DE10317062A1

DE10317062A1 - Beleuchtungseinrichtung für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE10317062A1
Application number: DE10317062A
Authority: DE
Inventors: Helmut Erdl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2003-04-14
Filing date: 2003-04-14
Publication date: 2004-10-28
Anticipated expiration: 2023-04-15
Also published as: DE10317062B4

Abstract

Beleuchtungseinrichtung für Kraftfahrzeuge, umfassend einen stabförmigen Lichtleiter zur totalreflektierenden Leitung von Licht, welches von wenigstens einer Lichtquelle über wenigstens eine als Einkoppelfläche ausgestaltete Stirnfläche des Lichtleiters einkoppelbar ist, mit wenigstens einer parallel zur Längsachse angeordneten Auskoppelfläche zur wenigstens teilweisen Auskopplung von Licht aus dem Lichtleiter und einer parallel zur Längsachse des Lichtleiters angeordneten Wechselwirkungsfläche, mit welcher Teile des Lichts in dem Lichtleiter unter Aufhebung der Totalreflexionsbedingungen zum Zwecke der Auskopplung wechselwirken können, wobei die Größe der Wechselwirkungsfläche pro Längeneinheit des Lichtleiters wenigstens abschnittsweise mit zunehmendem Abstand von der wenigstens einen Einkoppelfläche wächst, wobei die Auskoppelfläche und die Wechselwirkungsfläche identisch und als aufgeraute Oberfläche des Lichtleiters ausgestaltet sind und der Lichtleiter im Bereich der Brennlinie von sich parallel zu dem Lichtleiter erstreckenden Lichtumlenkungsmitteln angeordnet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Beleuchtungseinrichtung für Kraftfahrzeuge, umfassend einen stabförmigen Lichtleiter zur totalreflektierenden Leitung von Licht, welches von wenigstens einer Lichtquelle über wenigstens eine als Einkoppelfläche ausgestaltete Stirnfläche des Lichtleiters einkoppelbar ist, mit wenigstens einer parallel zur Längsachse des Lichtleiters angeordneten Auskoppelfläche zur wenigstens teilweisen Auskopplung von Licht aus dem Lichtleiter und einer parallel zur Längsachse des Lichtleiters angeordneten Wechselwirkungsfläche, mit welcher Teile des Lichts in dem Lichtleiter unter Aufhebung der Totalreflexionsbedingungen zum Zwecke der Auskopplung wechselwirken können, wobei die Größe der Wechselwirkungsfläche pro Längeneinheit des Lichtleiters wenigstens abschnittweise mit zunehmendem Abstand von der wenigstens einen Einkoppelfläche wächst.

Eine derartige Beleuchtungseinrichtung ist beispielsweise aus DE 198 04 440 A1 bekannt. Bei dieser gattungsbildenden Beleuchtungseinrichtung wird Licht über eine oder beide Stirnflächen eines stabförmigen Lichtleiters in diesen eingekoppelt. Die Dimensionen des Lichtleiters, das Lichtleitermaterial und die Einkopplung sind so gestaltet, dass für den größten Teil des eingekoppelten Lichtes in dem Lichtleiter Totalreflektionsbedingungen bestehen. Zum Zwecke der Lichtauskopplung sind an einer Seite des stabförmigen Lichtleiters prismenartige Strukturen vorgesehen, an denen Licht in einem Winkel reflektiert wird, so dass beim nachfolgenden Auftreffen des reflektierten Lichtes an der gegenüberliegenden Seite des stabförmigen Lichtleiters die Totalreflektionsbedingungen aufgehoben sind. Das Licht kann somit durch diese Auskoppelfläche hindurchtreten. Die Menge des ausgekoppelten Lichtes an einer gegebenen Stelle des stabförmigen Lichtleiters entspricht einem bestimmten Bruchteil des an dieser Stelle im Lichtleiter vorhandenen Gesamtlichtes. Dieser Bruchteil bestimmt sich nach der Größe der Wechselwirkungsfläche in diesem Bereich, d.h. bei der bekannten Vorrichtung der Prismenfläche in diesem Bereich. Die Gesamtmenge des Lichtes in dem Lichtleiter nimmt aufgrund der Auskopplung mit der Entfernung von der Einkoppelstelle ab. Zur Erzielung einer gleichmäßigen Lichtauskopplung über die Gesamtlänge des Lichtleiters wird bei der bekannten Vorrichtung die Abnahme der Gesamtlichtmenge durch ein entsprechendes Anwachsen des Auskopplungsanteils, d.h. durch ein entsprechendes Anwachsen der Prismenfläche mit zunehmendem Abstand von der Einkoppelstelle, kompensiert. Bei Einkopplung über beide Stirnflächen des stabförmigen Lichtleiters gilt dies abschnittsweise in Bezug auf jede Einkoppelstelle.

