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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausleuchten eines vorgegebenen Flächenbereiches mit einem strahlungsemittierenden optoelektronischen Bauelement und mit einer Fresneloptik gemäß Patentanspruch 1.
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Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2016 123 002.2 , deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
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Im Stand der Technik ist es bekannt, eine Fresneloptik zum Führen einer elektromagnetischen Strahlung zu verwenden. Die verwendeten Fresneloptiken weisen eine Fresnelstruktur mit ringförmigen Stegen und ringförmigen Nuten auf, wobei die Stege und Nuten kreisringförmig und konzentrisch um eine optische Mittenachse angeordnet sind. Ein Steg weist umlaufend um die Mittenachse die gleiche Form auf.
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Aus
DE 10 2014 112 891 A1 und
US 2016/0077244 A1 ist jeweils eine Vorrichtung zum Ausleuchten eines vorgegebenen Flächenbereiches mit einem strahlungsemittierenden optoelektronischen Bauelement und einer Fresneloptik bekannt. Die Fresneloptik weist ringförmige Stege und ringförmige Nuten auf. Die Stege sind als geschlossene Ringe ausgebildet, wobei die Stege und die Nuten eine optische Mittenachse der Fresnelstruktur umgeben. Ein erster Abschnitt eines Steges weist in einem vorgegebenen Winkelbereich in Bezug auf die Mittenachse eine andere Form als ein zweiter Abschnitt des Steges in einem zweiten Winkelbereich auf. Die Stege der Fresnelstruktur weisen im Querschnitt durch eine Ebene der Mittenachse eine Innenfläche und eine Außenfläche auf, wobei die Innenfläche in radialer Richtung der Mittenachse zugewandt ist, und wobei die Außenfläche in radialer Richtung von der Mittenachse abgewandt ist.
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Aus
US 9000378 B2 ist eine optische Sensorvorrichtung bekannt, die eine Linse in Form einer Fresnelstruktur aufweist. Die Linse weist eine Einfallsfläche auf, über die Infrarotlicht über die Linse zu einer Ausgangsseite der Linse geführt wird. Auf der Ausgangsseite der Linse, die dem Sensor zugewandt ist, ist die Fresnelstruktur angeordnet. Die Fresnelstruktur weist geschlossene Ringe auf, die Stege bilden. Ein erster Abschnitt eines Steges weist in einem vorgegebenen Winkelbereich eine andere Form als ein zweiter Abschnitt des Steges in einem zweiten Winkelbereich auf. In den zwei vorgegebenen Winkelbereichen weisen die Außenfläche des Steges unterschiedlichen Neigungswinkel auf.
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Die Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Ausleuchten eines vorgegebenen Flächenbereiches bereitzustellen, die bessere optische Eigenschaften aufweist.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Weitere Ausführungsformen der Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein Vorteil der vorgeschlagenen Vorrichtung besteht darin, dass eine verbesserte Strahlführung erreicht wird, die individuell an eine gewünschte Strahlungsverteilung angepasst ist. Beispielsweise kann ein vorgegebener Flächenbereich, der beispielsweise rechteckförmig oder quadratisch ausgebildet ist, mithilfe der vorgeschlagenen Fresnelstruktur besser ausgeleuchtet werden. Beispielsweise kann mithilfe einer quadratischen Strahlungsfläche ein rechteckförmiger Flächenbereich mit relativ gleichbleibender oder mit einem vorgegebenen Abfall der Beleuchtungsstärke zum Rand hin ausgeleuchtet werden.
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Es wird eine Vorrichtung zum Ausleuchten eines vorgegebenen Flächenbereiches mit einem strahlungsemittierenden optoelektronischen Bauelement und einer Fresneloptik vorgeschlagen, wobei die Fresneloptik eine Fresnelstruktur mit ringförmigen Stegen und ringförmigen Nuten aufweist, wobei die Stege und die Nuten eine optische Mittenachse der Fresnelstruktur umgeben, wobei wenigstens ein erster Abschnitt eines Steges in einem vorgegebenen Winkelbereich in Bezug auf die Mittenachse eine andere Form als ein zweiter Abschnitt des Steges in einem zweiten Winkelbereich aufweist. Die Stege weisen in einer Ausbildung eine ringförmig umlaufende und geschlossene Form auf. In analoger Weise weisen auch die Nuten eine ringförmig umlaufende und geschlossene Form auf.
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Die Stege der Fresnelstruktur weisen im Querschnitt durch eine Ebene der Mittenachse eine Innenfläche und eine Außenfläche auf, wobei die Innenfläche in radialer Richtung der Mittenachse zugewandt ist, wobei die Außenfläche in radialer Richtung von der Mittenachse abgewandt ist, wobei in den zwei vorgegebenen Winkelbereichen in Bezug auf die Mittenachse die Außenfläche des Steges unterschiedliche Winkel in Bezug auf die Mittenachse aufweist. Dadurch kann eine weitere Verbesserung der Strahlführung erreicht werden.
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In einer Ausführung weisen die zwei Abschnitte des Steges bezogen auf die Mittenachse wenigstens zwei verschiedene radiale Abstände zu der Mittenachse und/oder zwei verschiedene Krümmungsradien zu der Mittenachse auf. Dadurch kann eine einfache Form für eine asymmetrische Strahlführung bereitgestellt werden.
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In einer Ausführung weisen wenigstens zwei Abschnitte eines zweiten Steges in wenigstens zwei Winkelbereichen bezogen auf die Mittenachse verschiedene radiale Abstände zu der Mittenachse und/oder zwei verschiedene Krümmungsradien auf. Dadurch kann eine einfache Form für eine asymmetrische Strahlführung bereitgestellt werden.
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In einer Ausführung sind der erste und der zweite Steg in radialer Richtung benachbarte Stege darstellen, wobei die zwei Stege durch eine Nut getrennt. Bei dieser Ausführung kann eine Strahlungslenkung verbessert werden.
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In einer Ausführung weisen zwei Abschnitte eines Steges in zwei Winkelbereichen, die spiegelsymmetrisch zu einer Geraden durch die Mittenachse angeordnet sind, gleich große radiale Abstände zu der Mittenachse und/oder gleich große Krümmungsradien auf. Auf diese Weise wird eine Symmetrie in der Ausleuchtung erreicht. Die zwei Winkelbereiche können beispielsweise 90° umfassen. Die zwei Winkelbereiche können auch 180° umfassen.
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In einer Ausführung ist ein Steg in Bezug auf die radialen Abstände von der Mittenachse und in Bezug auf die Krümmungsradien spiegelsymmetrisch zu einer ersten Geraden ausgebildet, wobei die erste Gerade durch die Mittenachse der Fresnelstruktur geht. Zudem ist der Steg in Bezug auf die radialen Abstände von der Mittenachse und in Bezug auf die Krümmungsradien spiegelsymmetrisch zu einer zweiten Geraden ausgebildet, wobei die zweite Gerade durch die Mittenachse der Fresnelstruktur geht, und wobei die zweite Gerade senkrecht auf der ersten Geraden steht. Auf diese Weise wird eine Symmetrie in der Ausleuchtung erreicht.
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In einer Ausführung sind mehrere Stege in Bezug auf die radialen Abstände von der Mittenachse und in Bezug auf die Krümmungsradien spiegelsymmetrisch zu einer ersten Geraden ausgebildet, wobei die erste Gerade durch die Mittenachse der Fresnelstruktur geht. Zudem sind die Stege in Bezug auf die radialen Abstände von der Mittenachse und in Bezug auf die Krümmungsradien spiegelsymmetrisch zu einer zweiten Geraden ausgebildet, wobei die zweite Gerade durch die Mittenachse der Fresnelstruktur geht, und wobei die zweite Gerade senkrecht auf der ersten Geraden steht. Auf diese Weise wird eine verbesserte Symmetrie in der Ausleuchtung erreicht.
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In einer Ausführung sind zwischen den Winkelbereichen und den weiteren Winkelbereichen Übergangswinkelbereiche vorgesehen, wobei in den Übergangswinkelbereichen die unterschiedlichen radialen Abstände und Krümmungsradien der Abschnitte des einen Steges ineinander übergehen, insbesondere kontinuierlich ineinander übergehen. Durch die Übergangswinkelbereich wird eine gleichmäßigere Strahlungsführung erreicht.
