DE10336162A1 - Beleuchtungseinheit mit Lichtquelle und Lichtleitkörper - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinheit mit mindestens einer Lichtquelle und mindestens einem der Lichtquelle nachgeschalteten Lichtleitkörper, der mindestens eine Lichtdurchtrittsfläche aufweist. Dazu umfasst die Beleuchtungseinheit zumindest einen Reflektor. Außerdem ist zumindest eine Lichtdurchtrittsfläche des Lichtleitkörpers dem Reflektor zugewandt. DOLLAR A Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Beleuchtungseinheit mit einem Lichtleitkörper entwickelt, die einen großen Ausleuchtungsbereich hat und nur einen geringen Bauraum erfordert.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinheit mit mindestens einer Lichtquelle und mindestens einem der Lichtquelle nachgeschalteten Lichtleitkörper, der mindestens eine Lichtdurchtrittsfläche aufweist.
  • Aus der DE 199 30 461 A1 ist eine derartige Beleuchtungseinheit bekannt. Zur Erzielung eines großen Ausleuchtungsbereichs umfasst diese Beleuchtungseinheit eine Lichtquelle, der zwei in Reihe geschaltete Lichtleitkörper nachgeschaltet sind. Diese Bauform erfordert eine großen Bauraum.
    •
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Problemstellung zugrunde, eine Beleuchtungseinheit mit einem Lichtleitkörper zu entwickeln, die einen großen Ausleuchtungsbereich hat und nur einen geringen Bauraum erfordert.
  • Diese Problemstellung wird mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. Dazu umfasst die Beleuchtungseinheit zumindest einen Reflektor. Außerdem ist zumindest eine Lichtdurchtrittsfläche des Lichtleitkörpers dem Reflektor zugewandt.
  • Von der Lichtquelle emittierte Lichtstrahlen werden durch den Lichtleitkörper geleitet. Die Lichtstrahlen verlassen den Lichtleitkörper zumindest durch die dem Reflektor zugewandte Lichtdurchtrittsfläche. Am Reflektor werden sie reflektiert und in die Umgebung abgestrahlt. Der durch die Beleuchtungseinheit ausgeleuchtete Bereich, beispielsweise beim Einsatz der Beleuchtungseinheit als Kraftfahrzeugscheinwerfer, ist groß. Gleichzeitig ist durch die Umlenkung der Lichtstrahlen nur ein geringer Bauraum für die Beleuchtungseinheit erforderlich. Die Lichtquelle kann außerdem an einer gut zugänglichen Stelle an der Beleuchtungseinheit montiert werden.
  • Die Lichtquelle kann eine Leuchtdiode sein. Leuchtdioden sind Lumineszenzdioden, die als Komplettteile mit integrierten optischen Lichtleit- und -verteileinrichtungen beispielsweise in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Die Leuchtdiode kann als einzelne Lichtquelle ausgeführt sein, es können aber auch mehrere Leuchtdioden zu einer Einheit zusammengefasst sein, beispielsweise in einer Rückleuchteneinheit. In einer derartigen Leuchtdiodeneinheit, die ein Gestaltungselement des Fahrzeuges ist, können die Leuchtdioden z.B. miteinander vergossen sein.
  • Der Reflektor kann beispielsweise plan, ein- oder mehrachsig, parabel- oder paraboloidförmig gewölbt sein. Parallel auf den Reflektor auftreffende Lichtstrahlen schneiden sich bei einem parabelförmigen Reflektor in einer Brennlinie, während sie sich bei einem paraboloidförmigen Reflektor in einem Brennpunkt schneiden.
    •
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung schematisch dargestellter Ausführungsformen.
  • 1: Beleuchtungseinheit mit außenliegender Lichtquelle;
  • 2: Beleuchtungseinheit nach 1 ohne Gehäuse;
  • 3: Beleuchtungseinheit mit einem zweiteiligen Reflektor;
  • 4: Beleuchtungseinheit mit einem paraboloidförmigen Reflektor;
  • 5: Vorderansicht der Beleuchtungseinheit nach 4.