Die bekannte Vorrichtung ist geeignet zur Ausbildung einer langen, schmalen Lichtquelle mit stark gerichteter Abstrahlung. Die Abstrahlung ist in ausgeprägter Weise senkrecht zur Längsachse des stabförmigen Lichtleiters gerichtet, was auf den Reflexionsmechanismus an den Prismen zurückzuführen ist. Zur Ausbildung einer flächenartigen Beleuchtungseinrichtung ist es daher erforderlich, eine Mehrzahl solcher langgestreckter Lichtquellen zu verwenden und zu einer Fläche zusammenzusetzen. Dies ist mit erheblichem Aufwand und daher hohen Kosten verbunden.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine gattungsgemäße Beleuchtungseinrichtung derart weiterzubilden, dass mit geringem technischen Aufwand die Schaffung einer homogenen Leuchtfläche ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass die Auskoppelfläche und die Wechselwirkungsfläche identisch und als aufgeraute Oberfläche des Lichtleiters ausgestaltet sind und dass der Lichtleiter im Bereich der Brennlinie von sich parallel zu dem Lichtleiter erstreckenden Lichtumlenkungsmitteln angeordnet ist.

Hierdurch werden zwei vorteilhafte Maßnahmen in einander ergänzender Weise zur Erzielung einer gemeinsamen, vorteilhaften Wirkung kombiniert. Zum einen wird auf die gesonderte Ausgestaltung der Wechselwirkungsfläche als Prismenfläche verzichtet. Statt dessen wird die Auskoppelfläche selbst als Wechselwirkungsfläche genutzt. Hierzu wird sie fein strukturiert, was beispielsweise durch Sand-, Kugelstrahlen, Laserbearbeitung oder ähnliches erfolgen kann. Auf diese Weise werden die Totalreflektionsbedingungen an der Auskoppelfläche selbst aufgehoben, das ausgekoppelte Licht jedoch nicht streng gerichtet abgestrahlt, sondern im Wesentlichen gleichmäßig in alle Richtungen des Halbraumes oberhalb der Auskoppelfläche gestreut. Dies führt zu einer Homogenisierung der Abstrahlung senkrecht zur Längsrichtung des Lichtleiters.

Diese Maßnahme allein würde jedoch nicht zur Lösung der oben genannten Aufgabe ausreichen. Es ist daher weiter vorgesehen, Lichtumlenkungsmittel derart anzuordnen, dass sich der stabförmige Lichtleiter im Bereich deren Brennlinie befindet. Ein optisches Lichtumlenkungsmittel mit Brennlinie hat die Eigenschaft, Licht aus der Brennlinie senkrecht dazu zu parallelisieren, wobei die Größe der von dem parallelisierten Lichtbündel durchdrungenen Fläche von der konkreten Form der Lichtumlenkungsmittel, d.h. im Wesentlichen von ihrer Brennweite und ihrer Größe abhängt.

Durch die erfindungsgemäße Kombination der zweifachen Homogenisierung des ausgekoppelten Lichtes und der Umformung in ein flächiges, parallelisiertes Lichtbündel gelingt es, mit minimalem technischen Aufwand eine homogene Leuchtfläche zu schaffen. Eine solche kann beispielsweise als hochgezogene Bremsleuchtenleiste im Bereich der Rückscheibe eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden, ohne dass eine Vielzahl punktförmiger oder linienförmiger Lichtquellen verwendet werden müsste.