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In einer Ausführung weisen die Stege der Fresnelstruktur im Querschnitt durch eine Ebene der Mittenachse eine Innenfläche und eine Außenfläche auf, wobei die Innenfläche in radialer Richtung der Mittenachse zugewandt ist, wobei die Außenfläche in radialer Richtung von der Mittenachse abgewandt ist, wobei in einem vorgegebenen Winkelbereich in Bezug auf die Mittenachse die Außenflächen von wenigstens zwei Stegen unterschiedliche Winkel in Bezug auf die Mittenachse aufweisen, wobei ein in radialer Richtung weiter von der Mittenachse entfernter Steg eine Außenfläche mit einem größeren Winkel im Vergleich zu einer Außenfläche eines weiteren Steges aufweist, wobei der weitere Steg in radialer Richtung näher an der Mittenachse angeordnet ist. Dadurch wird eine verbesserte Strahlführung erreicht.
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In einer Ausführung weisen die Außenflächen von zwei Abschnitten eines Steges in zwei Winkelbereichen, die spiegelsymmetrisch zu einer Geraden durch die Mittenachse angeordnet sind, gleich große Winkel in Bezug zur Mittenachse auf. Dadurch kann eine symmetrische Strahlungsverteilung unterstützt werden. Die zwei Winkelbereiche können beispielsweise 90° umfassen. Die zwei Winkelbereiche können auch 180° umfassen.
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In einer Ausführung weisen die Außenflächen von zwei weiteren Abschnitten des Steges in zwei weiteren Winkelbereichen, die spiegelsymmetrisch zu der Mittenachse angeordnet sind, gleich große Winkel zu der Mittenachse auf. Die zwei Winkelbereiche können beispielsweise 90° umfassen. Die zwei Winkelbereiche können auch 180° umfassen.
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In einer Ausführung ist ein Steg in Bezug auf die Winkel der Außenflächen spiegelsymmetrisch zu einer ersten Geraden ausgebildet, wobei die erste Gerade durch die Mittenachse der Fresnelstruktur geht. Zudem ist der Steg in Bezug auf die Winkel der Außenflächen spiegelsymmetrisch zu einer zweiten Geraden ausgebildet, wobei die zweite Gerade durch die Mittenachse der Fresnelstruktur geht, und wobei die zweite Gerade senkrecht auf der ersten Geraden steht. Auf diese Weise wird eine Symmetrie in der Ausleuchtung erreicht.
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In einer Ausführung sind mehrere Stege in Bezug auf die Winkel der Außenflächen spiegelsymmetrisch zu einer ersten Geraden ausgebildet, wobei die erste Gerade durch die Mittenachse der Fresnelstruktur geht. Zudem sind die Stege in Bezug auf die Winkel der Außenflächen spiegelsymmetrisch zu einer zweiten Geraden ausgebildet, wobei die zweite Gerade durch die Mittenachse der Fresnelstruktur geht, und wobei die zweite Gerade senkrecht auf der ersten Geraden steht. Auf diese Weise wird eine verbesserte Symmetrie in der Ausleuchtung erreicht.
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In einer Ausführung sind zwischen den Winkelbereichen und den weiteren Winkelbereichen Übergangswinkelbereiche vorgesehen, wobei in den Übergangswinkelbereichen die unterschiedlichen Winkel der Außenflächen der Abschnitte des einen Steges ineinander übergehen. Auf diese Weise wird eine verbesserte Lichtverteilung erreicht.
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In einer Ausführung weisen die Stege obere Endflächen auf, wobei die Endflächen der Stege eine Höhenposition gegenüber einer Vergleichsebene aufweisen, wobei die Vergleichsebene senkrecht zu der Mittenachse angeordnet ist, wobei wenigstens die Endflächen von zwei Stegen unterschiedliche Höhenpositionen gegenüber der Vergleichsebene aufweisen. Auch dadurch wird eine positive Beeinflussung der Strahlungsführung erreicht.
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In einer Ausführung folgen die Höhenunterschiede der Endflächen der Stege beginnend mit einem ersten innersten Steg bis zu einer vorgegebenen Anzahl von äußeren Stegen einer parabolischen Funktion mit einem lokalen Minimum.
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In einer Ausführung weisen die Stege Endflächen auf, wobei die Endflächen der Stege in einem Querschnitt durch die Mittenachse Rundungsradien aufweisen, wobei wenigstens die Rundungsradien von Endflächen von zwei Stegen unterschiedlich sind.
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In einer Ausführung sind wenigstens ein Steg, insbesondere wenigstens zwei Stege weder kreisförmig noch elliptisch um die Mittenachse angeordnet.
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In einer Ausführung weist die Außenfläche eines Steges einen Winkel in Bezug auf die optische Mittenachse auf, der einen größten Wert im Bereich der ersten Hauptachse aufweist. Der Winkel nimmt mit dem polaren Winkel in Richtung auf die zweite Hauptachse ab. Dabei kann der Winkel nach Überschreiten eines vorgegebenen polaren Winkels von z.B. 60° wieder bis zur zweiten Hauptachse zunehmen. Insbesondere kann die Abnahme des Winkels der Außenfläche und die Zunahme des Winkels der Außenfläche stetig ausgebildet sein. Abhängig von der gewählten Ausführung können mehrere Stege entsprechende Außenflächen mit entsprechenden Winkeln aufweisen. Zudem können die Winkel der Außenflächen der Stege voneinander variieren. Die Winkel der Außenflächen der Stege können spiegelsymmetrisch zu der ersten Hauptachse und/oder zu der zweiten Hauptachse ausgebildet sein.
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In einer Ausführung weisen zwei benachbarte Stege der Fresnelstruktur einen radialen Abstand voneinander auf, der mit einem polaren Winkel um die Mittenachse der Fresnelstruktur variiert. Der Abstand der zwei benachbarten Stege kann im Bereich der ersten Hauptachse einen größten Wert aufweisen, wobei der Abstand entlang eines polaren Winkels um die Mittenachse der Fresnelstruktur in Richtung auf die zweite Hauptachse abnimmt, insbesondere stetig abnimmt. Abhängig von der gewählten Ausführung kann der Abstand der zwei Stege bei einem vorgegebenen polaren Winkel von z.B. 80° einen minimalen Wert aufweisen und anschließend wieder in Richtung auf den polaren Winkel von 90° ansteigen, insbesondere kontinuierlich ansteigen. Abhängig von der gewählten Ausführung können wenigstens drei oder mehr Stege entsprechende radiale Abstände von benachbarten Stegen aufweisen.
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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, wobei
- 1 eine schematische Darstellung einer Leuchtdiode und eines vorgegebenen Flächenbereiches,
- 2 eine perspektivische Darstellung einer Fresneloptik mit Blick auf eine Fresnelstruktur,
- 3 einen Teilausschnitt der Fresneloptik der 2,
- 4 ein Diagramm, in dem die radialen Abstände der Stege der Fresnelstrukturen in horizontaler und in diagonaler Richtung aufgetragen sind,
- 5 eine Draufsicht auf einen Teilausschitt der Fresnelstruktur der 1 mit Angabe der Abstände der Stege von der Mittenachse in vertikaler Richtung,
- 6 ein Diagramm für vertikale Abstände der Stege der Fresnelstruktur von der Mittenachse,
- 7 eine Draufsicht auf einen Teilausschnitt der Fresnelstruktur mit Angabe der Abstände in horizontaler Richtung,
- 8 ein Diagramm mit Angabe der Abstände der Stege der Fresnelstrukturen in horizontaler Richtung,
- 9 eine Draufsicht auf einen Teilausschnitt der Fresnelstruktur der 1 mit Angabe von diagonalen Abständen von Stegen von der Mittenachse,
- 10 ein Diagramm mit Angabe von Abständen der Stege von der Mittenachse in diagonaler Richtung,
- 11 ein Diagramm mit einer Angabe eines diagonalen Achsenwinkels für eine Winkellage der diagonalen Achsen,
- 12 einen Teilquerschnitt durch die Fresneloptik der 1 und einem vergrößerten Ausschnitt,
- 13 ein Diagramm mit der Angabe der Winkel der Außenflächen für die Stege der Fresnelstruktur in vertikaler Richtung,
- 14 ein Diagramm mit der Angabe der Winkel der Außenflächen für die Stege der Fresnelstruktur in horizontaler Richtung,
- 15 ein Diagramm mit der Angabe der Winkel der Außenflächen für die Stege der Fresnelstruktur in diagonaler Richtung,
- 16 ein Diagramm für eine Änderung des Winkels der Außenfläche der Stege für die Stege,
- 17 einen Teilquerschnitt durch die Fresnelstruktur der 1,
- 18 ein Diagramm mit Angabe von Höhendifferenzen der Endflächen der Stege der 17,
- 19 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung mit einer Leuchtdiode und einer Fresneloptik,
- 20 eine Draufsicht auf eine Abstrahlseite der Vorrichtung der 19,
- 21 eine schematische Darstellung eines Ausschnittes einer Fresneloptik,
- 22 eine schematische Darstellung einer Fresneloptik,
- 23 eine polare Variation des Außenwinkels eines Steges,
- 24 eine schematische Darstellung einer Fresneloptik, und
- 25 eine polare Variation des Abstandes zwischen zwei benachbarten Stegen zeigt.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein strahlungsemittierenden optoelektronischen Bauelement in Form einer Leuchtdiode 1 mit einer Fresneloptik 2 und einem vorgegebenen Flächenbereich 3, der von der Leuchtdiode 1 bestrahlt werden soll. Das strahlungsemittierende optoelektronische Bauelement kann auch in anderen Formen ausgebildet sein. Beispielsweise kann das strahlungsemittierende optoelektronische Bauelement als strahlungsemittierender Halbleiterchip, insbesondere als Halbleiterdiode, insbesondere als Laserdiode ausgebildet sein. Im Folgenden wird die Erfindung am Beispiel der Leuchtdiode 1 erläutert, wobei jedoch die Fresneloptik auch für jede andere Art des strahlungsemittierenden optoelektronischen Bauelementes eingesetzt werden kann, um einen gewünschten Flächenbereich auszuleuchten.
