebrauch einer solchen Leuchteinheit innerhalb einer Fahrzeug- oder Fahrradleuchte oder beim bestimmungsgemäßen Gebrauch einer solchen Leuchte befahren werden soll.It is the object of the present invention to provide a lighting unit and a lamp that eliminate the disadvantages of the prior art. In particular, the illumination of a section of path ahead should be optimized, which is to be traveled when such a lighting unit is used as intended within a vehicle or bicycle lamp or when such a lamp is used as intended.

Diese Aufgabe wird durch die Leuchteinheit nach Anspruch 1 und/oder die Leuchte nach Anspruch 11 gelöst.This task is solved by the lighting unit according to claim 1 and/or the lamp according to claim 11.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Linse eingerichtet ist, um ein von der Lichtquelle einfallendes Lichtbündel zu einem Hauptlichtkegel zu bündeln, der senkrecht zur optischen Achse einen trapezförmigen Querschnitt aufweist, wobei der trapezförmige Querschnitt des Hauptlichtkegels gleichschenklig ausgebildet ist und zwei Grundseiten unterschiedlicher Länge aufweist, wobei die vergleichsweise längere Grundseite in Bezug auf die y-Achse des Koordinatensystems unterhalb von der vergleichsweise kürzeren Grundseite ist. Beim bestimmungsgemäßen Gebrauch der Leuchteinheit und/oder der Leuchte ist diese an der Lenkstange eines Fahrrads angeordnet und winklig gegenüber dem ebenen Untergrund bzw. der ebenen Fahrbahn angeordnet. Durch den im Querschnitt trapezförmigen Hauptlichtkegel ergibt sich eine Ausleuchtung des vorausliegenden Wegabschnitts innerhalb eines in einer senkrechten Draufsicht rechteckigen Bereichs, womit nur der Bereich ausgeleuchtet wird, der beim Fahren bei widrigen Sichtbedingungen relevant ist. Hierdurch wird der vorausliegende Wegabschnitt optimal ausgeleuchtet. In der Praxis ist die Beleuchtungsstärke innerhalb des ausgeleuchteten Bereiches nicht scharf begrenzt, sondern am Rand erfolgt insbesondere aufgrund der Ausdehnung der Lichtquelle ein weicher Abfall der Beleuchtungsstärke. Der weiche Abfall der Beleuchtungsstärke führt auch zu einem irritationsfreien Eindruck durch den Benutzer. Darüber hinaus wird die Leuchte zudem energieeffizient betrieben, weil keine Bereiche der Umgebung ausgeleuchtet werden, die zum Erkennen des relevanten Wegabschnitts unwichtig sind. Insofern kann die Beleuchtungsstärke im relevanten Bereich bei konstantem Energieverbrauch erhöht oder die Betriebsdauer der Leuchte bei konstanter Beleuchtungsstärke im relevanten Bereich verlängert werden.According to the invention, the lens is designed to focus a light beam incident from the light source into a main light cone which has a trapezoidal cross-section perpendicular to the optical axis, the trapezoidal cross-section of the main light cone being isosceles and having two base sides of different lengths, the comparatively longer base side being below the comparatively shorter base side in relation to the y-axis of the coordinate system. When the lighting unit and/or the light is used as intended, it is arranged on the handlebar of a bicycle and is arranged at an angle to the flat surface or the flat roadway. The main light cone, which has a trapezoidal cross-section, illuminates the section of the path ahead within an area that is rectangular in a vertical plan view, which means that only the area that is relevant when driving in adverse visibility conditions is illuminated. This ensures that the section of the path ahead is optimally illuminated. In practice, the illuminance within the illuminated area is not sharply limited, but there is a gentle drop in illuminance at the edge, particularly due to the extension of the light source. The gentle drop in illuminance also leads to an irritation-free impression for the user. In addition, the light is operated in an energy-efficient manner because no areas of the environment are illuminated that are unimportant for recognizing the relevant section of the path. In this respect, the illuminance in the relevant area can be increased with constant energy consumption or the operating time of the light can be extended with constant illuminance in the relevant area.