Bei einer besonders günstigen Ausführungsform sind die Lichtumlenkungsmittel als ein Reflektor ausgebildet, dessen Reflektionsfläche ein wenigstens bereichsweise parabelartiges Krümmungsprofil aufweist. Nach den Gesetzen der Strahlenoptik ist bekannt, dass ein paraboloider Hohlspiel Licht aus seinem Brennpunkt parallelisiert. Entsprechend hat ein langgestreckter Reflektor mit parabelartigem Krümmungsprofil statt des Brennpunktes eine Brennlinie und parallelisiert aus dieser stammendes Licht senkrecht dazu. Obwohl es im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich und durchaus wünschenswert ist, einen stabförmigen Lichtleiter mit sehr geringem Querschnitt zu verwenden, wird es im Rahmen der praktischen Ausführung kaum möglich sein, strahlenoptisch ideale Bedingungen zu schaffen. Die Begriffe „Brennlinie" und „parabelartig" sind daher als praktisch realisierbare Näherungen an die strahlenoptisch idealen Bedingungen zu verstehen.

Bei einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Lichtumlenkungsmittel als Zylinderlinse ausgebildet sind. Die Zylinderlinse ist das brechungsoptische Äquivalent zum langgestreckten Reflektor mit parabelartigem Krümmungsprofil.

Auch sie bewirkt eine Parallelisierung von Licht aus ihrer Brennlinie senkrecht zu dieser. Die oben gemachten Aussagen zur praktischen Durchführbarkeit gelten hier analog.

Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung der Lichtumlenkungsmittel ist bei einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen, dass der Lichtleiter aus transparentem Kunststoff gefertigt ist. Selbstverständlich ist auch eine Fertigung aus Quarz, Glas oder ähnlichem möglich; die Fabrikation aus transparentem Kunststoff ist jedoch insbesondere im Hinblick auf die damit verbundenen Kosten vorteilhaft.

Für das Profil des Lichtleiters gibt es keine prinzipiellen Beschränkungen. Abgesehen davon, dass er im Hinblick auf eine möglichst gute Annährung an ideale strahlenoptische Bedingungen einen möglichst kleinen Querschnitt aufweisen sollte, kann dieser rund, quadratisch, vieleckig oder anders ausgestaltet sein.

Bei einer besonders einfach und kostengünstig realisierbaren Weiterbildung ist zur Lichteinkopplung eine Leuchtdiodeneinheit vorgesehen, die an einer Stirnseite des Lichtleiters angeordnet ist. Dabei kann es sich zum Beispiel um eine handelsübliche Einheit handeln, bei der die eigentliche Lichtquelle in eine als Linse wirkende, transparente Kunststoffkapselung eingegossen ist. Derartige Einheiten sind kostengünstig und leuchtstark und in unterschiedlichen Farben erhältlich.

Zur Optimierung der Einkopplung ist bei einer besonders günstigen Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Einkoppelfläche des Lichtleiters und die lichtabstrahlende Begrenzungsfläche der Lichtquelle einander entsprechend geformt sind. Dies ist besonders günstig bei einer Leuchtdiodeneinheit verwirklichbar, bei der die Rundung der Kunststoffkapsel in eine korrespondierend geformte Ausnehmung der Einkoppelfläche einsetzbar ist. Dabei ist es besonders günstig, wenn die Einkoppelfläche des Lichtleiters und die lichtabstrahlende Begrenzungsfläche der Lichtquelle einander unmittelbar kontaktieren. Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad der Einkoppelung optimiert.

Obwohl die flächige Abstrahlung parallelisierten Lichtes im Grunde ausreicht, um beim Betrachter den Eindruck einer flächigen Lichtquelle zu erwecken, kann bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung vorgesehen sein, dass vor den Lichtumlenkungsmitteln eine Streuscheibe angeordnet ist zur Streuung des aus dem Lichtleiter ausgekoppelten und von den Lichtumlenkungsmitteln umgelenkten Lichtes. Mit dieser Maßnahme ist eine noch weitergehende Homogenisierung der Leuchterscheinung möglich. Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden, ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beispielhaft veranschaulicht ist.

In den Zeichnungen zeigen:

1: eine schematische, perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung,

2: eine schematische Darstellung des idealisierten Strahlengangs in der Beleuchtungseinrichtung von 1,

3: eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Auskoppel-/Wechselwirkungsfläche,

4: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Auskoppelung-/Wechselwirkungsfläche.