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Der Flächenbereich 3 stellt in der gewählten Ausführung einen planaren Zielbereich dar, der von der Leuchtdiode 1 gleichmäßig ausgeleuchtet werden soll. Die Leuchtdiode 1 kann beispielsweise in Form einer Leuchtdiode oder Laserdiode ausgebildet sein. Die Leuchtdiode 1 weist eine quadratische Abstrahlfläche auf. Der dargestellte Flächenbereich 3 ist als rechteckförmiger Flächenbereich ausgebildet, der in einer x-Achse eine größere Erstreckung aufweist als in einer y-Achse. Die Leuchtdiode 1 erzeugt eine elektromagnetische Strahlung, insbesondere sichtbares oder nicht sichtbares Licht, das von der Fresneloptik 2 auf den Flächenbereich 3 gelenkt wird. Nach der Fresneloptik 2 weist die Lichtstrahlung 4 einen Strahlungsbereich 5 auf, der entlang der y-Achse einen ersten Abstrahlwinkelbereich 6 und entlang der x-Achse einen zweiten Abstrahlwinkelbereich 7 umfasst. Der erste und der zweite Abstrahlwinkelbereich 6,7 stellen einen Strahlungskegel dar. Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann der Flächenbereich 3 auch quadratisch sein oder eine andere Form aufweisen. Die Abstrahlwinkelbereiche 6,7 können zwischen 1° und 180°, insbesondere zwischen 70° und 150° liegen.
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2 zeigt eine perspektivische Darstellung der Fresneloptik 2 mit Blick auf eine Fresnelstruktur 8. Die Fresnelstruktur 8 weist einen Mittenbereich 9 auf, in dem eine optische Mittenachse 10 angeordnet ist, die eine optische Achse der Fresnelstruktur darstellt. Die Fresnelstruktur 8 ist in einer x-y-Ebene angeordnet. Die optische Achse 10 steht senkrecht auf der x-y-Ebene im Mittenbereich 9. Die Fläche der Fresnelstruktur 8 kann mit einer gedachten ersten Hauptachse 11 und einer senkrecht dazu stehenden gedachten zweiten Hauptachse 12 unterteilt werden. Die erste und die zweite Hauptachse 11, 12 schneiden sich in der optischen Achse 10 im Mittenbereich 9. Zudem ist zwischen der ersten und der zweiten Hauptachse 11, 12 eine gedachte erste diagonale Achse 13 dargestellt. Weiterhin ist senkrecht zur ersten diagonalen Achse 13 eine zweite diagonale Achse 14 vorgesehen.
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Die Fresnelstruktur 8 weist Stege 15 und Nuten 16 auf, die ringförmig umlaufend um den Mittenbereich 9 angeordnet sind. Zwischen dem Mittenbereich 9 und einem ersten Steg 15 ist eine erste Nut 16 vorgesehen. Zwischen zwei Stegen ist jeweils in radialer Richtung nach außen gehend jeweils eine Nut 16 angeordnet. Die Stege und Nuten sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel nicht ringförmig um den Mittenbereich 9 angeordnet, sondern sind nicht kreisförmig ausgebildet und weisen eine nicht rotationssymmetrische Form auf. Weiterhin ist ein erster Winkelbereich 71 und ein zweiter Winkelbereich 72 dargestellt, die symmetrisch zur zweiten Hauptachse 12 angeordnet sind. Zudem ist ein dritter und ein vierter Winkelbereich 73, 74 dargestellt, die symmetrisch zur ersten Hauptachse 11 angeordnet sind.
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Die Fresnelstruktur 8 der Fresneloptik 2 ist in der Weise ausgebildet, dass eine TIR-Fresnellinse gebildet ist. Im montierten Zustand ist die dargestellte Fresnelstruktur 8 der Leuchtdiode 1 zugewandt. Eine gegenüberliegende zweite Seite der Fresneloptik 2 kann als planare Fläche ausgebildet sein, die senkrecht zur optischen Achse 10 angeordnet ist. Die Fresneloptik 2 kann aus einem Material gebildet sein, das optisch einen höheren Brechungsindex als Luft aufweist. Beispielsweise kann die Fresneloptik 2 aus Glas, Kunststoff oder Epoxidharz gebildet sein.
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3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Fresnelstruktur 8 der Fresneloptik 2 der 2, wobei der Mittenbereich 9 als plane, insbesondere ringförmige Fläche ausgebildet ist. Der Mittenbereich 9 ist von einer ersten Nut 16 umgeben. In radialer Richtung nach außen gehend folgt ein erster Steg 15. In radialer Richtung nach außen gehend vom Steg 15 sind beabstandet über Nuten 16, 20, 21, 22 jeweils ein zweiter Steg 17, ein dritter Steg 18 und ein vierter Steg 19 usw. angeordnet. Für eine übersichtliche Darstellung sind nicht alle Stege und Nuten mit Bezugszeichen versehen.
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Die Stege 15, 17, 18, 19 und die Nuten 16, 20, 21, 22 sind nicht kreisringförmig und nicht rotationssymmetrisch um die optische Achse 10 angeordnet, sondern weisen in einer Ausführungsform abhängig von einer Winkelposition in der x-y-Ebene in Bezug auf die optische Achse 10 unterschiedliche radiale Abstände zur optischen Achse 10 auf. Auf diese Weise weist wenigstens ein erster Abschnitt eines Steges in einem vorgegebenen Winkelbereich um die Mittenachse 10 eine andere Form, d.h. insbesondere eine andere Krümmung in der x-y-Ebene als ein zweiter Abschnitt des gleichen Steges in einem zweiten Winkelbereich auf. Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann der erste Steg 15, der benachbart zum Mittenbereich 9 angeordnet ist, auch ringförmig ausgebildet sein.
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Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann jedoch auch bereits der erste Steg 15 eine nicht kreisringförmige Form aufweisen, sondern in einer horizontalen Richtung, das heißt in Richtung der zweiten Hauptachse 12 einen kleineren Abstand als in Richtung der ersten Hauptachse 11 von der optischen Achse 10 aufweisen. Zudem kann der erste Steg 15 in einer diagonalen Richtung, das heißt in der Richtung der ersten diagonalen Achse 13 oder der zweiten diagonalen Achse 14 ebenfalls einen radialen Abstand zur optischen Achse 10 aufweisen, der kleiner ist als in Richtung der ersten Hauptachse 11.
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Zudem kann abhängig von der gewählten Ausführungsform der radiale Abstand des ersten Steges 15 von der optischen Achse 10 in horizontaler Richtung kleiner sein als in diagonaler Richtung.
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Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann jeder Steg 15, 17, 18, 19 eine nicht kreisringförmige Form aufweisen, sondern in wenigstens einer Winkelrichtung einen kleineren oder größeren Abstand von der diagonalen Achse als in einer anderen Winkelrichtung aufweisen. Beispielsweise kann jeder Steg in einer horizontalen Richtung, das heißt in Richtung der zweiten Hauptachse 12 einen kleineren Abstand als in Richtung der ersten Hauptachse 11 von der optischen Achse 10 aufweisen. Beispielsweise können die Stege 15, 17, 18, 19 in einer diagonalen Richtung, das heißt in der Richtung der ersten diagonalen Achse 13 oder der zweiten diagonalen Achse 14 einen radialen Abstand zur optischen Achse 10 aufweisen, der kleiner ist als in Richtung der ersten Hauptachse 11.
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Zudem können abhängig von der gewählten Ausführungsform die radialen Abstände der Stege von der optischen Achse 10 in horizontaler Richtung kleiner sein als in diagonaler Richtung.
