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Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement mit einer Strahlungsquelle gemäß Patentanspruch 1.
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Es ist bekannt, optoelektronische Bauelemente, beispielsweise Leuchtdioden-Bauelemente für Beleuchtungszwecke einzusetzen. Dabei werden Linsen vorgesehen, um eine Strahlformung der elektromagnetischen Strahlung vorzunehmen.
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Solche Bauelemente sind insbesondere aus der
EP 2 078 973 A1 ,
EP 2 287 932 A2 ,
WO 96/ 13 943 A1 ,
WO 2011/ 024 641 A1 ,
WO 2014/ 091 076 A1 ,
WO 2015/ 101 899 A1 ,
JP 2007 -
173 561 A ,
JP 2011 -
16 295 A , und der
JP 2004 -
253 477 A bekannt.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes optoelektronisches Bauelement bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch das optoelektronische Bauelement gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Das optoelektronische Bauelement weist mindestens eine Strahlungsquelle, einen Reflektor und eine Linse auf. Die Linse weist eine kegelförmige erste Seitenfläche auf, die der Strahlungsquelle zugewandt ist. Die kegelförmige erste Seitenfläche ist wenigstens teilweise vom Reflektor umgeben. Auf diese Weise wird eine verbesserte Strahlführung der elektromagnetischen Strahlung durch den Reflektor und die Linse erreicht. Durch die kegelförmige Linse können das Bauelement und der Reflektor mit einer geringeren Höhe ausgebildet werden. Ein Vorteil des vorgeschlagenen Bauelementes besteht darin, dass optische Verluste reduziert werden.
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In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelementes ist die erste Seitenfläche vollständig kegelförmig ausgebildet. Dadurch wird ein einfacher Aufbau der Linse ermöglicht.
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In einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Bauelementes umgibt der Reflektor die Strahlungsquelle ringförmig. Der Reflektor begrenzt eine Abstrahlöffnung des optoelektronischen Bauelementes. Die erste Seitenfläche der Linse ist in der Weise ausgebildet, dass die erste Seitenfläche wenigstens 80 % der Abstrahlöffnung abdeckt. Auf diese Weise wird eine effiziente Strahlformung erreicht.
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In einer weiteren Ausführungsform deckt die erste Seitenfläche wenigstens 90 % der Abstrahlöffnung des Reflektors ab. Dadurch wird erreicht, dass ein größerer Prozentsatz der elektromagnetischen Strahlung über die erste Seitenfläche der Linse geführt wird. Somit wird insgesamt eine verbesserte Strahlformung erreicht.
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In einer Ausführungsform weist die Linse auf einer zweiten Seitenfläche, die gegenüberliegend zur ersten Seitenfläche angeordnet ist, wenigstens teilweise eine konvexe Oberfläche auf. Auf diese Weise wird eine verbesserte Strahlführung erreicht.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Reflektor an einer Innenseite eines Gehäuses ausgebildet, wobei die Linse auf einer Seitenfläche des Gehäuses aufliegt. Dadurch wird ein einfacher Aufbau des optoelektronischen Bauelementes erreicht.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Linse auf der zweiten Seitenfläche eine Fresnelstruktur zur Strahlformung der elektromagnetischen Strahlung auf.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die erste Seitenfläche der Linse eine Kegelstumpfform auf. Zudem können Teilflächen der ersten Seitenfläche auch konvex oder konkav ausgebildet sein. Dadurch werden zwar die optischen Verluste erhöht, aber auch mit diesen Ausführungsformen wird immer noch eine gute Strahlführung bei relativ geringen optischen Verlusten ermöglicht.
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In einer Ausführung weist der Reflektor wenigstens einen konkaven Abschnitt auf. Dadurch kann eine verbesserte Strahlführung insbesondere bei geringer Bauhöhe des Reflektors erreicht werden.
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Erfindungsgemäß weist der Reflektor einen ersten konkaven Abschnitt und einen zweiten konvexen Abschnitt auf. Mithilfe der konkaven und der konvexen Abschnitte kann eine weitere Verbesserung der Strahlführung bei einer geringen Bauhöhe des Reflektors erreicht werden.
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In einer Ausführung verjüngt sich ein Querschnitt des ersten Abschnittes in Richtung auf die Strahlungsquelle und zudem verjüngt sich ein Querschnitt des zweiten Abschnittes in Richtung auf die Strahlungsquelle. Dadurch kann eine verbesserte Strahlführung bei geringer Höhe und bei geringer Fläche des Reflektors erreicht werden.