1 zeigt eine schematische, perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung 1. Ein stabförmiger Lichtleiter 2, der im gezeigten Ausführungsbeispiel einen quadratischen Querschnitt aufweist, wird von seinen beiden Stirnflächen her mit Licht 3, 3' aus nicht dargestellten Lichtquellen beschickt. Ein Reflektor 4, dessen Funktionsweise nachfolgend detaillierter erläutert werden soll, lenkt das aus dem Lichtleiter 2 ausgekoppelte Licht in erfindungsgemäßer Weise um. In 1 ist der Reflektor 4 lediglich als die für seine Funktion wesentliche reflektierende Fläche dargestellt. Bei praktischen Ausführungsformen kann der Reflektor in unterschiedlicher Weise und aus unterschiedlichen Materialien, etwa aus Metall oder aus verspiegeltem Kunststoff gefertigt sein, wobei seine Formgebung weitestgehend nach designerischen Kriterien ausgewählt werden kann, soweit die reflektierende Fläche ein wenigstens bereichsweise parabelartiges Krümmungsprofil zeigt.

2 stellt schematisch den idealisierten Strahlengang der Beleuchtungseinrichtung von 1 dar. Gezeigt ist eine Illustration im Schnitt senkrecht zur Längsachse des Lichtleiters 2, dessen Querschnitt in 2 punktförmig idealisiert ist. Der Lichtleiter 2 befindet sich in der Brennlinie des Reflektors 4, d.h. im Abstand der Brennweite f (vom tatsächlich vorhandenen oder extrapolierten) Scheitelpunkt der Reflektorparabel und ist parallel zur Längserstreckung des Reflektors ausgerichtet. Das aus dem Lichtleiter 2 ausgekoppelte Licht folgt dann dem mit Pfeilen angedeuteten Strahlengang und wird von dem Reflektor 4 senkrecht zu dem Lichtleiter 2 parallelisiert. Das parallele Lichtbündel durchtritt eine gedachte Fläche, die von der Größe und Ausgestaltung des Reflektors abhängt und dem Betrachter als Leuchtfläche erscheint.

Obwohl bei dem in 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiels ein gerader Lichtleiter 2 mit quadratischem Querschnitt dargestellt ist, ist es im Rahmen der Erfindung durchaus möglich, andere Lichtleiterquerschnitte zu wählen und/oder den Lichtleiter gekrümmt anzuordnen, wobei der Reflektor 4 dann eine entsprechend gekrümmte Ausgestaltung haben sollte.

3 zeigt schematisch eine Auskoppel- und Wechselwirkungsfläche 5 des Reflektors 2 aus 1. Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist lediglich eine einzige Lichtquelle 6 an einer Stirnseite des Lichtleiters 4 vorgesehen. Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Stirnseite des Lichtleiters 2 eine gestrichelt dargestellte Ausnehmung 7 auf, die der äußeren Form der Lichtquelle 6, z.B. einer handelsüblichen Leuchtdiode angepasst ist. Auf diese Weise wird eine besonders effiziente Einkopplung von Licht in den Lichtleiter 4 erreicht. Zur Auskopplung wechselwirkt das eingekoppelte Licht mit der in 3 schraffiert dargestellten Auskoppel- und Wechselwirkungsfläche 5. Diese besteht im Wesentlichen in einer Aufrauung wenigstens einer der Seitenflächen des Lichtleiters 2, vorzugsweise der dem Reflektor 4 zugewandten Seite/n. Die Aufrauung kann auf unterschiedlichem Wege erreicht werden, beispielsweise durch Sand- oder Kugelstrahlen, Laserbearbeitung oder ähnliches. Durch die Aufrauung werden die Totalreflektionsbe dingungen innerhalb des Lichtleiters 2 aufgehoben und das Licht in homogener Weise von der Wechselwirkungs- und Auskoppelfläche 5 gestreut. Dies führt zu einer homogenen Abstrahlung senkrecht zur Längsachse des Lichtleiters 2. Um auch parallel zur Längsachse des Lichtleiters 2 eine Homogenität der Abstrahlung zu erzeugen, ist, wie aus 3 ersichtlich, die Wechselwirkungs- und Auskoppelfläche von der Lichtquelle 6 her anwachsend ausgestaltet. Hierdurch wird der Bruchteil des an einer bestimmten Stelle im Lichtleiter 2 vorhandenen Lichtes erhöht, der an dieser Stelle ausgekoppelt wird. Somit wird der Auskoppelverlust über die Länge des Lichtleiters durch verstärkte Auskoppeleffizienz kompensiert.