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In analoger Weise können sich auch die Abstände der Nuten 16, 20, 21, 22, die zwischen den Stegen 15, 17, 18, 19 angeordnet sind, verhalten. Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann jede Nut eine nicht kreisringförmige Form aufweisen, sondern in wenigstens einer Winkelrichtung einen kleineren oder größeren Abstand von der diagonalen Achse als in einer anderen Winkelrichtung aufweisen. Beispielsweise kann jede Nut in einer horizontalen Richtung, das heißt in Richtung der zweiten Hauptachse 12 einen kleineren Abstand als in Richtung der ersten Hauptachse 11 von der optischen Achse 10 aufweisen. Beispielsweise können die Nuten in einer diagonalen Richtung, das heißt in der Richtung der ersten diagonalen Achse 13 oder der zweiten diagonalen Achse 14 einen radialen Abstand zur optischen Achse 10 aufweisen, der kleiner ist als in Richtung der ersten Hauptachse 11.
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Zudem können abhängig von der gewählten Ausführungsform die radialen Abstände der Nuten von der optischen Achse 10 in horizontaler Richtung kleiner sein als in diagonaler Richtung.
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Wenigstens zwei Abschnitte des Steges weisen bezogen auf die Mittenachse wenigstens zwei verschiedene radiale Abstände zu der Mittenachse und damit auch verschiedene Krümmungsradien auf. Der Krümmungsradius wird durch die Krümmung des Steges in einer Ebene senkrecht zur Mittenachse 10 und ausgehend von der Mittenachse 10 festgelegt. Die Mittenachse 10 bildet einen Krümmungsmittelpunkt einer Krümmungslinie des Steges, die in einer Ebene senkrecht zur Mittenachse 10 angeordnet ist. Der Krümmungsradius des oder der Stege kann sich abschnittsweise oder stufenlos entlang eines polaren Winkels um die Mittenachse 10 der Fresnelstruktur ändern. Die Krümmung des oder der Stege kann entlang eines polaren Winkels um die Mittenachse verschiedene Formen aufweisen, insbesondere teilkreisförmig, teilellipsenförmig oder eine beliebige Freiform aufweisen.
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Wenigstens zwei Abschnitte eines Steges sind in zwei Winkelbereichen spiegelsymmetrisch zu der Mittenachse angeordnet und weisen gleich große radiale Abstände zu der Mittenachse und gleich große Krümmungsradien auf. Die zwei Winkelbereiche können beispielsweise 90° umfassen. Die zwei Winkelbereiche können auch 180° umfassen.
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In einer Ausführung sind zwei Abschnitte eines Steges in Bezug auf die radialen Abstände von der Mittenachse und in Bezug auf die Krümmungsradien spiegelsymmetrisch zu einer Geraden ausgebildet, wobei die Gerade durch die Mittenachse der Fresnelstruktur geht. Insbesondere erstecken sich die zwei Abschnitte des Steges über 180°.
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In einer Ausführung ist ein Steg in Bezug auf die radialen Abstände von der Mittenachse und in Bezug auf die Krümmungsradien spiegelsymmetrisch zu einer ersten Geraden ausgebildet, wobei die erste Gerade z.B. die erste Hauptachse 11 darstellt. Zudem ist der Steg in Bezug auf die radialen Abstände von der Mittenachse und in Bezug auf die Krümmungsradien spiegelsymmetrisch zu einer zweiten Geraden ausgebildet, wobei die zweite Gerade z.B. die zweite Hauptachse 11 darstellt.
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In einer Ausführung sind mehrere Stege in Bezug auf die radialen Abstände von der Mittenachse und in Bezug auf die Krümmungsradien spiegelsymmetrisch zu der ersten Hauptachse 11 ausgebildet. Zudem sind die Stege in Bezug auf die radialen Abstände von der Mittenachse und in Bezug auf die Krümmungsradien spiegelsymmetrisch zu der zweiten Hauptachse 12 ausgebildet.
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4 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Diagramm, bei dem die diagonalen Abstände und die horizontalen Abstände der Stege in Abhängigkeit von den vertikalen Abständen angegeben sind. Auf der x-Achse sind die Stege mit der Positionsnummer 1 bis 11 bezeichnet, wobei mit der Nummer 1 der innerste Steg und mit der Nummer 11 der äußerste Steg bezeichnet ist. Auf der y-Achse sind die Abstände abhängig von einem vertikalen Abstand des jeweiligen Steges angegeben.
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In einer ersten Punktlinie 23 sind die horizontalen Abstände der Stege von der optischen Achse 10 dargestellt, wobei für jeden Steg ein Wert angegeben ist. In einer zweiten Punktlinie 24 sind die diagonalen Abstände der Stege von der optischen Achse 10 dargestellt, wobei für jeden Steg ein Wert angegeben ist.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind der Abstand in diagonaler Richtung und in horizontaler Richtung für den ersten Steg gleich groß. Die radialen Abstände betragen dabei einen Wert von 0,77 des vertikalen Abstandes des ersten Steges in der ersten Hauptachse 11. Die erste Punktlinie 23 zeigt, dass der Abstand in horizontaler Richtung nach außen hin, das heißt mit Zunahme der Positionsnummer des Steges, annähernd linear ansteigt. Die zweite Punktlinie 24 zeigt, dass der Abstand in diagonaler Richtung nach außen mit Zunahme der Position des Steges vom ersten auf den zweiten Steg stärker ansteigt als für die weiteren Stege. Zudem sind die Abstände der Stege in der diagonaler Richtung, das heißt in Richtung der ersten und der zweiten diagonalen Achse 13, 14, größer als für die Abstände in horizontaler Richtung, das heißt in Richtung der zweiten Hauptachse 12 für Stege mit einer Position 2 oder größer. Die dargestellten Punktlinien 23, 24 stellen Mittelwerte für einen Bandbereich dar, den die Stege einnehmen können. Beispielsweise beträgt der Bandbereich +-10 % der dargestellten Werte.
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5 zeigt einen Ausschnitt einer Draufsicht auf die Fresnelstruktur 8 mit Angabe verschiedener vertikaler Abstände der Stege 15, 17, 18, 19. Die vertikale Richtung entspricht der ersten Hauptachse 11. Ein erster Steg 15 weist einen ersten Abstand 26, ein zweiter Steg 17 weist einen zweiten Abstand 27 von der optischen Achse 10 auf.
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6 zeigt ein Diagramm, bei dem die vertikalen Abstände der Stege von der optischen Achse in Abhängigkeit von einer Breite einer Abstrahlfläche der Leuchtdiode angegeben sind. Auf der x-Achse sind die Stege mit der Positionsnummer 1 bis 11 bezeichnet, wobei mit der Nummer 1 der innerste Steg und mit der Nummer 11 der äußerste Steg bezeichnet ist. Auf der y-Achse sind als Einheit Breiten einer Abstrahlfläche der Leuchtdiode angegeben. Eine dritte Punktlinie 28 stellt für die Stege die Abstände entlang der ersten Hauptachse 11 dar. Die dritte Punktlinie 28 stellt im Wesentlichen eine Gerade dar. Somit nimmt der Abstand der Stege entlang der ersten Hauptachse 11 kontinuierlich jeweils im Wesentlichen mit dem gleichen Wert nach außen von Steg zu Steg zu. Abhängig von der gewählten Ausführungsform können die Stege auch vertikale Abstände aufweisen, die im Bereich von +-10 % der dargestellten Werte liegen, wie mithilfe von Hilfslinien 36, 37 dargestellt ist. Der erste Steg 15 kann einen Abstand von 0,300 einer Breite einer Abstrahlfläche einer Leuchtdiode aufweisen. Der zweite Steg 17 kann einen Abstand von 0,5 mal der Breite der Abstrahlfläche der Leuchtdiode aufweisen. Der Abstand der Stege von der optischen Achse 10 wird beispielsweise durch die Positionen von oberen Endflächen der Stege festgelegt. Die obere Endfläche des Steges legt die höchste Position des Steges fest. Die Endfläche kann abgerundet mit einem Rundungsradius oder als Kante ausgebildet sein.
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7 zeigt einen Teilausschnitt der Fresnelstruktur 8, wobei horizontale Abstände des ersten und des zweiten Steges von der optischen Achse 10 eingezeichnet sind. Die Endfläche 25 des ersten Steges 15 weist einen ersten horizontalen Abstand 29 zur optischen Achse 10 auf. Die Endfläche 25 des zweiten Steges 17 weist einen zweiten horizontalen Abstand 30 von der optischen Achse 10 auf.