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In einer Ausführung weist die zweite Seitenfläche der Linse eine umlaufende Nut auf. Dadurch kann eine verbesserte Strahlführung bei der Auskopplung der Strahlung aus der Linse erreicht werden.
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In einer Ausführung weist die zweite Seitenfläche der Linse eine mittige Ausnehmung auf. Auch die zweite Ausnehmung kann die Strahlführung bei der Auskopplung der Strahlung verbessern.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen in jeweils schematisierter Darstellung
- 1 einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines optoelektronischen Bauelementes;
- 2 eine schematische perspektivische Darstellung einer Linse;
- 3 einen schematischen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform des optoelektronischen Bauelementes;
- 4 einen schematischen Querschnitt durch eine dritte Ausführungsform des optoelektronischen Bauelementes;
- 5 einen schematischen Querschnitt durch eine vierte Ausführungsform des optoelektronischen Bauelementes;
- 6 eine schematische Ansicht einer Öffnungsfläche des Reflektors und einer Fläche der ersten Seitenfläche der Linse,
- 7 einen Querschnitt durch eine fünfte Ausführungsform eines optoelektronischen Bauelementes, und
- 8 eine schematische perspektivische Draufsaicht auf die fünfte Ausführungsform.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnittes eines optoelektronischen Bauelements 10. Das optoelektronische Bauelement 10 weist eine Strahlungsquelle 1 auf, die auf einer Abstrahlseite 4 elektromagnetische Strahlung abgibt. Die Strahlungsquelle 1 kann beispielsweise in Form einer lichtemittierenden Diode ausgebildet sein. Zudem kann die Strahlungsquelle 1 in Form einer Laserdiode ausgebildet sein. Das Bauelement 10 ist auf der Abstrahlseite 4 von einem Reflektor 2 umgeben. Der Reflektor 2 begrenzt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Abstrahlraum 6, über das die elektromagnetische Strahlung der Strahlungsquelle 1 abgegeben wird, trichterförmig. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Reflektor 2 auf einer Innenseite 20 eines Gehäuses 5 ausgebildet. Das Gehäuse 5 kann aus einem Kunststoff gebildet sein, wobei die Innenseite 20 mit einer Reflexionsschicht bedeckt ist, die den Reflektor 2 bildet. In der dargestellten Ausführungsform ist das Bauteil 10 auf einem Träger 21 (z.B. PCB oder Keramik) aufgebracht. Das Gehäuse 50 ist mit einer Seitenfläche am Träger 21 befestigt. Die Strahlungsquelle 1 ragt in die durchgehende Öffnung des Gehäuses 5 hinein, die den Abstrahlraum 6 darstellt. Der Reflektor 2 ist in dem dargestellten Beispiel rotationssymmetrisch zu einer Mittenachse 11 ausgebildet. Der Reflektor 2 ist trichterförmig ausgebildet und begrenzt in Abstrahlrichtung in einem Endbereich eine Öffnungsfläche 12 auf, die senkrecht zur Mittenachse 11 angeordnet ist. Der Reflektor 2 weist beispielsweise eine Freifläche oder eine Parabelform auf, um die elektromagnetische Strahlung in die gewünschte Strahlrichtung abzulenken.
Zudem ist die Abstrahlseite 4 der Strahlungsquelle 1 mittig in Bezug auf die Mittenachse 11 angeordnet.
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Weiterhin ist eine Linse 3 vorgesehen, die mit einer ersten Seitenfläche 7 wenigstens teilweise in den Abstrahlraum 6 hineinragt. Die erste Seitenfläche 7 ist rotationssymmetrisch zur Mittenachse 11 ausgebildet. Abhängig von der gewählten Ausführungsform bedeckt die erste Seitenfläche 7 der Linse 3 wenigstens 80 %, insbesondere wenigstens 90 % der Öffnungsfläche 12 des Reflektors 2 abdecken. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Linse 3 mit einem Plattenteil 9 verbunden, das auf einer zweiten Seitenfläche 22 des Gehäuses 5 aufliegt. Das Plattenteil 9 stellt wenigstens einen Randbereich der Linse 3 dar, der auf der zweiten Seitenfläche 22 des Gehäuses 5 aufliegt. Somit ist die Öffnungsfläche 12 des Reflektors 2 vollständig mit der Linse 3 und dem Plattenteil 9 abgedeckt. Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann die Linse 3 das Plattenteil 9 umfassen, das heißt einteilig und stoffeinheitlich mit dem Plattenteil 9 ausgebildet sein.