4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Lichtleiters 2, bei dem zwei Lichtquellen 6 und 6' vorgesehen sind, die in Ausnehmungen 7 und 7' in einander gegenüberliegenden Stirnseiten des Lichtleiters 2 angeordnet sind. Die Wechselwirkungs- und Auskoppelfläche 5 ist in diesem Fall symmetrisch ausgeführt und wächst bereichsweise mit dem Abstand von den Lichtquellen 6 und 6'. Halbwegs zwischen den Lichtquellen 6 und 6' weist die Wechselwirkungs- und Auskoppelfläche 5 in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ihre maximale Breite auf.

Die Form der Wechselwirkungs- und Auskoppelfläche, die in den 3 und 4 dargestellt ist, ist lediglich schematisch und beispielhaft zu verstehen. Im praktischen Fall ist sie den tatsächlichen Lichtverhältnissen im Lichtleiter 2 anzupassen, die von der Beschaffenheit dieser Fläche wie auch der übrigen Konfiguration des Lichtleiters sowie der Lichtquellen und deren relativer Anordnung abhängt.

Natürlich sind die dargestellten Ausführungsbeispiele lediglich als vorteilhafte Illustrationen besonders günstiger Ausführungsformen der Erfindung zu verstehen. Die Erfindung selbst ist keinesfalls auf die dargestellten Ausführungsbeispiele zu beschränken. Insbesondere ist es möglich, einen analogen Beleuchtungseffekt zu erzielen, wenn statt des Reflektors 4 eine optisch äquivalente Zylinderlinse oder ähnliche Lichtumlenkungsmittel verwendet werden. Auch kann es vorteilhaft sein, dass parallelisierte Licht mittels einer zusätzlichen Streuscheibe zu streuen und so eine homogen leuchtend erscheinende Fläche zu gestalten.

Claims

Beleuchtungseinrichtung für Kraftfahrzeuge, umfassend einen stabförmigen Lichtleiter zur totalreflektierenden Leitung von Licht, welches von wenigstens einer Lichtquelle über wenigstens eine als Einkoppelfläche ausgestaltete Stirnfläche des Lichtleiters einkoppelbar ist, mit wenigstens einer parallel zur Längsachse des Lichtleiters angeordneten Auskoppelfläche zur wenigstens teilweisen Auskopplung von Licht aus dem Lichtleiter und einer parallel zur Längsachse des Lichtleiters angeordneten Wechselwirkungsfläche, mit welcher Teile des Lichts in dem Lichtleiter unter Aufhebung der Totalreflexionsbedingungen zum Zwecke der Auskopplung Wechselwirken können, wobei die Größe der Wechselwirkungsfläche pro Längeneinheit des Lichtleiters wenigstens abschnittweise mit zunehmendem Abstand von der wenigstens einen Einkoppelfläche wächst, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskoppelfläche (5) und die Wechselwirkungsfläche (5) identisch und als aufgeraute Oberfläche des Lichtleiters (2) ausgestaltet sind und dass der Lichtleiter (2) im Bereich der Brennlinie von sich parallel zu dem Lichtleiter (2) erstreckenden Lichtumlenkungsmitteln (4) angeordnet ist.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtumlenkungsmittel als Reflektor (4) ausgebildet sind, dessen Reflexionsfläche ein wenigstens bereichsweise parabelartiges Krümmungsprofil aufweist.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtumlenkungsmittel als Zylinderlinse ausgebildet sind.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter (2) aus transparentem Kunststoff gefertigt ist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquelle (6, 6') eine Leuchtdiodeneinheit vorgesehen ist, die an einer Stirnseite des Lichtleiters (2) angeordnet ist.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppelfläche (7, 7') des Lichtleiters (2) und die Licht abstrahlende Begrenzungsfläche der Lichtquelle (6, 6') einander entsprechend geformt sind.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppelfläche (7, 7') des Lichtleiters (2) und die Licht abstrahlende Begrenzungsfläche der Lichtquelle (6, 6') einander unmittelbar kontaktieren.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor den Lichtumlenkungsmitteln (4) eine Streuscheibe angeordnet ist zur Streuung des aus dem Lichtleiter (2) ausgekoppelten und von den Lichtumlenkungsmitteln (4) umgelenkten Lichtes.