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8 zeigt in einem Diagramm eine vierte Punktlinie 31 für die horizontalen Abstände der Stege. Auf der x-Achse sind die Stege mit der Positionsnummer 1 bis 11 bezeichnet, wobei mit der Nummer 1 der innerste Steg und mit der Nummer 11 der äußerste Steg bezeichnet ist. Auf der y-Achse sind als Einheit Breiten einer Abstrahlfläche einer Leuchtdiode, insbesondere abhängig von einer Breite einer Leuchtdiode angegeben. Der erste Steg 15 weist beispielsweise einen Abstand von 0,25 der Breite der Abstrahlfläche der Leuchtdiode zur optischen Achse 10 auf. Der zweite Steg 17 weist beispielsweise einen Abstand von 0,4 mal der Breite der Abstrahlfläche der Leuchtdiode zur optischen Achse 10 auf.
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In horizontaler Richtung kann beispielsweise der erste Steg einen Abstand von 0,24 mal der Breite der Abstrahlfläche der Leuchtdiode zur optischen Achse 10 aufweisen. Zudem kann sich in horizontaler Richtung der Abstand der Stege von Steg zu Steg nach außen jeweils um den Wert von 0,18 mal der der Breite der Abstrahlfläche der Leuchtdiode ändern. Weiterhin können die Abstände in horizontaler Richtung auch in einem Bereich von +-10 % um die dargestellten Werte variieren, wie die dargestellten Hilfslinien 36, 37 andeuten.
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Abhängig von der gewählten Ausführungsform können sich die horizontalen Abstände der Stege in einem Bereich zwischen 0,2 mal der Breite der Abstrahlfläche der Leuchtdiode und bis zu 2 mal der Breite der Abstrahlfläche der Leuchtdiode bewegen.
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Es können folgende Größenverhältnisse vorliegen: eine Leuchtdiode kann beispielsweise eine Abstrahlfläche mit einer Breite von 1 mm aufweisen. Die Leuchtdiode kann in Form eines Halbleiterchips realisiert sein. Die Leuchtdiode kann eine quadratische oder rechteckige Abstrahlfläche aufweisen. Beispielsweise kann der erste Steg 15 in vertikaler Richtung, das heißt entlang der Hauptachse 11 einen Abstand von 0,31 mal der Breite der Abstrahlfläche der Leuchtdiode aufweisen. Zudem kann in vertikaler Richtung der Abstand der Stege von Steg zu Steg jeweils um einen Wert von 0,22 mal der Breite der Abstrahlfläche der Leuchtdiode zunehmen. Weiterhin können abhängig von der gewählten Ausführungsform die Abstände der Stege jeweils um +-10 % von den dargestellten Werten abweichen. Insgesamt können sich die vertikalen Abstände der Stege in einer Bandbreite von 0,3 bis 2,3 mal der Breite der Abstrahlfläche der Leuchtdiode bewegen.
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9 zeigt einen Teilausschnitt der Fresnelstruktur 8 der Fresneloptik 2, wobei diagonale Abstände 32, 33 für den ersten Steg 15 und den zweiten Steg 17 entlang der ersten diagonalen Achse 13 eingezeichnet sind. Zudem ist ein Achsenwinkel 34 dargestellt, der beispielsweise bei 45° liegt. Der Achsenwinkel 34 gibt die Winkelposition der ersten oder der zweiten diagonalen Achse 13, 14, in Bezug auf die horizontale Achse, d.h. die zweite Hauptachse 12 an.
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10 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Diagramm, bei dem eine fünfte Punktlinie 35 die diagonalen Abstände der Stege in Abhängigkeit von einem Anteil einer Breite der Abstrahlfläche der Leuchtdiode angegeben sind. Auf der x-Achse sind die Stege mit der Positionsnummer 1 bis 11 bezeichnet. Auf der y-Achse sind als Einheit Breiten der Abstrahlfläche der Leuchtdiode angegeben. Die einzelnen Abstände sind in Form der fünften Punktlinie 35 miteinander verbunden. Abhängig von der gewählten Ausführungsform können die diagonalen Abstände auch in einem Bereich von +-10 % von den angegeben Werten abweichen. Diese Abweichungen sind schematisch durch eine obere Hilfslinie und eine untere Hilfslinie 36, 37 dargestellt. Beispielsweise weist der erste Steg 15 einen ersten diagonalen Abstand 32 auf, der im Bereich von 0,24 mal der Breite der Abstrahlfläche der Leuchtdiode liegt. Der zweite Steg 17 weist beispielsweise einen zweiten diagonalen Abstand 33 auf, der im Bereich von 0,44 mal der Breite der Abstrahlfläche der Leuchtdiode liegt. Abhängig von der gewählten Ausführungsform können sich die diagonalen Abstände in einer Bandbreite zwischen 0,2 bis 2,3 mal der Breite der Abstrahlfläche der Leuchtdiode bewegen.
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Die Breite der Abstrahlfläche kann bei allen beschriebenen Ausführungsbeispielen durch die Breite eines lichtemittierenden Halbleiterchips, insbesondere eine Breite einer Abstrahlfläche einer Leuchtdiode festgelegt werden.
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11 zeigt in einer schematischen Darstellung für die Fresnelstruktur der Fresneloptik mögliche Achswinkel 34 für die diagonalen Achsen 13,14 für die einzelnen Stege. Auf der x-Achse sind die Stege mit der Angabe der Position von 1 bis 11 dargestellt. Die erste Position entspricht dem ersten Steg und die elfte Position entspricht dem elften Steg ausgehend von der optischen Achse 10 in radialer Richtung nach außen. Auf der y-Achse ist als Einheit ein Abstrahlwinkel der Leuchtdiode in einer x- oder y-Ebene angegeben. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann sich der Achsenwinkel 34 für die erste und die zweite diagonale Achse 13, 14 im Bereich zwischen 0,5 und 0,75 des maximalen Abstrahlwinkels in horizontaler Richtung, d.h. in der x-Ebene erstrecken. In dem Diagramm ist ein mittlerer Achsenwinkel 38 von 0,62 mal dem horizontalen Abstrahlwinkel der Leuchtdiode angegeben. Der mittlere Achsenwinkel 38 ist in dem ausgeführten Beispiel in einer Ausführungsform für alle Stege gleich groß. Zudem ist ein oberer Achsenwinkel 39 angegeben, der im Bereich von 0,75 mal dem diagonalen Abstrahlwinkel ist. Der obere Achsenwinkel 39 kann in einer Ausführungsform für alle Stege gleich groß sein. Zudem ist ein unterer Achswinkel 40 im Bereich von 0,5 mal dem diagonalen Abstrahlwinkel der Leuchtdiode angegeben. Der untere Achsenwinkel 40 kann für alle Stege gleich groß sein. Abhängig von der gewählten Ausführungsform können die diagonalen Achsenwinkel für die einzelnen Stege in dem beschriebenen Bereich zwischen dem mittleren Achsenwinkel und dem unteren Achsenwinkel variieren.
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12 zeigt einen Teilquerschnitt durch die Fresnelstruktur 8 der Fresneloptik 2. In der dargestellten Ausführungsform ist eine Leuchtdiode 1 dargestellt, die elektromagnetische Strahlung 4 auf die Fresnelstruktur 8 der Fresneloptik 2 abgibt. Abhängig von dem Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung 4 wird die elektromagnetische Strahlung 4 auf unterschiedliche Weisen an der Fresnelstruktur 8 der Fresneloptik 2 gebrochen bzw. reflektiert. Bei der Reflexion sind insbesondere Außenflächen 41 der Stege 15, 17, 18, 19 von Bedeutung. Die Ausrichtung der Außenflächen 41 in Bezug auf die Mittenachse 10 geben die Abstrahlrichtung der elektromagnetischen Strahlung 4 beim Verlassen der zweiten Seite 42 der Fresneloptik 2 vor.
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In einem vergrößerten Teilausschnitt 44 der Fresneloptik 2 ist ein Querschnitt eines weiteren Steges 43 dargestellt. Der weitere Steg 43 weist eine Außenfläche 41 auf, die in radialer Richtung gesehen von der optischen Achse 10 abgewandt ist. Die Außenfläche 41 bildet gleichzeitig die Nut zwischen dem weiteren Steg 43 und einem in radialer Richtung gesehen, weiter außen liegenden zusätzlichen Steg 45. Jeder der Stege weist eine Außenfläche 41 auf. Die Außenfläche 41 weist einen Außenwinkel 46, d.h. einen Winkel gegenüber einer Hilfsachse 47 auf, die parallel zur optischen Achse 10 angeordnet ist. Abhängig von der gewählten Ausführungsform können die Außenflächen 41 der Stege unterschiedliche Außenwinkel 46 in Bezug auf die optische Achse 10 aufweisen. Zudem kann abhängig von der gewählten Ausführungsform die Außenfläche eines Steges abhängig von der Winkelposition entlang eines polaren Winkels um die optische Achse 10, d.h. die Mittenachse unterschiedliche Außenwinkel 46 in Bezug auf die optische Achse 10 aufweisen.