  • Die 1 und 2 zeigen eine Beleuchtungseinheit, z.B. einen Scheinwerfer eines Kraftfahrzeuges. Die Beleuchtungseinheit umfasst ein Gehäuse (5), an dem eine Lichtquelle (10), ein Lichtleitkörper (20), ein Reflektor (40) sowie eine Streuscheibe (50) angeordnet sind. Das von der Lichtquelle (10) emittierte Licht wird durch den ihr nachgeschalteten Lichtleitkörper (20) in Richtung des Reflektors (40) abgestrahlt und von diesem durch die Streuscheibe (50) in die Umgebung (1) reflektiert.
  • Die Länge der Beleuchtungseinheit entspricht etwa ihrer Höhe. Ihre Breite senkrecht zur Zeichenebene der 1 beträgt etwa 80% der Länge, vgl. 2.
  • Die Lichtquelle (10) ist beispielsweise, in 1 nicht im Detail dargestellt, an der Außenseite des Gehäusebodens (6) befestigt. Sie ist z.B. eine Leuchtdiode (10). Diese besteht aus Elektronikteilen, z.B. einem lichtemittierenden Chip (13), einem Sockel (11) und mindestens zwei mit dem Chip (13) verbundene Anschlüssen (12). Zumindest der lichtemittierende Chip (13) ist von einem Elektronikschutzkörper (14) umgeben, der in Richtung des Gehäusebodens (6) zeigt.
  • Am Gehäuseboden (6) ist außerdem, in 1 nicht im Detail dargestellt, der Lichtleitkörper (20) befestigt. Dieser ist ein stabförmiger, transparenter Glas- oder Kunststoffkörper z.B. aus PMMA oder PMMI, der von außen in das Gehäuse (5) hineinragt. Er hat einen zylindrischen (21) und einen in Richtung des Reflektors (40) abgekröpften Abschnitt (22). Die Länge des Lichtleitkörpers (20) beträgt etwa das fünffache des Durchmessers seines zylindrischen Abschnitts (21). Die aus dem Gehäuse (5) herausragende Stirnseite (23) des zylindrischen Abschnitts (21) umfasst eine konvexe Fläche (24). Ihr Abstand zur Leuchtdiode (10) beträgt etwa ein Drittel des Durchmessers des zylindrischen Abschnitts (21). Der abgekröpfte Abschnitt (22) hat in der Schnittdarstellung der 1 die Gestalt eines keilförmigen Prismas (22). Die in der Zeichnungsebene liegende Grundfläche (25) des Prismas (22) ist ein rechtwinkliges gleichschenkliges Dreieck. Eine gedachte Kathetenfläche bildet den Übergang zwischen dem zylindrischen Abschnitt (21) und dem Prisma (22) Die zweite Kathetenfläche (26) umfasst eine konvexe Fläche (27). Die Hypotenusenfläche (28) schließt mit einer gedachten Tangentialebene an den zylindrischen Abschnitt (21) einen Winkel von 45 Grad ein. Der Lichtleitkörper (20) ist so in der Beleuchtungseinheit angeordnet, dass die konvexe Fläche (27) symmetrisch zur horizontalen Mittelebene (3) liegt. Diese horizontale Mittelebene (3) steht in der Darstellung der 1 normal zur Zeichenebene.
  • Der Reflektor (40) ist beispielsweise symmetrisch zur horizontalen Mittelebene (3) an der Innenseite einer Stirnseite (7) des Gehäuses (5) angeordnet. Er hat die Gestalt einer parabolischen Zylindermantelfläche, die in Richtung des Lichtleitkörpers (20) geöffnet ist, vgl. 2. Der Reflektor (40) umgreift so den Lichtleitkörper (20). Der Abstand der Brennlinie (41) des Reflektors (40) zum Reflektor (40) beträgt etwa 93% des Abstandes der konvexen Fläche (27) vom Reflektor (40).