Vorteilhafte Weiterbildungen werden nachfolgend sowie in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous further developments are specified below and in the subclaims.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Leuchteinheit derart ausgelegt ist, dass der Hauptlichtkegel entlang einer Ebene, die gegenüber der x-z-Ebene des Koordinatensystems und um die x-Achse des Koordinatensystems um einen Winkel α von +9° geneigt und entlang der y-Achse des Koordinatensystems nach unten versetzt ist, einen gleichen Lichtstrom auf jedem flächengleichen Flächenelement erzeugt, das entlang der Ebene senkrecht zum Beleuchtungswinkel angeordnet ist. Beim bestimmungsgemäßen Gebrauch einer Leuchte, die an der Lenkstange des Fahrrads derart befestigt ist, dass die optische Achse um einen Winkel von 9° gegenüber der Fahrbahn geneigt ist, fällt die Fahrbahn mit der zuvor genannten Ebene zusammen, die gegenüber der x-z-Ebene des Koordinatensystems und um dessen x-Achse um einen Winkel α von +9° geneigt und entlang der y-Achse des Koordinatensystems nach unten versetzt ist. Typischer Weise beträgt der Versatz entlang der y-Achse des Koordinatensystems ca. 1 m und mithin die ungefähre Höhe der Lenkstange oberhalb der Fahrbahn. Eine reale Wegstrecke, sei sie befestigt oder unbefestigt, besteht in der Regel aus unregelmäßigen Elementen und/oder Strukturen, wie beispielsweise Kieselsteinen oder unregelmäßigen Fahrbahnoberflächen, die stets Flächenabschnitte (Facetten) aufweisen, die rechtwinklig zum Betrachter bzw. rechtwinklig zur Beleuchtungsrichtung ausgerichtet sind. Durch die vorteilhafte Ausleuchtung ergibt sich für den Betrachter, der die vorausliegende Wegstrecke unter einem geneigten Blickwinkel wahrnimmt, der Eindruck einer homogenen Ausleuchtung, was das Erkennen von Hindernissen und der vorausliegenden Wegstrecke begünstigt.It is preferably provided that the lighting unit is designed in such a way that the main light cone is inclined along a plane which is inclined by an angle α of +9° relative to the xz plane of the coordinate system and about the x-axis of the coordinate system and along the y-axis of the Coordinate system is offset downwards, an equal luminous flux is generated on each surface element of the same area, which is arranged along the plane perpendicular to the illumination angle. When using a lamp as intended, which is attached to the handlebar of the bicycle in such a way that the optical axis is inclined at an angle of 9 ° with respect to the road, the road coincides with the aforementioned plane, which is opposite to the xz plane of the coordinate system and around its x-axis by an angle α of +9° is inclined and offset downward along the y-axis of the coordinate system. Typically, the offset along the y-axis of the coordinate system is approximately 1 m and is therefore the approximate height of the handlebar above the road. A real route, be it paved or unpaved, usually consists of irregular elements and/or structures, such as pebbles or irregular road surfaces, which always have surface sections (facets) that are oriented at right angles to the viewer or at right angles to the direction of illumination. The advantageous illumination gives the viewer, who perceives the route ahead from an inclined perspective, the impression of homogeneous illumination, which facilitates the recognition of obstacles and the route ahead.

Die nach dem Stand der Technik bekannten Leuchteinheiten und Leuchten haben sich auch als nachteilbehaftet erwiesen, weil die verwendeten Optiken (Linsen oder Reflektoren) nicht den von den Lichtquellen beleuchteten Halbraum vollständig abdecken. Im Falle einer Freiformlinse verfehlt das Licht, das zwischen 50° und 90° von der optischen Achse abgestrahlt wird, die Linse, was ca. 40% des erzeugten Lichtstroms entspricht. Hierdurch wird Licht ungerichtet abgestrahlt oder am Gehäuse der Leuchten absorbiert, was sich negativ auf die Energieeffizienz der Leuchten auswirkt. Um die Energieeffizienz der Leuchte und/oder der Leuchteinheit und um die Sicherheit des Nutzers zu erhöhen, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Leuchteinheit einen Reflektor aufweist, der die Lichtquelle konzentrisch umgreift und ausgebildet ist, um Licht zur Linse zu reflektieren, wobei die Kombination aus Lichtquelle, Reflektor und Linse derart ausgelegt ist, dass sich ein Sekundärlichtkegel ergibt, der eine Ausleuchtung der Umgebung außerhalb des Hauptlichtkegels erlaubt. Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Intensität des Sekundärlichtkegels geringer als die Intensität des Hauptlichtkegels ist. Vorzugsweise weist der Sekundärlichtkegel um die optische Achse eine homogene Intensität auf. Hierdurch wird nahezu das vollständige von der Lichtquelle abgestrahlte Licht zur Ausleuchtung der Umgebung verwendet, was Verluste minimiert. Die Ausleuchtung erfolgt dabei innerhalb einer vorgegebenen Lichtverteilung und somit frei von etwaigen Artefakten. Ferner werden hierdurch Bereiche außerhalb des Hauptlichtkegels mit einer geringen Intensität ausgeleuchtet, womit beispielsweise auch in die Wegstrecke hängende Hindernisse rechtzeitig vom Fahrer erkannt werden.The lighting units and lights known from the prior art have also proven to be disadvantageous because the optics used (lenses or reflectors) do not completely cover the half-space illuminated by the light sources. In the case of a free-form lens, the light emitted between 50° and 90° from the optical axis misses the lens, which corresponds to approximately 40% of the luminous flux generated. As a result, light is emitted non-directionally or absorbed by the housing of the lights, which has a negative impact on the energy efficiency of the lights. In order to increase the energy efficiency of the lamp and/or the lighting unit and to increase the safety of the user, it is preferably provided that the lighting unit has a reflector which concentrically encompasses the light source and is designed to reflect light to the lens, the combination of Light source, reflector and lens are designed in such a way that a secondary light cone results, which allows the surroundings to be illuminated outside of the main light cone. Furthermore, it is preferably provided that the intensity of the secondary light cone is lower than the intensity of the main light cone. The secondary light cone preferably has a homogeneous intensity around the optical axis. As a result, almost all of the light emitted by the light source is used to illuminate the surroundings, which minimizes losses. The illumination takes place within a specified light distribution and is therefore free of any artifacts. Furthermore, areas outside the main light cone are illuminated with a low intensity, which means that, for example, obstacles hanging in the path are recognized by the driver in good time.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Reflektor konkav und in Bezug auf die optische Achse rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Die Oberfläche des Reflektors ist im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung spiegelnd ausgebildet. Zu Gunsten einer homogenen Ausleuchtung, auch im Rahmen des Sekundärlichtkegels, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Oberfläche des Reflektors matt mit einem kleinen spekulären Reflektionsanteil ausgebildet ist. Alternativ kann die Oberfläche auch weiß oder grau ausgestaltet sein, insbesondere dann, wenn die Intensität des Sekundärlichtkegels niedrig sein soll. Wenn der Sekundärlichtkegel nicht rotationssymmetrisch ausgestaltet sein soll, können entsprechende Segmente des Reflektors ausgeschnitten oder vergleichsweise dunkler gestaltet werden. Der Reflektor setzt vorzugsweise in unmittelbarer Nähe der Lichtquelle an. Vorzugsweise hat er eine von innen nach außen zunehmende Krümmung und reicht bis hin zu einer gedachten Linie zwischen der Lichtquelle und den äußeren Bereichen der Linse, um somit alles Licht zu sammeln, das von der Lichtquelle abgestrahlt wird. Etwaige Verlustleistungen werden hierdurch effektiv minimiert.According to an advantageous development of the invention, it is provided that the reflector is concave and rotationally symmetrical with respect to the optical axis. The surface of the reflector is designed to be reflective as part of an advantageous development of the invention. In order to achieve homogeneous illumination, even within the framework of the secondary light cone, it is preferably provided that the surface of the reflector is matt with a small specular reflection component. Alternatively, the surface can also be designed white or gray, especially if the intensity of the secondary light cone is to be low. If the secondary light cone is not intended to be rotationally symmetrical, corresponding segments of the reflector can be cut out or made comparatively darker. The reflector is preferably placed in the immediate vicinity of the light source. Preferably, it has a curvature that increases from the inside out and extends to an imaginary line between the light source and the outer areas of the lens, so as to collect all the light emitted by the light source. This effectively minimizes any power losses.

Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lichteintrittsfläche der Linse sphärisch-konvex ausgebildet ist und vorzugsweise einen Krümmungsradius von 39,5 mm ± 4 mm aufweist. Die Lichtquelle ist vorzugsweise entlang der optischen Achse in einem Abstand von 8,36 mm ± 2 mm von der Lichteintrittsfläche beabstandet. Die Lichtaustrittsfläche der Linse entspricht mit Bezug auf das Koordinatensystem vorzugsweise einer Ebene mit folgender Gleichung: z = f ( x , y ) = a 1 + a 2 y + a 3 x 2 + a 4 y 2 + a 5 x 2 y + a 6 y 3 + a 7 x 4 + a 8 x 2 y 2 + a 9 y 4 + a 10 x 4 y + a 11 x 2 y 3 + a 12 y 5 + a 13 x 6 + a 14 x 4 y 2 + a 15 x 2 y 4 + a 16 y 6 + a 17 x 6 y + a 18 x 4 y 3 + a 19 x 2 y 5 + a 20 y 7 + a 21 x 8 + a 22 x 6 y 2 + a 23 x 4 y 4 + a 24 x 2 y 6 + a 25 y 8 .

Figure DE102022124330A1_0001
According to a particularly preferred embodiment of the invention, it is provided that the light entry surface of the lens is spherical-convex and preferably has a radius of curvature of 39.5 mm ± 4 mm. The light source is preferably spaced along the optical axis at a distance of 8.36 mm ± 2 mm from the light entry surface. The light exit surface of the lens preferably corresponds to a plane with the following equation with respect to the coordinate system: e.g = f ( x , y ) = a 1 + a 2 y + a 3 x 2 + a 4 y 2 + a 5 x 2 y + a 6 y 3 + a 7 x 4 + a 8th x 2 y 2 + a 9 y 4 + a 10 x 4 y + a 11 x 2 y 3 + a 12 y 5 + a 13 x 6 + a 14 x 4 y 2 + a 15 x 2 y 4 + a 16 y 6 + a 17 x 6 y + a 18 x 4 y 3 + a 19 x 2 y 5 + a 20 y 7 + a 21 x 8th + a 22 x 6 y 2 + a 23 x 4 y 4 + a 24 x 2 y 6 + a 25 y 8th .
Figure DE102022124330A1_0001

Für die Konstanten a1,...,a25 gilt dabei: a1 = 22,3548, a2 = 0,101228, a3 = -0,0373368, a4 = -0,0436413, a5 = -0,000279657, a6 = 0,0000275515, a7 = -0,0000435405, a8 = -0,0000400083, a9 = -0,0000684328, a10 = -0,0000120918, a11 = -0,0000125668, a12 = -3,70917*10-6, a13 = 5,0224*10-7, a14 = 9,13991*10-7, a15 = 1,25403*10-6, a16 = 4,33133*10-7, a17 = 2,79949*10-8, a18 = 4,83011*10-8, a19 = 3,23232*10-8, a20 = 6,63658*10-9, a21 = -6.59067*10-10, a22 = -1.75199*10-9, a23 = -2.98079*10-9, a24 = -2.22453*10-9, a25 = -4.79623*10-10. For the constants a 1 ,...,a 25 the following applies: a1 = 22.3548, a2 = 0.101228, a3 = -0.0373368, a4 = -0.0436413, a 5 = -0.000279657, a6 = 0.0000275515, a7 = -0.0000435405, a8 = -0.0000400083, a 9 = -0.0000684328, a10 = -0.0000120918, a11 = -0.0000125668, a12 = -3.70917*10 -6 , a13 = 5.0224*10 -7 , a14 = 9.13991*10 -7 , a15 = 1.25403*10 -6 , a16 = 4.33133*10 -7 , a17 = 2.79949*10 -8 , a18 = 4.83011*10 -8 , a19 = 3.23232*10 -8 , a20 = 6.63658*10 -9 , a21 = -6.59067*10 -10 , a22 = -1.75199*10 -9 , a23 = -2.98079*10 -9 , a24 = -2.22453*10 -9 , a25 = -4.79623*10 -10 .