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13 zeigt in einem Diagramm Werte für die Außenwinkel 46 der Außenflächen 41 der Stege der Fresnelstruktur 8 in vertikaler Richtung, d.h. in Richtung der ersten Hauptachse 11. Dabei sind auf der x-Achse die Stege mit Angabe der radialen Positionsnummer dargestellt. Mit der Nr. 1 ist der radial innerste Steg und mit der Nr. 11 der radial äußerste Steg bezeichnet. Entlang der y-Achse als Einheit ein vertikaler Abstrahlwinkel der Leuchtdiode 1 in der Ebene der ersten Hauptachse 11 angegeben. Eine untere Achswinkelkurve 48 gibt die Achswinkel für die Stege einer ersten Ausführungsform an. Eine mittlere Achswinkelkurve 49 gibt die Achswinkel der Stege für eine zweite Ausführungsform an. Eine obere Achswinkelkurve 50 gibt die Achswinkel für die Stege einer dritten Ausführungsform an. Bei jeder Ausführungsform nimmt die Größe der Achswinkel beginnend mit dem radial innersten Steg in radialer Richtung nach außen gesehen von Steg zu Steg zu. Dabei kann der Gang der Achswinkel einer nicht linearen, zum Beispiel parabolischen Funktion folgen. Weiterhin können die Achswinkel im Bereich von +-10 % der dargestellten Werte variieren. Insbesondere können die Achswinkel in einem Winkelbereich von 0,35 mal dem vertikalen Abstrahlwinkel der Leuchtdiode bis 0,7 mal dem vertikalen Abstrahlwinkel der Leuchtdiode liegen.
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14 zeigt ein Diagramm für die Achswinkel in horizontaler Richtung, das heißt entlang der zweiten Hauptachse 12. In dem Diagramm sind entlang der x-Achse die Stege mit Angabe der Positionsnummer in radialer Richtung von innen nach außen gesehen angegeben. Auf der y-Achse ist als Einheit ein horizontalen Abstrahlwinkel der Leuchtdiode 1 angegeben. Beispielsweise liegt der Gesamtbereich für die horizontalen Achswinkel zwischen 0,25 und 0,55 mal dem horizontalen Abstrahlwinkel der Leuchtdiode 1. Es ist eine untere horizontale Achswinkelkurve 51 angegeben, die für eine Ausführungsform der Fresnelstruktur 8 die Außenwinkel der Außenflächen für die Stege angibt. Zudem ist eine mittlere horizontale Achswinkelkurve 52 angegeben, die für eine zweite Ausführungsform der Fresneloptik die Außenwinkel 46 der Außenflächen 41 der Stege angibt. Weiterhin ist eine obere horizontale Achswinkelkurve 53 vorgesehen, die die Außenwinkel der Außenflächen der Fresnelstruktur 8 für eine dritte Ausführungsform angibt. Der Gang der Außenwinkel kann einer nicht linearen, zum Beispiel parabolischen Funktion folgen. Die horizontalen Außenwinkel der Außenflächen nehmen beginnend mit dem Steg an radial innerster Position, der die Positionsnummer 1 aufweist, in radialer Richtung nach außen gesehen bis zu dem Steg zu, der die Positionsnummer 11 aufweist.
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15 zeigt ein Diagramm für die diagonalen Außenwinkel der Außenflächen der Stege der Fresnelstruktur 8 der Fresneloptik 2 entlang der erste oder zweiten diagonalen Achse 13,14. In dem Diagramm sind entlang der x-Achse die Positionsnummern der Stege angegeben, wobei mit 1 der innerste Steg und mit der Nr. 11 der äußerste Steg in radialer Richtung gesehen bezeichnet ist. Die diagonale Richtung wird durch die erste und die zweite diagonale Achse 13, 14 vorgegeben. Auf der y-Achse sind als Einheit ein horizontaler Abstrahlwinkel der Leuchtdiode 1 angegeben.
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In den dargestellten Ausführungsbeispielen bewegen sich die diagonalen Außenwinkel in einem Bereich zwischen 0,3 mal dem diagonalen Abstrahlwinkel der Leuchtdiode und 0,45 mal dem diagonalen Abstrahlwinkel der Leuchtdiode. Es ist eine untere diagonale Außenwinkelkurve für ein erstes Ausführungsbeispiel dargestellt. Die untere diagonale Außenwinkelkurve 54 gibt die Werte für die Außenwinkel der Außenflächen der Stege an. Zudem ist für ein zweites Ausführungsbeispiel eine mittlere diagonale Außenwinkelkurve 55 für eine zweite Ausführungsform angegeben. Die mittlere diagonale Außenwinkelkurve 55 gibt die Außenwinkel der Außenflächen der Stege an. Weiterhin ist eine obere diagonale Außenwinkelkurve 56 angegeben. Die obere diagonale Außenwinkelkurve 56 gibt die Außenwinkel der Außenflächen der Stege für eine dritte Ausführungsform an. Abhängig von der gewählten Ausführungsform können die Außenwinkel in den angegebenen Bereichen auch variieren. Die diagonalen Außenwinkel der Außenflächen der Stege nehmen in radialer Richtung gesehen beginnend mit dem innersten Steg nach außen zu. Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann der Gang der Außenwinkel einer nicht linearen, insbesondere parabolischen Funktion folgen. Zudem können die Außenwinkel der Außenflächen auch eine Bandbreite von +-10 % gegenüber den dargestellten Werten aufweisen. Insbesondere kann der innerste Steg, der mit der Positionsnummer 1 bezeichnet ist, einen Startwinkel von 0,34 mal dem horizontalen Abstrahlwinkel aufweisen.
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16 zeigt für mögliche Ausführungsformen der Fresneloptik eine Variation der Außenwinkel der Außenflächen der Stege für jeweils einen Steg. Dabei sind entlang der x-Achse die Stege mit Positionsnummern 1 bis 11 bezeichnet, wobei die Positionsnummer 1 den radial innersten Steg und die Positionsnummer 11 den radial äußersten Steg zeigt. Zudem ist entlang der y-Achse eine Variation für den Außenwinkel der Außenfläche 41 des entsprechenden Steges angegeben. Die Variation ist in diesem Ausführungsbeispiel nicht als absoluter Wert des Winkels, sondern in Abhängigkeit von einem vorgegeben Abstrahlwinkel der Leuchtdiode angegeben. Die Außenwinkel der Außenflächen können für die unterschiedlichen Stege unterschiedlich stark variieren. Beispielsweise weisen in dem dargestellten Ausführungsbeispiel der erste, zweite, dritte und vierte in radialer Richtung nach außen angeordnete Steg jeweils eine Variation im Bereich von 0,115 mal dem Abstrahlwinkel der Leuchtdiode in einer Achse auf. Ab dem Steg mit der fünften Positionsnummer steigt die Variation von Steg zu Steg in radialer Richtung gesehen nach außen an. Somit kann eine verbesserte gewünschte Abbildung auf die Zielfläche beziehungsweise den vorgesehenen Flächenbereich 3 erreicht werden.
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In einer Ausführung weisen in einem vorgegebenen Winkelbereich in Bezug auf die Mittenachse die Außenflächen von wenigstens zwei Stegen unterschiedliche Winkel in Bezug auf die Mittenachse auf, wobei ein in radialer Richtung weiter von der Mittenachse entfernter Steg eine Außenfläche mit einem größeren Winkel im Vergleich zu einer Außenfläche eines weiteren Steges aufweist, wobei der weitere Steg in radialer Richtung näher an der Mittenachse angeordnet ist. Dadurch wird eine verbesserte Strahlführung erreicht.
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In einer Ausführung weist in zwei vorgegebenen Winkelbereichen in Bezug auf die Mittenachse die Außenfläche wenigstens eines Steges unterschiedliche Winkel in Bezug auf die Mittenachse aufweist. Dadurch kann eine weitere Verbesserung der Strahlführung erreicht werden.
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In einer Ausführung weisen die Außenflächen von zwei Abschnitten eines Steges in zwei Winkelbereichen, die spiegelsymmetrisch zu der Mittenachse angeordnet sind, gleich große Winkel zu der Mittenachse auf. Dadurch kann eine symmetrische Strahlungsverteilung unterstützt werden. Die zwei Winkelbereiche können beispielsweise 90° umfassen. Die zwei Winkelbereiche können auch 180° umfassen.
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In einer Ausführung weisen die Außenflächen von zwei weiteren Abschnitten des Steges in zwei weiteren Winkelbereichen, die spiegelsymmetrisch zu der Mittenachse angeordnet sind, gleich große Winkel zu der Mittenachse auf. Die zwei Winkelbereiche können beispielsweise 90° umfassen.