  • Die dem Lichtleitkörper (20) zugewandte Oberfläche (42) des Reflektors (40) ist eine Reflektionsfläche (42), die z.B. einen hohen optischen Reflektionsgrad aufweist. Der Refflektor (40) kann hierfür beispielsweise ganz- oder teilflächig beschichtet sein.
  • Dem Reflektor (40) gegenüber ist im Gehäuse (5) die Streuscheibe (50) angeordnet. Die Streuscheibe (50) ist beispielsweise eine normal zur horizontalen Mittelebene (3) angeordnete Glasscheibe, die die Beleuchtungseinheit z.B. vor Verschmutzungen und Beschädigungen schützt.
  • Anstatt der konvexen Fläche (24) kann der zylindrische Abschnitt (21) auch eine z.B. konkave Mulde mit der Gestalt eines Kugelabschnitts aufweisen. An dieser Mulde ist dann beispielsweise die Lichtquelle (10) angeordnet.
  • Bei der Herstellung der Beleuchtungseinheit kann die Leuchtdiode (10) und der Lichtleitkörper (20) einteilig gefertigt werden. Die Leuchtdiode (10) wird dann z.B. in einer Spritzgießform zur Bildung des Lichtleitkörpers (20) umspritzt. Es entsteht ein homogener Körper, aus dem einseitig z.B. die Anschlüsse (12) herausragen.
  • Beim Betrieb der in den 1 und 2 dargestellten Beleuchtungseinheiten werden Lichtstrahlen (61, 62) aus der Leuchtdiode (10) in Richtung der konvexen Fläche (24) des Lichtleitkörpers (20) emittiert. Die konvexe Fläche (24) wirkt als Sammellinse, durch die von der Leuchtdiode (10) emittierte Lichtstahlen (61, 62) in den Lichtleitkörper (20) eintreten. Beim Eintritt der Lichtstrahlen (61, 62) vom optisch dünneren Medium der Umgebung (1) in das optisch dichtere Medium des Lichtleitkörpers (20) werden die Lichtstrahlen (61, 62) zum Lot im Auftreffpunkt (63) hin gebrochen. Sie verlaufen dann im Lichtleitköper (20) z.B. annähernd parallel. Auf der Hypotenusenfläche (28) treffen sie in einem Winkel von z.B. 45 Grad auf. Dieser Winkel ist größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion an der Grenzfläche des Lichtleitkörpers (20) mit der Umgebung (1). Dieser Grenzwinkel beträgt beispielsweise bei PMMI 38 Grad und bei PMMA 42 Grad. Die auf der Hypotenusenfläche (28) auftreffenden Lichtstrahlen (61, 62) werden vollständig an der Hypotenusefläche (28) reflektiert und z.B. parallel in Richtung der konvexen Fläche (27) geleitet. Diese konvexe Fläche (27) ist eine Lichtdurchtrittsfläche (27). Sie wirkt als Sammellinse (27). Die auf die konvexe Fläche (27) auftreffenden Lichtstrahlen (61, 62) werden beim Durchtreten der Grenzfläche vom optisch dichteren Medium des Lichtleitkörpers (20) in den z.B. mit der Umgebungsluft verbundenen Innenraum (2) der Beleuchtungseinheit vom Lot im Auftreffpunkt (64) weg gebrochen. Sie werden z.B. auf einen Brennpunkt (29) hin fokussiert und divergieren dann in Richtung des Reflektors (40). Der Brennpunkt (29) der Sammellinse (27) liegt beispielsweise auf der Brennlinie (41) des Reflektors (40) . Auf den Reflektor (40) auftreffende Lichtstrahlen (61, 62) werden dann derart reflektiert, dass sie in Richtung der Streuscheibe (50) geleitet werden.
  • Beim Einsatz dieser Beleuchtungseinheit z.B. als Scheinwerfer eines Kraftfahrzeuges wird die vor dem Kraftfahrzeug liegende Straße großflächig und gleichmäßig ausgeleuchtet. Zum Rand hin besteht, beispielsweise durch an den Außenbereichen des Reflektors reflektiertes Streulicht, ein allmählicher Übergang in den unbeleuchteten Bereich.