Bei der vorschlagsgemäßen Geometrie wird von der Linse mit Bezug auf die optische Achse ein Raumwinkel von ± 54° abgedeckt. Die Linse ist vorzugsweise aus PMMA gefertigt, kann aber alternativ insbesondere aus Glas, Silikon, PC, POC oder ähnlichen Polymeren bestehen. Als Lichtquelle wird vorzugsweise eine LED, insbesondere eine domfreie LED, mit einer einzigen oder zwei quadratischen abstrahlenden Flächen eingesetzt.With the proposed geometry, a solid angle of ± 54° is covered by the lens with respect to the optical axis. The lens is preferably made of PMMA, but can alternatively consist in particular of glass, silicone, PC, POC or similar polymers. An LED, in particular a dome-free LED, with a single or two square emitting surfaces is preferably used as the light source.

Konkrete Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die Figuren beschrieben. Es zeigen:

  • 1a-c eine Leuchteinheit in unterschiedlichen perspektivischen Darstellungen,
  • 1d eine Linse in perspektiver Darstellung,
  • 2a die Beleuchtungsstärke des Hauptlichtkegels auf einem Schirm,
  • 2b die Beleuchtungsstärke des Sekundärlichtkegels auf einem Schirm und
  • 3a-d schematische Ansichten einer Leuchte beim bestimmungsgemäßen Gebrauch.
Specific embodiments of the invention are described below with reference to the figures. Show it:
  • 1a -c a lighting unit in different perspective views,
  • 1d a lens in perspective representation,
  • 2a the illuminance of the main light cone on a screen,
  • 2 B the illuminance of the secondary light cone on a screen and
  • 3a -d schematic views of a lamp when used as intended.

Die 1a-c zeigen eine Leuchteinheit 1 in unterschiedlichen perspektivischen Darstellungen, die jeweils eine Lichtquelle 2 und eine Linse 3 mit einer Lichteintrittsfläche 4 und einer Lichtaustrittsfläche 5 aufweisen. Die Linse 3 und die Lichtquelle 2 sind auf einer gemeinsamen optischen Achse angeordnet, die mit der z-Achse eines kartesischen Koordinatensystems zusammenfällt. Die optische Achse schneidet die Lichteintrittsfläche 4 der Linse 3 dabei in ihrem Pol (Vertex). Die Linse 3 ist eingerichtet, um ein von der Lichtquelle 2 einfallendes Lichtbündel zu einem Hauptlichtkegel zu bündeln, der senkrecht zur optischen Achse einen trapezförmigen Querschnitt aufweist. Die Beleuchtungsstärke des Hauptlichtkegels entlang einer Ebene, die senkrecht zur optischen Achse angeordnet ist, ist für das hier relevante Fernfeld innerhalb eines Diagramms mit den Achsen x', y' in 2a gezeigt, wobei die Achsen x' und y' parallel aber versetzt zu den Achsen x, y des Leuchtenkoordinatensystemns sind. Die Darstellung der Beleuchtungsstärke ist im Übrigen einheitenlos und logarithmisch. Der trapezförmige Querschnitt des Lichtkegels ist gleichschenklig ausgebildet und weist zwei parallele Grundseiten 6, 7 unterschiedlicher Länge auf. Die vergleichsweise längere Grundseite 7 des Hauptlichtkegels ist in Bezug auf die y-Achse des Koordinatensystems unterhalb von der vergleichsweise kürzeren Grundseite 6 des Hauptlichtkegels angeordnet. Die Ecken des trapezförmigen Hauptlichtkegels sind im dargestellten Ausführungsbeispiel abgerundet. Die Lichtverteilung des Hauptlichtkegels ist auf eine Verteilung des Lichts innerhalb des im Querschnitt trapezförmigen Bereiches eingeschränkt. Außerhalb hiervon verschwindet die Beleuchtungsstärke. Die Beleuchtungsstärke nimmt von sehr kleinen Werten an der (längeren) Grundseite 7 zu einem hohen Wert an der kürzeren Grundseite 6 und mithin kurz unterhalb des Horizonts x' zu.The 1a -c show a lighting unit 1 in different perspective views, each of which has a light source 2 and a lens 3 with a light entry surface 4 and a light exit surface 5. The lens 3 and the light source 2 are arranged on a common optical axis which coincides with the z-axis of a Cartesian coordinate system. The optical axis intersects the light entry surface 4 of the lens 3 at its pole (vertex). The lens 3 is set up to bundle a light beam incident from the light source 2 into a main light cone which has a trapezoidal cross section perpendicular to the optical axis. The illuminance of the main light cone along a plane that is arranged perpendicular to the optical axis is for the far field relevant here within a diagram with the axes x', y' in 2a shown, where the axes x 'and y' are parallel but offset from the axes x, y of the luminaire coordinate system. The representation of the illuminance is unitless and logarithmic. The trapezoidal cross section of the light cone is isosceles and has two parallel base sides 6, 7 of different lengths. The comparatively longer base 7 of the main light cone is arranged below the comparatively shorter base 6 of the main light cone in relation to the y-axis of the coordinate system. The corners of the trapezoidal main light cone are rounded in the illustrated embodiment. The light distribution of the main light cone is limited to a distribution of light within the area which has a trapezoidal cross-section. Outside of this, the illuminance disappears. The illuminance increases from very small values on the (longer) base side 7 to a high value on the shorter base side 6 and therefore just below the horizon x '.