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Abhängig von der gewählten Ausführungsform können die Linse 3 und das Plattenteil 9 auch zweiteilig und aus verschiedenen Materialien ausgebildet sein, wobei die Linse 3 am Plattenteil 9 befestigt ist. Die Linse 3 und das Plattenteil 9 können beispielsweise aus Glas, Silikon und/oder Kunststoff wie zum Beispiel aus Epoxy gebildet sein.
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Die Abstrahlseite 4 kann eine Fläche von z.B. 0,75 x 0,75 mm2 aufweisen. Zudem kann die Öffnungsfläche 12 des Reflektors 2 beispielsweise einen Durchmesser von 3 mm aufweisen. Weiterhin kann das Gehäuse 5 eine Dicke parallel zur Mittenachse 11 im Bereich von 0,5 bis 3 mm aufweisen.
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Durch die kegelförmige Ausbildung der ersten Seitenfläche 7 kann trotz der geringen Bauteilhöhe, das heißt der geringen Höhe des Reflektors 2 parallel zur Mittenachse 11 und der geringen Höhe der Linse 3 parallel zur Mittenachse 11, eine effiziente und präzise Strahlführung der elektromagnetischen Strahlung erreicht werden. Die elektromagnetische Strahlung kann z.B. Infrarotlicht oder sichtbares Licht sein.
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2 zeigt in einer schematischen perspektivischen Darstellung die Linse 3, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einteilig und einstofflich mit dem Plattenteil 9 ausgebildet ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel läuft die erste Seitenfläche 7 kegelförmig in einem Endbereich auf eine Spitze 13 zu. Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann die Linse 3 auf der ersten Seitenfläche 7 geringe Krümmungen oder Krümmungsabschnitte aufweisen.
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3 zeigt in einem schematischen Querschnitt eine weitere Ausführungsform einer Linse 3, bei der die erste Seitenfläche 7 kegelstumpfförmig ausgebildet ist und in einem Endbereich in eine plane Fläche 14 übergeht. Die Fläche 14 ist senkrecht zu einer Mittenachse 11 angeordnet. Die Linse 3 ist rotationssymmetrisch zur Mittenachse 11 ausgebildet. Zudem kann die Linse 3 im Übergangsbereich zwischen der ersten Seitenfläche 7 und der planen Fläche des Plattenteils 9 einen Übergangsbereich 17 aufweisen, der eine andere Neigung gegenüber der Mittenachse als die erste Seitenfläche 7 aufweist. Beispielsweise kann der Übergangsbereich 17 konvex oder konkav gekrümmt sein. Zudem kann der Übergangsbereich 17 parallel zur Mittenachse 11 angeordnet sein und eine Zylinderform aufweisen.
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4 zeigt in einer schematischen Darstellung eine weitere Ausführungsform einer Linse 3, bei der beispielsweise ringförmige Teilabschnitte der ersten Seitenfläche 15, 16 konvex bzw. konkav ausgebildet sind. Bei dieser Ausführungsform ist zwar die optische Güte geringer als bei der Ausführungsform der 1, jedoch wird trotzdem eine effiziente Strahlführung mit dieser Linse erreicht. Auch die Linse 3 der 4 ist rotationssymmetrisch zur Mittenachse 11 ausgebildet. Zudem kann die Linse 3 im Übergangsbereich zwischen der ersten Seitenfläche 7 und der planen Fläche des Plattenteils 9 einen Übergangsbereich 17 aufweisen, der eine andere Neigung gegenüber der Mittenachse als die erste Seitenfläche 7 aufweist. Beispielsweise kann der Übergangsbereich 17 konvex oder konkav gekrümmt sein. Zudem kann der Übergangsbereich 17 parallel zur Mittenachse 11 angeordnet sein und eine Zylinderform aufweisen.
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Die zweite Seitenfläche 8 der Linse 3, die gegenüberliegend zur ersten Seitenfläche 7 angeordnet ist, kann für jede Ausführung der Linse 3 unabhängig von der Form der ersten Seitenfläche 7 verschiedene Formen aufweisen. Beispielsweise kann die zweite Seitenfläche 8 plan, konvex, konkav oder in Form einer Fresnel- bzw. Mikroprismenstruktur ausgebildet sein.