  • Der Reflektor (40) kann auch nichtreflektierende Bereiche aufweisen. So kann z.B. ein asymmetrischer Ausleuchtungsbereich der Beleuchtungseinheit erzeugt werden.
  • Die dem Reflektor (40) zugewandte Lichtdurchtrittsfläche (27) kann auch eine plane Fläche, eine Streulinse, etc. sein.
  • Die 3 zeigt eine Beleuchtungseinheit, deren Länge etwa ein Drittel ihrer Höhe beträgt. Auch diese Beleuchtungseinheit umfasst eine Lichtquelle (10) und einen dieser nachgeschalteten Lichtleitkörper (20). Der Reflektor (40) umfasst einen unteren (43) und einen zu diesem spiegelbildlichen oberen Reflektorteil (44), deren Symmetrieebene die horizontalen Mittelebene (3) der Beleuchtungseinheit ist. Beide Reflektorteile (43, 44) haben beispielsweise die Gestalt von Abschnitten eines parabolischen Zylindermantels. Der Abstand der beiden Reflektorteile (43, 44) zueinander beträgt beispielsweise etwa ein Viertel der Gesamthöhe des Reflektors (40).
  • Die Lichtquelle (10) ist beispielsweise auf der horizontalen Mittenebene (3) der Beleuchtungseinheit so angeordnet, dass der Sockel (11) an einer gedachten Verbindungsebene der beiden Reflektorteile (43, 44) anliegt und der Elektronikschutzkörper (14) in Richtung der Öffnung des Reflektors (40) übersteht.
  • Der Lichtleitkörper (20) umfasst einen zylindrischen Abschnitt (21) und zwei spiegelbildlich zur horizontalen Mittelebene (3) der Beleuchtungseinheit angeordnete abgekröpfte Abschnitte (22). Die beiden Abschnitte (22) haben in der Projektion in die Zeichnungsebene der 3 einen prismenförmigen Querschnitt. Sie sind durch eine waagerecht liegende Nut (31) voneinander getrennt. Die Länge der abgekröpften Abschnitte (22) beträgt beispielsweise etwa die Hälfte der Länge des Lichtleitkörpers (20). Die abgekröpften Abschnitte (22) weisen zwei Außenflächen (32, 33) auf, die miteinander einen stumpfen Winkel einschließen. Sowohl die der Lichtquelle (10) zugewandten (24) als auch die dem Reflektor zugewandten Lichtdurchtrittsflächen (27) sind als Sammellinsen wirkende konvexe Flächen (24, 27). Die die Nut (31) begrenzenden Flächen (32) des Lichtleitkörpers (20) schließen miteinander einen Winkel von etwa 90 Grad ein. Der Lichtleitkörper (20) ist beispielsweise so in bezug auf den Reflektor (40) angeordnet, dass der Abstand der Lichtdurchtrittsflächen (27) zum Reflektor (40) geringer ist als der Abstand des Reflektors (40) zu seiner Brennlinie (41).
  • Beim Betrieb der Beleuchtungseinheit treten die von der Lichtquelle (10) emittierten Lichtstrahlen (61, 62) durch die Sammellinse (24) in den Lichtleitkörper (20). In den abgekröpften Abschnitten (22) werden sie an den Außenflächen (32, 33) zweimal totalreflektiert und treten durch die Sammellinsen (27) in Richtung des Reflektors (40) aus. Beim Austritt aus dem Lichtleitkörper (20) durch die Lichtdurchtrittsflächen (27) werden die Lichtstrahlen (61, 62) vom Lot weg gebrochen. Nach der Reflektion am Reflektor (40) werden sie in Richtung der hier nicht dargestellten Streuscheibe bzw. in die Umgebung (1) abgestrahlt.
  • Die von dieser Beleuchtungseinheit ausgeleuchtete Fläche weist zwei helle Bereiche auf, zwischen denen ein dunklerer z.B. parallel zur Fahrzeugvorderkante liegender zentraler Bereich liegt.
