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Lichtverteilungsscheibe Die Erfindung betrifft eine Lichtverteilungsscheibe
für durchfallendes Licht mit angenähert parallel verlaufender Lichtaustritts- und
Lichteintrittsseite, einer auf der Lichtaustrittsseite gebildeten Sammellinsenanordnung
und einer Anzahl von ringförmigen, in Radialrichtung aufeinanderfolgenden katadioptrischen
Elementen auf der Lichteintrittsseite, die jeweils eine brechende Lichteintrittsfläche
und eine das gebrochene Licht total reflektierende Fläche aufweisen, die zwischen
sich mit senkrecht zur Linsenachse wachsendem Abstand der katadioptrischen Elemente
einen derart zunehmenden Winkel einschließen, daß die total reflektierten Strahlen
parallel verlaufen.
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Lichtverteilungsscheiben sind bereits in verschiedenenAusführungsformenbekannt.
So beispielsweise eine Linse, die auf ihrer der Lichtquelle zugewandten Innenseite
um eine glatte Mittelfläche eine Zone ringföriniger, in Radialrichtung aufeinanderfolgender
katadioptrischer Elemente aufweist. Die Außenseite ist mit einer Fresnellinse versehen.
Diese bekannte Linse hat den Nachteil einer für manche AnwendungsfälIe unbefriedigenden
Lichtverteilung. Die Außenseite kann außerdem schlecht gereinigt werden.
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Weiterhin sind Stufenlinsen bekannt, welche außen glatt und innen
als Fresnellinse ausgebildet sind, wobei die Linsenringe mit schmalen Zylinderlinsen
für die Seitenstreuung kombiniert sind. Diese Stufenlinsen sollen eine weite Lichtstreuung
bewirken, was aber zu relativ schwacher Lichtintensität führt und häufig unerwünscht
ist.
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Schließlich ist eine Linse bekannt, die auf ihrer Rückseite als Fresnellinse
mit dioptrischen Ringen ausgebildet ist, während ihre Vorderseite durch eine Reihe
sich kreuzender Auskehlungen in einzelne Streuflächen aufgeteilt ist. Auch diese
bekannte Linse ist wegen ihrer Streuwirkung für viele Anwendungszwecke ungeeignet.
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Ziel der Erfindung ist, eine Lichtverteilungsscheibe zu schaffen,
welche eine möglichst gleichmäßige Lichtstrahlung relativ hoher Intensität in eine
bestimmte Warn- oder Sehzone mit relativ breitem horizontalem Blickwinkel und schmalerem,
jedoch immer noch verhältnismäßig breitem vertikalem Blickwinkel projizieren kann.
Eine solche achsparallele Strahlung hoher Intensität soR mittels einer Lichtquelle
verhältnismäßig geringer Intensität erzeugt werden, die sich nahe bei der Innenfläche
der Linse, befindet und somit in die Linse eine Strahlung mit großem sphärischem
Winkel liefert.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß bei einer Lichtverteilungsscheibe
der eingangs erwähnten Art die Sammellinsen auf der Lichtaustrittsseite aus einer
Vielzahl von Einzellinsenflächen bestehen, die die total reflektierten Strahlen
jeweils in Lichtbündel sammeln, die zu miteinander parallelen Achsen symmetrisch
sind. Dadurch kann jeweils auf einer zur Linsenachse parallelen Achse und nahe der
Vorderfläche der Linse ein Bild der Lichtquelle erzeugt werden, so daß eine Vielzahl
von Lichtpunkten auf der Oberfläche der Linse erscheint und der Eindruck einer gleichmäßig
beleuchteten Linsenoberfläche entsteht.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die brechenden
Flächen wenigstens annähernd parallel zueinander verlaufen, während der auf die
Linsenachse bezogene Winkel der reflektierenden Flächen mit zunehmendem Abstand
von der Achse der Lichtverteilungsscheibe zunimmt. Es entstehen dadurch Bündel paraxialer
Strahlen, die durch die Vorderfläche der Linse genau gerichtet und gesteuert werden
können. Die Linse kann so gestaltet sein, daß die Lichtaustrittsseite zwei
Gruppen von untereinander verteilten Einzellinsenflächen mit je Gruppe verschiedener
Brennweite aufweist, so daß die Lichtbündel der zweiten Gruppe einen Raumwinkel
erfüllen, dessen Größe sich von dem kaumwinkel, den
die Lichtbündel
der ersten Gruppe einehmen, unterscheidet. Dadurch entstehen zur Linsenachse symmetrische,
ineinander verschachtelte Primär- und Sekundärstrahlen, die in einer Primärwinkelzone
eine Strahlung gleichmäßiger Intensität, zwischen der Primär- und einer Sekundärwinkelzone
jedoch eine Strahlung mit zunehmendem Blickwinkel sinkender Intensität erzeugen.
Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht vor allem in einer guten Orientierungsmöglichkeit
zur Lichtverteilungsseheibe hin.
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Die Erfindung soll nun an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung
mit der Zeichnung näher erläutert werden, es zeigt F i g. 1 eine Vorderansicht
einer bevorzugten Form einer Linse gemäß der Erfindung, F i g. 2 eine schematische
Darstellung einer Lichtverteilung, wie sie durch die in F i g. 1 dargestellte
Linse geliefert wird, F i g. 3 ein Teilschnitt längs der Ebene
3-3 in Fig. 1,
Fig.4 ein Teilschnitt längs der Ebene4-4 in Fig.