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In einer Ausführung sind zwischen den Winkelbereichen und den weiteren Winkelbereichen Übergangswinkelbereiche vorgesehen, wobei in den Übergangswinkelbereichen die unterschiedlichen Winkel der Außenflächen der Abschnitte des einen Steges ineinander übergehen. Auf diese Weise wird eine verbesserte Lichtverteilung erreicht.
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In einer Ausführung sind zwei Abschnitte eines Steges in Bezug auf die Winkel der Außenflächen spiegelsymmetrisch zu der ersten oder der zweiten Hauptachse ausgebildet. Auf diese Weise wird eine Symmetrie in der Ausleuchtung erreicht. Insbesondere erstecken sich die zwei Abschnitte des Steges über 180°.
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In einer Ausführung ist ein Steg in Bezug auf die Winkel der Außenflächen spiegelsymmetrisch zu der ersten Hauptachse ausgebildet. Zudem ist der Steg in Bezug auf die Winkel der Außenflächen spiegelsymmetrisch zu der zweiten Hauptachse ausgebildet. Auf diese Weise wird eine Symmetrie in der Ausleuchtung erreicht.
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In einer Ausführung sind mehrere Stege in Bezug auf die Winkel der Außenflächen spiegelsymmetrisch zu der ersten Hauptachse und spiegelsymmetrisch zu der zweiten Hauptachse ausgebildet.
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17 zeigt einen Teilquerschnitt durch die Fresnelstruktur 8 der Fresneloptik 2. Die Stege 15, 17, 18, 19, die auch als Fresnelspitzen bezeichnet werden können, weisen obere Endfläche 25 auf. Abhängig von der gewählten Ausführungsform können die oberen Endfläche 25 unterschiedliche Höhenpositionen in Bezug auf eine gedachte Vergleichsebene 57 aufweisen. Die Vergleichsebene 57 wird in dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch die Höhenposition der Endfläche 25 des ersten Steges 15 festgelegt. Die Endfläche 25 des zweiten Steges 17 weist in Bezug auf die Vergleichsebene 57 einen ersten Abstand 58 auf. Der erste Abstand 58 ist weiter von der Leuchtdiode entfernt und wird deshalb als negativer Wert angesehen.
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18 zeigt ein Diagramm mit Angabe der relativen Abstände der Endflächen der Stege in Bezug auf die Vergleichsebene 57 gemäß dem Beispiel der 17. Die Vergleichsebene 57 wird durch die Höhenposition der Endfläche 25 des ersten Steges 15 gebildet. Entlang der x-Achse sind die Stege mit Angabe der Positionsnummern in radialer Richtung gesehen von innen nach außen dargestellt. Da der erste Steg 15 die Vergleichsebene darstellt, taucht der erste Steg 15, das heißt die Positionsnummer 1 in dem Diagramm nicht auf. Entlang der y-Achse des Diagramms ist als Einheit eine Breite einer Leuchtdiode angegeben. Es ist zu erkennen, dass die Stege mit der Positionsnummer 2, 3, 4 und 5 negative Abstandswerte aufweisen und deshalb weiter von der Leuchtdiode 1 entfernt sind als die Endfläche 25 des ersten Steges 15. Ab dem Steg mit der Positionsnummer 6 sind die Endflächen 25 der Stege näher an der Leuchtdiode als die Endfläche 25 des ersten Steges 15.
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Die Höhenunterschiede der Endflächen der Stege folgen in radialer Richtung gesehen in einer Ausführungsform nicht einem linearen Zusammenhang, sondern können zum Beispiel einer parabolischen Funktion mit einem lokalen Minimum folgen. Die Höhenpositionen der Endflächen der Stege können beispielsweise in einem Bereich zwischen -0,05 mal der Breite der Leuchtdiode und 0,4 mal der Breite der Leuchtdiode liegen. Zudem können abhängig von der gewählten Ausführungsform die Höhendifferenzen in einem Bereich zwischen +-10 % der angegebenen Werte liegen.
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Die Endflächen 25 weisen im Querschnitt senkrecht zur optischen Achse 10 einen Rundungsradius 61 auf, der im Bereich zwischen 0,01 mm und 0,03 mm liegen kann. Zudem weisen die Außenwinkel der Außenflächen der Stege Werte auf, die für horizontale Außenwinkel im Bereich zwischen 0,15 und 0,5 des horizontalen Abstrahlwinkelbereiches der Leuchtdiode liegen. Zudem können diagonale Außenwinkel 46 der Außenflächen der Stege in einem Bereich zwischen 0,15 und 0,5 mal dem horizontalen Abstrahlwinkelbereich der Leuchtdiode liegen. Weiterhin können die Außenwinkel in vertikaler Richtung in einem Bereich zwischen 0,2 und 0,6 mal dem vertikalen Abstrahlwinkelbereich der Leuchtdiode liegen.
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19 zeigt eine Vorrichtung mit einer Leuchtdiode 1, die auf einem Träger 60 angeordnet ist. Zudem ist die Fresneloptik 2 auf dem Träger 60 angeordnet, wobei die Fresnelstruktur 8 der Leuchtdiode 1 zugewandt ist. Die Leuchtdiode 1 ist beispielsweise als Halbleiterchip, insbesondere als LED-Halbleiterchip ausgebildet. Die zweite Seite 42 der Fresneloptik 2 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als plane Fläche ausgebildet. Zur besseren Darstellung ist die Fresneloptik 2 transparent dargestellt, wobei der Querschnitt durch die Mitte der Anordnung geht.
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20 zeigt eine perspektivische Gesamtansicht der Vorrichtung der 19, wobei die Fresneloptik 2 transparent dargestellt ist.
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21 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Ausschnitt auf eine Fresnelstruktur 8 einer Fresneloptik, die gemäß einem der beschriebenen Beispiele ausgebildet sein kann. Bei dieser Darstellung ist nur ein Steg 15 dargestellt. Die weiteren Stege und Nuten sind nicht dargestellt. Die erste und die zweite Hauptachse 11, 12 stehen senkrecht aufeinander und kreuzen sich in der optischen Mittenachse 10 der Fresnelstruktur 8. Zudem sind die erste und zweite diagonale Achse 13, 14 dargestellt. Weiterhin ist ein erster Winkelbereich 71 und ein zweiter Winkelbereich 72 dargestellt, die symmetrisch zur zweiten Hauptachse 12 angeordnet sind. Zudem ist ein dritter und ein vierter Winkelbereich 73, 74 dargestellt, die symmetrisch zur ersten Hauptachse 11 angeordnet sind.
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Im ersten Winkelbereich weist der Steg 15 einen ersten Abschnitt 81 auf. Im zweiten Winkelbereich 72 weist der Steg 15 einen zweiten Abschnitt 82 auf. Der erste und der zweite Abschnitt 81, 82 sind spiegelsymmetrisch in Bezug auf die zweite Hauptachse 12 ausgebildet. Zudem ist ein Krümmungsradius 90 beispielhaft an einer Winkelposition dargestellt. Der Krümmungsradius 90 kann sich für den Steg 15 abhängig von der Winkelposition ändern, wie dargestellt.
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Im dritten Winkelbereich 73 weist der Steg 15 einen dritten Abschnitt 83 und im vierten Winkelabschnitt 84 einen vierten Abschnitt 84 auf. Der dritte und der vierte Abschnitt 83, 84 sind spiegelsymmetrisch zur ersten Hauptachse 11 angeordnet. In der dargestellten Ausführung sind die Winkelabschnitte 71, 72, 73, 74 jeweils 90° groß. Abhängig von der gewählten Ausführung können die Winkelabschnitte 71, 72, 73, 74 auch kleiner sein als 90°. Bei dieser Ausführung können dann Übergangswinkelbereiche zwischen den Winkelbereichen vorgesehen sein.
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In einer weiteren Ausführung können einzelne Winkelbereiche auch größer sein als 90° und andere Winkelbereiche auch kleiner sein als 90°.
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Die anderen nicht in der Figur dargestellten Stege der Fresnelstruktur 8 können in Bezug auf die Winkelbereiche 71, 72, 73, 74 eine analoge Symmetrie in Bezug auf die erste und zweite Mittenachse 11, 12 wie der dargestellte und beschriebene Steg 15 aufweisen.
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22 zeigt eine schematische Darstellung einer entsprechenden Fresneloptik 2, wobei die Stege 15, 17, 18, 19 symmetrisch zu der ersten und der zweiten Hauptachse in den jeweiligen Winkelbereichen 71, 72, 73, 74 angeordnet sind.