  • Die beiden abgekröpften Abschnitte (22) des Lichtleitkörpers (20) und/oder die beiden Reflektorteile (43, 44) können auch unterschiedliche Gestalt aufweisen. So kann beispielsweise der obere Reflektorteil (44) eine größere Krümmung auf weisen als der untere Reflektorteil (43). Die auf den Reflektor (40) auftreffenden Lichtstrahlen (61, 62) werden dann beispielsweise nach unten abgelenkt. Das auf der Straße ausgeleuchtete Feld ist dann z.B. asymmetrisch.
  • Bei einer verlängerten Ausführung der abgekröpften Abschnitte (22), die beiden Abschnitte (22) ragen dann weiter in Richtung des unteren (43) bzw. oberen Reflektorteils (44), kann die Baulänge der Beleuchtungseinheit verkürzt werden und/oder der Krümmungsradius des Reflektors (40) vergrößert werden. So ist beispielsweise der Aufbau eines extrem kurzen Scheinwerfers möglich.
  • Die 4 und 5 zeigen eine Beleuchtungseinheit, deren Reflektor (40) die Gestalt eines Rotationsparaboloids hat. Die Länge dieser Beleuchtungseinheit beträgt etwa 40% ihres Durchmessers. Der Reflektor (40) weist eine zentrale Bohrung (45) auf, deren Durchmesser etwa ein Viertel des Durchmessers des Reflektors (40) beträgt. Durch diese Bohrung ragt der Lichtleitkörper (20) in den Reflektor (40) hinein. Die Lichtquelle (10) ist z.B. außerhalb einer gedachten, die Bohrung (45) des Reflektors (40) verschließenden Ebene abgeordnet. Die Lichtquelle (10) ist beispielsweise lichtstark und wird zur Hitzeabfuhr mittels einer Kühlvorrichtung gekühlt. Sie ist gut zugänglich zur Wartung und zum Austausch.
  • Der Lichtleitkörper (20) ist rotationssymmetrisch zur Mittellinie (4) der Beleuchtungseinheit. Er umfasst einen zylindrischen (21) und einen abgekröpften Abschnitt (22). Der abgekröpfte Abschnitt (22) hat zwei, dem Reflektor (40) abgewandte, konzentrisch zueinander angeordnete stirnseitige Flächen (34, 35), die miteinander einen stumpfen Winkel einschließen. Die innere stirnseitige Fläche (34), ihr Durchmesser entspricht dem Durchmesser des zylindrischen Ab schnitts (21), hat die Gestalt einer Kegelspitze eines stumpfwinkligen Kegels. Sie ist beispielsweise verspiegelt.
  • Die in den 4 und 5 dem Reflektor (40) zugewandte Seite des abgekröpften Abschnitts (22) ist die Lichtaustrittsfläche (27). Diese ist eine in Richtung des Reflektors (40) gewölbte Ringfläche.
  • Von der Lichtquelle (10) emittierte Lichtstrahlen (61, 62) werden beim Durchtritt der Sammellinse (24) z.B. so gebrochen, dass sie innerhalb des Lichtleitkörpers (20) parallel zueinander geleitet werden. An der inneren stirnseitigen Fläche (34) werden sie reflektiert und an der Lichtdurchtrittsfläche (27) vom Lot im Auftreffpunkt (64) weg gebrochen. Beim Auftreffen auf den Reflektor (40) werden die Lichtstrahlen (61, 62) umgelenkt und in die Umgebung (1) abgestrahlt.
  • Die mit dieser Beleuchtungseinheit ausgeleuchtete Fläche ist groß und hat eine annähernd gleichmäßige Helligkeit. Selbstverständlich kann die Form des ausgeleuchtetem Bereichs durch die Gestalt des Reflektors (40), die Gestalt und die Lage des Lichtleitkörpers, etc. verändert werden. Auch können beispielsweise zusätzliche z.B. in Richtung des Lichtleitkörpers (20) erhabene Bereiche im Reflektor (40) vorgesehen sein. Hiermit werden dann z.B. einzelne Teilbereiche des ausgeleuchteten Bereichs verstärkt ausgeleuchtet, z.B. zur Markierung der seitlichen Fahrzeugbegrenzungen.