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5 zeigt in einem schematischen Querschnitt ein optoelektronisches Bauelement 10 mit einer Linse 3, bei der die zweite Seitenfläche 8 in einem kreisförmigen Mittenbereich 23 konvex ausgebildet ist und in einem äußeren radialen ringförmigen Randbereich 24 teilkegelförmig ausgebildet ist. Die zweite Seitenfläche 8 kann gemäß der gewünschten Strahlführung ausgebildet sein.
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6 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Blick auf die Öffnungsfläche 12 des Reflektors 2. Zudem ist schematisch eine effektive Fläche 18 der ersten Seitenfläche 7 eingezeichnet, die in die Ebene der Öffnungsfläche 12 projiziert ist. Je mehr Fläche der Öffnungsfläche 12 durch die erste Seitenfläche 7 der Linse 3 bedeckt ist, umso geringer sind die optischen Verluste des optoelektronischen Bauelementes 10. Wie bereits ausgeführt kann die Überdeckung z.B. im Bereich zwischen 80 % oder 90 % oder mehr betragen.
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7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines optoelektronischen Bauelementes 10 mit einem Träger 21, auf dem eine Strahlungsquelle 1 angeordnet ist. Die Strahlungsquelle 1 ist von einem Reflektor 2 umgeben, der auf einer Innenwand eines Gehäuses 5 ausgebildet ist. Auf dem Gehäuse 5 ist eine Linse 3 angeordnet. Der Reflektor 2 weist eine rotationssymmetrische Form in Bezug auf die Mittenachse 11 auf. Zudem weist der Reflektor 2 im Querschnitt durch die Mittenachse 11 einen ersten konkaven Abschnitt 25 und einen zweiten konvexen Abschnitt 26 auf. Der erste konkave Abschnitt 25 geht von einem oberen Randbereich 35 aus und erstreckt sich in Richtung der Strahlungsquelle 1. An einer ringförmigen Umkehrlinie 27, die eine senkrechte Ebene zur Mittenachse 11 definiert, geht der konkave Abschnitt 25 in den konvexen Abschnitt 26 über. Die Umkehrlinie 27 liegt ungefähr in einer Mitte der Höhe des Reflektors 2 bezogen auf die Mittenachse 11. Eine Öffnungsfläche des konvexen Abschnittes 26 verjüngt sich in Richtung auf einen unteren Endbereich 36 auf der Höhe der Strahlungsquelle 1 bis zu einer kleinsten Öffnungsfläche. Somit verjüngt sich die Öffnungsfläche des Reflektors 2 entlang der Mittenachse 11 ausgehend vom oberen Endbereich 35 stetig in Richtung auf den unteren Endbereich 36. Somit weist der Reflektor 2 im Querschnitt im Wesentlichen eine S-Form auf.
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Die Linse 3 weist eine erste Seitenfläche 7 auf, die rotationssymmetrisch zur Mittenachse 11 ausgebildet ist und konisch zulaufend in Richtung auf die Strahlungsquelle 1 ausgebildet ist. Die erste Seitenfläche 7 ist der Strahlungsquelle 1 zugewandt. Auf einer zweiten Seitenfläche 8 der Linse 3, die der ersten Seitenfläche 7 gegenüber liegend angeordnet ist, ist in einem Randbereich 24 eine umlaufende ringförmige Nut 28 eingebracht. Die Nut 28 weist eine Innenfläche 29 und eine Außenfläche 30 auf. Die Innenfläche 29 ist nach innen geneigt und die Außenfläche 30 ist nach außen geneigt bezogen auf die Mittenachse 11 angeordnet. Die Nut 28 ist in dem Ausführungsbeispiel mit Blick von oben auf den Reflektor 2 außerhalb der Öffnungsfläche des Reflektors 2 im oberen Endbereich 35 angeordnet. Wie aus 6 ersichtlich ist, kann aus fertigungsgründen die erste Seitenfläche 7 nicht die gesamte Öffnungsfläche 12 des Reflektors abdecken, sondern nur einen Teilfläche 18. Somit kann elektromagnetische Strahlung zwischen dem Reflektor 2 und der ersten Seitenfläche 7 abgestrahlt werden, ohne auf die erste Seitenfläche 7 der Linse 3 zu treffen. Die Nut 28 und insbesondere die Innenfläche 29 dienen dazu, um diese Strahlung in Richtung auf die Mittenachse 11 abzulenken. Dadurch wird die Strahlung in Richtung auf die gewünschte Abstrahlrichtung erhöht. Abhängig von der gewählten Ausführung kann die Nut 28 auch innerhalb der Öffnungsfläche des Reflektors 2 angeordnet sein.