Um eine solche im Querschnitt trapezförmige Lichtverteilung zu erzeugen, besitzt die Linse 3 eine sphärisch-konvexe Lichteintrittsfläche 4 mit einem Krümmungsradius von 39,5 mm. Die Lichtquelle 2 weist entlang der optischen Achse einen Abstand A von 8,36 mm zur Lichteintrittsfläche 4 der Linse 3 auf. Die Linse 3 besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel aus PMMA und die Lichtaustrittsfläche 5 ist eine Ebene, die mit Bezug auf das Koordinatensystem der Gleichung z = f ( x , y ) = a 1 + a 2 y + a 3 x 2 + a 4 y 2 + a 5 x 2 y + a 6 y 3 + a 7 x 4 + a 8 x 2 y 2 + a 9 y 4 + a 10 x 4 y + a 11 x 2 y 3 + a 12 y 5 + a 13 x 6 + a 14 x 4 y 2 + a 15 x 2 y 4 + a 16 y 6 + a 17 x 6 y + a 18 x 4 y 3 + a 19 x 2 y 5 + a 20 y 7 + a 21 x 8 + a 22 x 6 y 2 + a 23 x 4 y 4 + a 24 x 2 y 6 + a 25 y 8

Figure DE102022124330A1_0002
entspricht. Für die Konstanten a1,...,a25 gilt dabei: a1 = 22,3548, a2 = 0,101228, a3 = -0,0373368, a4 = -0,0436413, a5 = -0,000279657, a6 = 0,0000275515, a7 = -0,0000435405, a8 = -0,0000400083, a9 = -0,0000684328, a10 = -0,0000120918, a11 = -0,0000125668, a12 = -3,70917*10-6, a13 = 5,0224*10-7, a14 = 9,13991*10-7, a15 = 1,25403*10-6, a16 = 4,33133*10-7, a17 = 2,79949*10-8, a18 = 4,83011*10-8, a19 = 3,23232*10-8, a20 = 6,63658*10-9, a21 = -6.59067*10-10, a22 = -1.75199*10-9, a23 = -2.98079*10-9, a24 = -2.22453*10-9, a25 = -4.79623*10-10. In order to produce such a trapezoidal cross-sectional light distribution, the lens 3 has a spherical-convex light entry surface 4 with a radius of curvature of 39.5 mm. The light source 2 has a distance A of 8.36 mm from the light entry surface 4 of the lens 3 along the optical axis. In the exemplary embodiment shown, the lens 3 is made of PMMA and the light exit surface 5 is a plane with reference to the coordinate system of the equation e.g = f ( x , y ) = a 1 + a 2 y + a 3 x 2 + a 4 y 2 + a 5 x 2 y + a 6 y 3 + a 7 x 4 + a 8th x 2 y 2 + a 9 y 4 + a 10 x 4 y + a 11 x 2 y 3 + a 12 y 5 + a 13 x 6 + a 14 x 4 y 2 + a 15 x 2 y 4 + a 16 y 6 + a 17 x 6 y + a 18 x 4 y 3 + a 19 x 2 y 5 + a 20 y 7 + a 21 x 8th + a 22 x 6 y 2 + a 23 x 4 y 4 + a 24 x 2 y 6 + a 25 y 8th
Figure DE102022124330A1_0002
corresponds. For the constants a 1 ,...,a 25 the following applies: a1 = 22.3548, a 2 = 0.101228, a 3 = -0.0373368, a 4 = -0.0436413, a 5 = -0.000279657, a 6 = 0.0000275515, a 7 = -0.0000435405, a 8 = -0.0000400083, a 9 = -0.0000684328, a 10 = -0.0000120918, a 11 = -0.0000125668, a 12 = -3.70917*10 -6 , a 13 = 5.0224*10 -7 , a 14 = 9.13991*10 -7 , a 15 = 1.25403*10 -6 , a 16 = 4.33133*10 -7 , a 17 = 2.79949*10 -8 , a 18 = 4.83011*10 -8 , a 19 = 3.23232*10 -8 , a 20 = 6.63658*10 -9 , a 21 = -6.59067*10 -10 , a 22 = -1.75199*10 -9 , a 23 = -2.98079*10 -9 , a 24 = -2.22453*10 -9 , a 25 = -4.79623*10 -10 .