  • Der Lichtleitkörper (20) kann statt eines zylindrischen Abschnitts (21) auch einen kegelförmigen, einen pyramidenförmigen, einen gebogenen etc. Abschnitt aufweisen. In diesem Abschnitt kann das von der Lichtquelle (10) emittierte Licht dann ein- oder mehrfach total reflektiert oder z.B. an einer bereichsweise verspiegelten Mantelfläche reflektiert werden.
  • Die Oberfläche des Lichtleitkörpers (20) kann, mit Ausnahme der Lichtdurchtrittsflächen (24, 27) auch vollständig verspiegelt sein.
  • In einer Beleuchtungseinheit können mehrere Lichtquellen (10), mehrere Lichtleitkörper (20) und/oder ein oder mehrere Reflektoren (40) angeordnet sein. So kann dann beispielsweise ein großflächiger Bereich vor einem Fahrzeug ausgeleuchtet werden.
    • 1
    Umgebung
    2
    Innenraum der Beleuchtungseinheit
    3
    horizontale Mittelebene
    4
    Mittellinie
    5
    Gehäuse
    6
    Gehäuseboden
    7
    Stirnseite
    10
    Lichtquelle, Leuchtdiode
    11
    Sockel
    12
    Anschlüsse
    13
    lichtemittierender Chip
    14
    Elektronikschutzkörper
    20
    Lichtleitkörper
    21
    zylindrischer Abschnitt
    22
    abgekröpfte Abschnitte, Prismen
    23
    Stirnseite von (21)
    24
    konvexe Fläche von (23), Sammellinse
    25
    Grundfläche von (22)
    26
    Kathetenfläche
    27
    konvexe Fläche von (22), Lichtdurchtrittsfläche,
    Sammellinse
    28
    Hypotenusenfläche
    29
    Brennpunkt von (27)
    31
    Nut
    32
    Außenfläche von (22)
    33
    Außenfläche von (22)
    34
    innere stirnseitige Fläche von (22)
    35
    äußere stirnseitige Fläche von (22)
    40
    Reflektor
    41
    Brennlinie
    42
    Oberfläche von (40), Reflektionsfläche
    43
    unterer Reflektorteil
    44
    oberer Reflektorteil
    45
    Bohrung in (40)
    50
    Streuscheibe
    61, 62
    Lichtstrahlen
    63
    Auftreffpunkt in (24)
    64
    Auftreffpunkt in (27)

Claims (10)

  1. Beleuchtungseinheit mit mindestens einer Lichtquelle und mindestens einem der Lichtquelle nachgeschalteten Lichtleitkörper, der mindestens eine Lichtdurchtrittsfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, – dass die Beleuchtungseinheit zumindest einen Reflektor (40) umfasst, und – dass zumindest eine Lichtdurchtrittsfläche (27) des Lichtleitkörpers (20) dem Reflektor (40) zugewandt ist.
  2. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleitkörper (20) zumindest bereichsweise vom Reflektor (40) umgeben ist.
  3. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (10) nicht vom Reflektor umgeben ist.
  4. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (10) eine Leuchtdiode (10) ist.
  5. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleitkörper (20) an die Leuchtdiode (10) angeformt ist.
  6. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (40) die Gestalt eines Rotationsparaboloids hat.
  7. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Lichtdurchtrittsfläche (27) zumindest einen Teilbereich einer Sammellinse umfasst.
  8. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleitkörper (20) außerhalb der Lichtdurchtrittsflächen (24, 27) eine zumindest bereichsweise verspiegelte Oberfläche hat.
  9. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (40) mindestens einen nichtreflektierenden Bereich aufweist.
  10. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (40) mindestens einen Bereich aufweist, der in Richtung des Lichtleitkörpers (20) erhaben ist.
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