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Zudem weist die zweite Seitenfläche 8 in der Mitte eine Ausnehmung 31 auf, die rotationssymmetrisch zur Mittenachse 11 ausgebildet ist und eine Teilkugelform und/oder eine konische Form aufweist. Die Linse 3 kann einteilig oder zweiteilig in Form von Platten 32, 33 ausgebildet sein. Die zwei Platten 32, 33 können senkrecht zur Mittenachse 11 angeordnet sein, wobei die erste Platte 32 die erste Seitenfläche 7 und die zweite Platte 33 die zweite Seitenfläche 8 aufweist. Die Nut 28 und die Ausnehmung 31 verbessern die Fokussierung auf die gewünschte Abstrahlrichtung. Abhängig von der gewählten Ausführung kann die Linse 3 nur die Nut 28 oder nur die Ausnehmung 31 aufweisen. Der in 7 dargestellte Reflektor 2 kann auch mit den Linsen der vorhergehenden Figuren kombiniert werden. Zudem kann die in 7 dargestellte Linse 3 auch mit den Reflektoren der vorhergehenden Figuren kombiniert werden.
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8 zeigt eine schematische, perspektivische Draufsicht auf die Anordnung der 7. In der dargestellten Ausführung weist die Linse 3 im Bereich der zweiten Seitenfläche 8 eine quadratische Form auf. Abhängig von der gewählten Ausführung kann die Linse 3 im Bereich der Seitenfläche 8 auch eine kreisrunde Form aufweisen.
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Eine Grundidee der vorliegenden Ausführungsformen des optoelektronischen Bauelementes 10 besteht darin, dass elektromagnetische Strahlung, die direkt auf die erste Seitenfläche 7 der Linse 3 auftrifft, in Richtung der optischen Achse gebrochen und dann durch ein weiteres optisches Element, zum Beispiel eine konvexe zweite Seitenfläche oder eine zweite Linse in einem zweiten Schritt weiter in die optische Achsrichtung gebrochen wird. Zudem wird die von der ersten Seitenfläche 7 der Linse 3 reflektierte elektromagnetische Strahlung nach außen auf den Reflektor 2 reflektiert. Ausgehend vom Reflektor 2 werden die reflektierten Strahlen wieder zurück in Richtung auf die erste Seitenfläche 7 der Linse 3 reflektiert. Die vom Reflektor 2 reflektierte elektromagnetische Strahlung wird durch die Kegelform der ersten Seitenfläche 7 der Linse 3 gleichmäßig zusätzlich in Richtung der optischen Achse gebrochen. Deshalb kann der Reflektor flacher, d.h. in Strahlrichtung kürzer ausgebildet werden. Dadurch wird ein sehr flaches Reflektordesign ermöglicht, das hohe Strahlstärken bzw. eine engwinklige Abstrahlung der elektromagnetischen Strahlung erreicht. Dadurch wird eine verbesserte Effizienz aufgrund der geringeren optischen Verluste erreicht. Zudem wird der Anteil der elektromagnetischen Strahlung, die nicht in die optische Achse abgelenkt wird, reduziert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Strahlungsquelle
- 2
- Reflektor
- 3
- Linse
- 4
- Abstrahlseite
- 5
- Gehäuse
- 6
- Abstrahlraum
- 7
- erste Seitenfläche
- 8
- zweite Seitenfläche
- 9
- Plattenteil
- 10
- Bauelement
- 11
- Mittenachse
- 12
- Öffnungsfläche
- 13
- Spitze
- 14
- plane Fläche
- 15
- erste Ringfläche
- 16
- zweite Ringfläche
- 17
- Übergangsbereich
- 18
- Fläche
- 20
- Innenseite
- 21
- Träger
- 22
- zweite Seitenfläche Gehäuse
- 23
- Mittenbereich
- 24
- Randbereich
- 25
- erster Abschnitt
- 26
- zweiter Abschnitt
- 27
- Umkehrlinie
- 28
- Nut
- 29
- Innenfläche
- 30
- Außenfläche
- 31
- Ausnehmung
- 32
- erste Platte
- 33
- zweite Platte
- 35
- oberer Endbereich
- 36
- unterer Endbereich