1c zeigt die Leuchteinheit 1 mit einem zusätzlichen Reflektor 8, der die Lichtquelle 2 konzentrisch umgreift und ausgebildet ist, um das Licht zur Linse 3 zu reflektieren, das nicht unmittelbar von der Linse 3 ausgehend dort einfällt. Die Kombination aus Lichtquelle 2, Reflektor 8 und Linse 3 ist derart ausgelegt, dass sich ein Sekundärlichtkegel ergibt, der außerhalb des Hauptlichtkegels eine Ausleuchtung der Umgebung schafft. Die Beleuchtungsstärke des Sekundärlichtkegels entlang einer Ebene, die senkrecht zur optischen Achse angeordnet ist, ist innerhalb eines Diagramms mit den Achsen x', y' in 2b gezeigt, wobei die Achsen x' und y' analog zu 2a parallel aber versetzt zu den Achsen x,y des Leuchtenkoordinatensystems sind. Die Lichtverteilung des Sekundärlichtkegels ist im Querschnitt kreisförmig und weist vorzugsweise eine im wesentlichen homogene Beleuchtungsstärke auf. Dabei verläuft der Hauptlichtkegel vollständig innerhalb des Sekundärlichtkegels. Der Reflektor 8 besitzt eine Öffnung 9, die koaxial zur optischen Achse angeordnet ist und die Lichtquelle 2 aufnimmt bzw. umgreift. Ferner ist der Reflektor 8 konkav und in Bezug auf die optische Achse rotationssymmetrisch ausgebildet, wobei der Reflektor 8 mit zunehmendem Abstand zur Öffnung 9 eine stärkere Krümmung aufweist. Der konkav gekrümmte Abschnitt des Reflektors 8 erstreckt sich bis hin zu einem Grenzstrahl 10, der eine lineare Verbindung zwischen der Lichtquelle 2 und dem äußeren Rand der Linse 3 ist. Von dieser Schnittlinie ausgehend, besitzt der Reflektor 8 einen optisch nicht aktiven Bereich 16, der in eine ringförmige Haltestruktur 17 zur Befestigung des Reflektors 8 an einem Gehäuse der Leuchte übergeht. 1c shows the lighting unit 1 with an additional reflector 8, which concentrically surrounds the light source 2 and is designed to reflect the light to the lens 3 that does not enter there directly from the lens 3. The combination of light source 2, reflector 8 and lens 3 is designed in such a way that a secondary light cone results, which illuminates the surroundings outside the main light cone. The illuminance of the secondary light cone along a plane perpendicular to the optical axis is within a diagram with axes x', y' in 2 B shown, where the axes x' and y' are analogous to 2a are parallel but offset to the x,y axes of the luminaire coordinate system. The light distribution of the secondary light cone is circular in cross section and preferably has a substantially homogeneous illuminance. The main light cone runs completely within the secondary light cone. The reflector 8 has an opening 9 which is arranged coaxially to the optical axis and accommodates or encompasses the light source 2. Furthermore, the reflector 8 is concave and rotationally symmetrical with respect to the optical axis, with the reflector 8 having a greater curvature as the distance from the opening 9 increases. The concavely curved section of the reflector 8 extends up to a boundary beam 10, which is a linear connection between the light source 2 and the outer edge of the lens 3. Starting from this cutting line, the reflector 8 has an optically inactive area 16, which merges into an annular holding structure 17 for fastening the reflector 8 to a housing of the lamp.

1d zeigt eine weitere perspektivische Darstellung der Linse 3. 1d shows another perspective view of the lens 3.

Die 3a-c zeigen schematische Darstellungen einer Leuchte 11 mit einer erfindungsgemäßen Leuchteinheit 1 beim bestimmungsgemäßen Gebrauch. Die Leuchte 11 ist hierzu als Fahrradleuchte ausgebildet und an der Lenkstange 12 eines Fahrrads 13 befestigt. Die Leuchte 11 kann in Ergänzung zu der Leuchteinheit 1 und einem Gehäuse optional einen Kühlkörper, eine Regelelektronik, einen Schalter und zusätzliche Beleuchtungseinrichtungen für ein Tagfahrlicht und/oder zur Seitensichtbarkeit aufweisen. Sie kann optional als Batterieleuchte oder zur Verbindung mit dem Akkumulator eines E-Bikes ausgebildet sein. Die optische Achse der Leuchte 11 bzw. der Leuchteinheit 1 ist gegenüber einer Horizontalen um einen Vorwinkel α von 9° nach unten geneigt. Bei einer angenommenen Höhe der Leuchte 11 von ca. 1 m oberhalb der Fahrbahn 14 ergibt sich durch den Hauptlichtkegel eine Ausleuchtung der Fahrbahn 14 innerhalb eines rechtwinkligen Bereichs vor dem Fahrrad 13 (3b, 3c). Der Sekundärlichtkegel erzeugt einen ausgeleuchteten Bereich, der demgegenüber hyperbelförmig ausgestaltet ist. Bei alledem fällt der durch den Hauptlichtkegel ausgeleuchtete Bereich vollständig in den von dem Sekundärlichtkegel ausgeleuchteten Bereich (3c).The 3a -c show schematic representations of a lamp 11 with a lighting unit 1 according to the invention when used as intended. For this purpose, the lamp 11 is designed as a bicycle lamp and is attached to the handlebar 12 of a bicycle 13. In addition to the lighting unit 1 and a housing, the lamp 11 can optionally have a heat sink, control electronics, a switch and additional lighting devices for a daytime running light and/or for side visibility. It can optionally be designed as a battery light or for connection to the battery of an e-bike. The optical axis of the lamp 11 or the lighting unit 1 is inclined downwards relative to a horizontal by a forward angle α of 9 °. If the height of the lamp 11 is assumed to be approximately 1 m above the road 14, the main light cone will illuminate the road 14 within a rectangular area in front of the bicycle 13 ( 3b , 3c ). The secondary light cone creates an illuminated area that is hyperbolic in shape. In all of this, the main light falls through area illuminated by the cone completely into the area illuminated by the secondary light cone ( 3c ).

