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
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:
Für die Konstanten a1,...,a25 gilt dabei:
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.
-
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
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
Die
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
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
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