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Die Symmetrie kann sich auf die radialen Abstände der Stege von der optischen Mittenachse 10 und/oder auf die Krümmungsradien der Stege und/oder auf die Winkel der Außenflächen der Stege gegenüber der optischen Mittenachse beziehen.
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Abhängig von der gewählten Ausführung weist ein Steg im ersten und im dritten Winkelbereich 71, 73 einen gleich großen ersten Krümmungsradius auf. Zudem weist ein Steg im zweiten und im vierten Winkelbereich einen gleich großen zweiten Krümmungsradius auf. Der erste Krümmungsradius ist größer als der zweite Krümmungsradius. Zudem gehen die Krümmungsradien an den Grenzen der Winkelbereiche entweder kontinuierlich oder in einem Winkel abrupt ineinander über.
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Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann die Leuchtdiode 1, insbesondere in der Ausführungsform eines LED-Chips einen Abstand zu der Fresnelstruktur entlang der optischen Achse 10 aufweisen, die im Bereich bis 0,2 mal der Breite des LED-Chips und 0,8 mal der Breite des LED-Chips liegt. Insbesondere kann der Abstand zwischen dem LED-Chip und der Fresnelstruktur im Bereich von 0,5 mal der Breite des LED-Chips liegen.
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23 zeigt in einem Diagramm die Größe des Außenwinkels 46 der Außenfläche 41 eines Steges, z.B. des ersten Steges 15 über einen polaren Winkel Φ um die Mittenachse 10 der Frenselstruktur aufgetragen. Der Außenwinkel 46 der Außenfläche 41 des Steges beginnt mit einem Wert von 25,2° bezogen auf die optische Achse 10 bei einem polaren Winkel Φ von 0°. Der polare Winkel Φ ist entgegen dem Uhrzeigersinn ausgehend von der ersten Hauptachse 11 aufgetragen, wie anhand der schematischen 24 erkennbar ist. In analoger Weise können mehrere Stege oder jeder Steg der Fresnelstruktur eine Variation des Außenwinkels 46 der Außenfläche 41 entlang des polaren Winkels aufweisen.
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24 zeigt eine schematische Darstellung einer Fresneloptik 2 mit einer Fresnelstruktur 8 mit Stegen 15, 17, 18, 19 und Nuten 16, 20, 21, 22, die gemäß den vorab beschriebenen Ausführungsbeispielen ausgebildet sein kann. In der Mitte der Fresnelstruktur 8 ist die optische Achse 10 angeordnet. In der optischen Achse 10 kreuzen sich die erste und die zweite Hauptachse 11, 12, die senkrecht aufeinander und senkrecht auf der optischen Achse 10 stehen, die die Mittenachse bildet.
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Der polare Winkel Φ beginnt bei 0° an der ersten Hauptachse 11. Wie in 23 dargestellt ist, sinkt die Größe des Außenwinkels 46 der Außenfläche 41 des Steges entgegen dem Uhrzeigersinn ausgehend von dem polaren Winkel von 0° bis zu einem polaren Winkel von ungefähr 10° auf einen Wert von ungefähr 25,1° ab und steigt anschließend in Richtung auf den polaren Winkel von 20° wieder an. Ab einem polaren Winkel von 20° sinkt der Außenwinkel 46 bis zu einem polaren Winkel von 60° auf einen Wert von etwas unter 24,2° ab. Für polare Winkel, die größer als 60° sind, steigt der Außenwinkel 46 wieder auf einen Wert von etwas über 24,4° bei einem polaren Winkel von 90° an. Der Außenwinkel 46 der Außenfläche 41 des Steges sinkt in der gleichen Weise im Uhrzeigersinn ausgehend von einem polaren Winkel von 0°, d.h. ausgehend von der ersten Hauptachse 11 bis zu ungefähr 10° des polaren Winkels auf einen Wert von ungefähr 25,1° ab und steigt anschließend in Richtung auf den polaren Winkel von 20° wieder etwas an. Ab einem polaren Winkel von 20° sinkt der Außenwinkel 46 bis zu einem polaren Winkel von 60° auf einen Wert von etwas unter 24,2° ab. Nach dem polaren Winkel von 60° steigt der Außenwinkel 46 wieder auf einen Wert von etwas über 24,4° bei einem polaren Winkel von 90° an. Somit weist der Außenwinkel 46 der Außenfläche 41 des Steges einen spiegelsymmetrischen Verlauf zur ersten Hauptachse 11 auf.
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Zudem weist der Außenwinkel 46 der Außenfläche 41 des Steges in Bezug auf die zweite Hauptachse 12 eine spiegelsymmetrische Ausbildung auf. Somit sinkt der Außenwinkel 46 der Außenfläche 41 ausgehend von der zweiten Hauptachse 12 entgegen dem Uhrzeigersinn von dem Wert 24,4° auf einen Wert von 24,2° und steigt dann wieder auf den Wert von 25,2° im Bereich der ersten Hauptachse 11 an.
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Die Variation des Außenwinkels 46 der Außenfläche 41 des Steges mit dem polaren Winkel Φ, die im Diagramm der 23 dargestellt ist, kann beispielsweise jeder Stege der Frensnelstruktur 8 aufweisen. Dabei können die Außenwinkel 46 der Außenflächen 41 der verschiedenen Stege gemäß den zuvor erläuterten Bereichen voneinander variieren.
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In dem dargestellten Beispiel weist die Außenfläche eines Steges einen Winkel, d.h. einen Außenwinkel in Bezug auf die optische Mittenachse auf, der einen größten Wert im Bereich der ersten Hauptachse 11 aufweist. Der Außenwinkel nimmt mit dem polaren Winkel in Richtung auf die zweite Hauptachse 12 ab. Dabei kann der Außenwinkel nach Überschreiten eines vorgegebenen polaren Winkels von z.B. 60° wieder zunehmen. Abhängig von der gewählten Ausführung können mehrere Stege eine entsprechende Außenfläche mit einem entsprechenden Außenwinkel aufweisen. Zudem variieren die Außenwinkel der Außenflächen der Stege voneinander. Die Außenwinkel der Außenflächen wenigstens eines Stege oder mehrerer Stege sind spiegelsymmetrisch zu der ersten Hauptachse 11 und/oder zu der zweiten Hauptachse 12 ausgebildet.
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25 zeigt in einem Diagramm eine Variation des Stegabstandes 91 zwischen den zwei benachbarten ersten und zweiten Steg 15, 17 aufgetragen über den polaren Winkel Φ. Der Stegabstand 91 zwischen zwei Stegen wird entlang einer geraden Linie durch die optische Mittenachse 10 gemessen, wobei der Stegabstand 91 zwischen den oberen Enden der Stege 15, 17 gemessen wird. Der Verlauf des polaren Winkels Φ ist dabei, wie anhand von 24 erläutert, ausgebildet. In dem Diagramm der 25 ist der Stegabstand 91 zwischen zwei benachbarten Stegen 15, 17, beispielsweise zwischen einem ersten inneren Steg 15 und dem zweiten weiter außen angeordneten benachbarten Steg 17 dargestellt. Der Stegabstand 91 beginnt bei einem polaren Winkel Φ von 0° bei der ersten Hauptachse 11 mit einem Wert von etwas unter 0,2 mm. Anhand der im Diagramm dargestellten Kennlinie ist zu erkennen, dass der Stegabstand 91 über den polaren Winkel Φ entgegen dem Uhrzeigersinn in einer festgelegten Kennlinie bis zu dem polaren Winkel von 80° auf einen minimalen Wert von 0,1775 mm abfällt und anschließend in Richtung auf den polaren Winkel von 90° wieder etwas ansteigt. Der Stegabstand 91 zwischen den zwei Stegen ist spiegelsymmetrisch zur ersten Hauptachse 11 ausgebildet und weist somit auch die im Diagramm dargestellten Werte für den Verlauf des polaren Winkels Φ ausgehend von der ersten Hauptachse im Uhrzeigersinn auf. Zudem ist der Stegabstand der zwei Stege spiegelsymmetrisch zu der zweiten Hauptachse 12 ausgebildet.
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Die im Diagramm der 24 dargestellte Variation des Stegabstandes 91 zwischen zwei benachbarten Stegen kann für mehrere benachbarte Stege unterschiedlich oder identisch ausgebildet sein. Dabei können die Abstände von zwei benachbarten Stegen gemäß den oben erläuterten Variationen unterschiedlich ausgebildet sein.
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Zudem können abhängig von der gewählten Ausführungsform die Stegabstände 91 zwischen wenigstens zwei Stegen oder mehreren benachbarten Stegen eine Spiegelsymmetrie bezüglich einer Hauptachse oder in Bezug auf beide Hauptachsen aufweisen.
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Die Erfindung wurde anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben. Dennoch ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Vielmehr können hieraus andere Variationen vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