Damit für den Anwender der Eindruck einer homogenen Ausleuchtung des vorausliegenden Wegabschnitts durch den Hauptlichtkegel entsteht, ist die Beleuchtungsstärke derart eingestellt, dass sich auf der um 9° gegenüber der optischen Achse geneigten Fahrbahn 14 eine konstante senkrechte Beleuchtungsstärke ergibt. Hiernach ergibt sich, wie es in 3d schematisch gezeigt ist, ein gleicher Lichtstrom auf jedem Flächenelement 15, das entlang der Fahrbahn 14 senkrecht zur Beleuchtungsrichtung angeordnet ist. Die schematisch dargestellten Flächenelemente 15 besitzen hierzu jeweils einen einheitlichen und mithin identischen Flächeninhalt.So that the user has the impression that the section of path ahead is homogeneously illuminated by the main light cone, the illuminance is set in such a way that a constant vertical illuminance results on the roadway 14, which is inclined by 9° relative to the optical axis. From this it follows, as in 3d is shown schematically, an equal luminous flux on each surface element 15, which is arranged along the roadway 14 perpendicular to the direction of illumination. For this purpose, the surface elements 15 shown schematically each have a uniform and therefore identical surface area.

BezugszeichenReference symbols

11
LeuchteinheitLight unit
22
Lichtquellelight source
33
Linselens
44
LichteintrittsflächeLight entry surface
55
LichtaustrittsflächeLight exit surface
66
kurze Grundseiteshort base
77
lange Grundseitelong base side
88th
Reflektorreflector
99
Öffnungopening
1010
GrenzstrahlBoundary beam
1111
Leuchtelamp
1212
LenkstangeHandlebar
1313
FahrradBicycle
1414
Fahrbahnroadway
1515
Flächenelementsurface element
1616
nicht aktiver Bereichinactive area
1717
HaltestrukturSupport structure
AA
AbstandDistance

Claims (11)

Leuchteinheit (1) für eine Leuchte (11), insbesondere für eine Fahrzeug- oder Fahrradleuchte, mit einer Lichtquelle (2) und einer Linse (3), die auf einer gemeinsamen optischen Achse angeordnet sind, wobei die Lichtquelle (2) mit dem Ursprung eines kartesischen Koordinatensystems und die optische Achse mit der z-Achse des Koordinatensystems zusammenfallen, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (3) eingerichtet ist, um ein von der Lichtquelle (2) einfallendes Lichtbündel zu einem Hauptlichtkegel zu bündeln, der senkrecht zur optischen Achse einen trapezförmigen Querschnitt aufweist, wobei der trapezförmige Querschnitt des Hauptlichtkegels gleichschenklig ausgebildet ist und zwei Grundseiten (6, 7) unterschiedlicher Länge aufweist, wobei die vergleichsweise längere Grundseite (7) in Bezug auf die y-Achse des Koordinatensystems unterhalb von der vergleichsweise kürzen (6) Grundseite ist.Lighting unit (1) for a lamp (11), in particular for a vehicle or bicycle lamp, with a light source (2) and a lens (3), which are arranged on a common optical axis, the light source (2) having the origin a Cartesian coordinate system and the optical axis coincide with the z-axis of the coordinate system, characterized in that the lens (3) is set up to concentrate a light beam incident from the light source (2) into a main light cone which is perpendicular to the optical axis has a trapezoidal cross-section, the trapezoidal cross-section of the main light cone being isosceles and having two base sides (6, 7) of different lengths, the comparatively longer base side (7) being below the comparatively short one (6) in relation to the y-axis of the coordinate system. Base page is. Leuchteinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchteinheit (1) derart ausgelegt ist, dass der Hauptlichtkegel entlang einer Ebene, die gegenüber der x-z-Ebene des Koordinatensystems und um die x-Achse des Koordinatensystems um einen Winkel α von +9° geneigt und entlang der y-Achse des Koordinatensystems nach unten versetzt ist, einen gleichen Lichtstrom auf jedem flächengleichen Flächenelement (15) erzeugt, das entlang der Ebene senkrecht zum Beleuchtungswinkel angeordnet ist.Light unit (1). Claim 1 , characterized in that the lighting unit (1) is designed such that the main light cone is inclined along a plane which is inclined by an angle α of +9° relative to the xz plane of the coordinate system and about the x-axis of the coordinate system and along the y -Axis of the coordinate system is offset downwards, an equal luminous flux is generated on each surface element (15) of the same area, which is arranged along the plane perpendicular to the illumination angle. Leuchteinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchteinheit (1) einen Reflektor (8) aufweist, der die Lichtquelle (2) konzentrisch umgreift und ausgebildet ist, um Licht zur Linse (3) zu reflektieren, wobei die Kombination aus Lichtquelle (2), Reflektor (8) und Linse (3) derart ausgelegt ist, dass sich ein Sekundärlichtkegel ergibt, der eine Ausleuchtung der Umgebung außerhalb des Hauptlichtkegels erlaubt.Lighting unit (1) according to one of the Claims 1 or 2 , characterized in that the lighting unit (1) has a reflector (8) which concentrically surrounds the light source (2) and is designed to reflect light to the lens (3), wherein the combination of light source (2), reflector (8) and lens (3) is designed such that a secondary light cone is obtained which allows illumination of the surroundings outside the main light cone. Leuchteinheit (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des Sekundärlichtkegels geringer als die Intensität des Hauptlichtkegels ist.Light unit (1). Claim 3 , characterized in that the intensity of the secondary light cone is lower than the intensity of the main light cone. Leuchteinheit (1) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärlichtkegel um die optische Achse eine homogene Intensität aufweist.Lighting unit (1) according to one of the Claims 3 or 4 , characterized in that the secondary light cone has a homogeneous intensity around the optical axis. Leuchteinheit (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (8) konkav und in Bezug auf die optische Achse rotationssymmetrisch ausgebildet ist.Lighting unit (1) according to one of the Claims 3 until 5 , characterized in that the reflector (8) is concave and rotationally symmetrical with respect to the optical axis. Leuchteinheit (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtreflektierende Fläche des Reflektors (8) weiß ist.Lighting unit (1) according to one of the Claims 3 until 6 , characterized in that the light-reflecting surface of the reflector (8) is white. Leuchteinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichteintrittsfläche (4) der Linse (3) sphärisch-konvex ausgebildet ist und vorzugsweise einen Krümmungsradius von 39,5 mm ± 4 mm aufweist.Lighting unit (1) according to one of the Claims 1 until 7 , characterized in that the light entry surface (4) of the lens (3) is spherical-convex and preferably has a radius of curvature of 39.5 mm ± 4 mm. Leuchteinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) entlang der optischen Achse in einem Abstand von 8,36 mm ± 2 mm von der Lichteintrittsfläche (4) der Linse (3) beabstandet ist.Lighting unit (1) according to one of the Claims 1 until 8th , characterized in that the light source (2) is spaced along the optical axis at a distance of 8.36 mm ± 2 mm from the light entry surface (4) of the lens (3). Leuchteinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsfläche (5) der Linse (3) mit Bezug auf das Koordinatensystem einer Ebene mit folgender Gleichung entspricht: z = f ( x , y ) = a 1 + a 2 y + a 3 x 2 + a 4 y 2 + a 5 x 2 y + a 6 y 3 + a 7 x 4 + a 8 x 2 y 2 + a 9 y 4 + a 10 x 4 y + a 11 x 2 y 3 + a 12 y 5 + a 13 x 6 + a 14 x 4 y 2 + a 15 x 2 y 4 + a 16 y 6 + a 17 x 6 y + a 18 x 4 y 3 + a 19 x 2 y 5 + a 20 y 7 + a 21 x 8 + a 22 x 6 y 2 + a 23 x 4 y 4 + a 24 x 2 y 6 + a 25 y 8 ,
Figure DE102022124330A1_0003
wobei für die Konstanten a1,...,a25 gilt: a1 = 22,3548, a2 = 0,101228, a3 = -0,0373368, a4 = -0,0436413, a5 = -0,000279657, a6 = 0,0000275515, a7 = -0,0000435405, a8 = -0,0000400083, a9 = -0,0000684328, a10 = -0,0000120918, a11 = -0,0000125668, a12 = -3,70917*10-6, a13 = 5,0224*10-7, a14 = 9,13991*10-7, a15 = 1,25403*10-6, a16 = 4,33133*10-7, a17 = 2,79949*10-8, a18= 4,83011*10-8, a19 = 3,23232*10-8, a20 = 6,63658*10-9, a21 = -6.59067*10-10, a22 = -1.75199*10-9, a23 = -2.98079*10-9, a24 = -2.22453*10-9, a25 = -4.79623*10-10.
Lighting unit (1) according to one of the Claims 1 until 9 , characterized in that the light exit surface (5) of the lens (3) corresponds to a plane with the following equation with respect to the coordinate system: e.g = f ( x , y ) = a 1 + a 2 y + a 3 x 2 + a 4 y 2 + a 5 x 2 y + a 6 y 3 + a 7 x 4 + a 8th x 2 y 2 + a 9 y 4 + a 10 x 4 y + a 11 x 2 y 3 + a 12 y 5 + a 13 x 6 + a 14 x 4 y 2 + a 15 x 2 y 4 + a 16 y 6 + a 17 x 6 y + a 18 x 4 y 3 + a 19 x 2 y 5 + a 20 y 7 + a 21 x 8th + a 22 x 6 y 2 + a 23 x 4 y 4 + a 24 x 2 y 6 + a 25 y 8th ,
Figure DE102022124330A1_0003
where the following applies to the constants a 1 ,...,a 25 : a1 = 22.3548, a 2 = 0.101228, a 3 = -0.0373368, a 4 = -0.0436413, a 5 = -0.000279657, a 6 = 0.0000275515, a 7 = -0.0000435405, a 8 = -0.0000400083, a 9 = -0.0000684328, a 10 = -0.0000120918, a 11 = -0.0000125668, a 12 = -3.70917*10 -6 , a 13 = 5.0224*10 -7 , a 14 = 9.13991*10 -7 , a 15 = 1.25403*10 -6 , a 16 = 4.33133*10 -7 , a 17 = 2.79949*10 -8 , a 18 = 4.83011*10 -8 , a 19 = 3.23232*10 -8 , a 20 = 6.63658*10 -9 , a 21 = -6.59067*10 -10 , a 22 = -1.75199*10 -9 , a 23 = -2.98079*10 -9 , a 24 = -2.22453*10 -9 , a 25 = -4.79623*10 -10 .
Leuchte (11), insbesondere Fahrzeug- oder Fahrradleuchte, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchte (11) eine Leuchteinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 aufweist.Lamp (11), in particular vehicle or bicycle lamp, characterized in that the lamp (11) has a lighting unit (1) according to one of the Claims 1 until 10 having.
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EP0485818A1 (en) 1990-11-12 1992-05-20 Vereinigte Drahtwerke AG Headlight
US20130291414A1 (en) 2011-09-29 2013-11-07 Erik J. Cegnar Light apparatuses and lighting systems
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