1,
F i g. 5 eine vereinfachte Querschnittsansicht einer Anzahl von
optischen Flächen an der Vorderfläche der in F i g. 1 dargestellten Linse
und ihre Orientierung bezüglich des Linsenradius, F i g. 6 eine Schnittansicht
des Mittelteils einer Linse, in die der Verlauf verschiedener von einer Lichtquelle
ausgehender Strahlen eingezeichnet ist, F i g. 7 ein Diagramin der Lichtverteilung
in einem waagerechten Winkelbereich, F i g. 8 ein Diagramm der Lichtverteilung
in einem senkrechten Winkelbereich und F i g. 9 ein halblogarithmisches Diagramin
der Abhängigkeit des Winkels zwischen den Primärstrahlen und der Horizontalebene
von dem Winkel zwischen der reflektierenden. Linsenfläche und der Linsenachse.
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Wie F i 3 und 4 zei-en, ist die Linse 10 auf ihrer Rückseite
mit katadioptrischen Ringen 20 versehen, die so angeordnet sind, daß die Lichtstrahlen
durch den Linsenkörper mit sich in bestimmter Weise so ändernden Winkeln gebrochen
werden, daß . t3 nach einer Brechung an einer zur Rückfläche konzentrischen
Vorderfläche parallele Strahlen entstehen. Für die Beschreibung dieser Anordnung
soll angenommen werden, daß die Linse 10 eine glatte Vorderfläche
32 besitzt.
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Die rückwärtige Fläche 18 der Linse 10 ist mit einer
Anzahl von Rippen oder durchgehenden katadioptrischen Ringen 20 versehen, die jeweils
eine lichtaufnehmende, brechende Oberfläche 26 und eine totalreflektierende
Fläche 28 besitzen. Es wurde nun gefunden, daß sich der Winkel, den die einzelnen
reflektierenden Flächen 28 mit der Linsenachse bilden, in bestimmter Weise
ändern muß, wenn eine Lichtquelle 30 (F i g. 6) so nahe an der Innenfläche
der Linse 10 an-eordnet werden soll, daß letztere Licht aus einem großen
Raumwinkel aufnimmt, und wenn dieses Licht in paraxiale Strahlen im Linsenkörper
und schließlich nach der Brechung an der Vorderfläche in parallele Strahlen verwandelt
werden soll.
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Der Winkel zwischen der Linsenachse 24 und einer von der auf der Linsenachse
gelegenen Lichtquelle 30 zum Mittelpunkt einer speziellen reflektierenden
Fläche verlaufenden Geraden soll im folgenden als Winkel P bezeichnet werden. Ferner
soll als Winkel A der Winkel bezeichnet werden, den die reflektierende Fläche
28 mit der Linsenachse bilden muß, um Licht von der Lichtquelle durch den
Linsenkörper so reflektieren zu können, daß nach der Brechung an der Vorderfläche
parallele Strahlen entstehen. Wie F i g. 6 zeigt, besteht zwischen dem Winkel
P und dem Winkel A ein ganz bestimmter Zusammenhang. Bei einer sphärischen
Linse mit bestimmten Radius 38, die eine Vielzahl von lichtsammelnden, katadioptrischen
Ringen enthält, soll sich nämlich der Winkel, den die einzelnen lichtreflektierenden
Flächen mit der Linsenachse bilden, linear mit dem Loaarithmus des Winkels P der
Primärstrahlen ändern.
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In dem in F i g. 9 dargestellten halblogarithmischen Diaaramin
ist der Winkel A, den die reflektierenden Flächen mit der Linsenachse einschließen,
gegen den Winkel P, den die Primärstrahlen mit der Horizontalebene bilden, für Linsen
mit drei verschiedenen spärischen Radien und parallelbrechenden Flächen, die zwei
verschiedene Winkel gegenüber der Linsenachse einnehmen, aufgetragen.
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Die Formel für die Linien 48,
50, 52, 54 und
56
ist log A
= C - K (90' - P), die Konstanten
dieser Gleichung sind in der folgenden Tabelle angegeben:
| Winkel |
| zwischen |
| Gerade Vorderfläche der brechenden |
| Nr. Oberfläche K C |
| und der |
| Linsenachse |
| 48 eben 50 0,0040 1,653 |
| 50 10 cm Kugel- 15" 0,0051 1,7033 |
| radius |
| 52 eben 150 0,0045 1,6385 |
| 54 20 cm Kugel- 50 0,0045 1,6900 |
| radius |
| 56 10 cm Kugel- 50 0,0046
1,7067 |
| radius |
Die in F i
g. 3 und 4 dargestellte Linse
10 hat einen Kugelradius
von etwa 20 cm und ist aus einem Kunststoff gepreßt oder gegossen, z. B. einem Akrylharz,
mit einem Brechungsindex von 1,49. Im Mittelteil 34 der Rückfläche
18 ist
eine Anzahl von dioptrischen Ringen gebildet, und der Rest der Fläche enthält achtundzwanzig
durchgehende katadioptrische Ringe 20, deren brechende Flächen
26 je-
weils
einen Winkel von
51 mit der Achse 24 der Linse bilden, während sich der Winkel
der reflektierenden Flächen
28 mit der Linsenachse von 26145' bei dem an
den Mittelteil 34 angrenzenden Ring bis auf 441
55' bei dem am weitesten vom
Mittelteil 34 entfernten Ring ändern. Die Winkel der reflektierenden Flächen
28 ändern sich entsprechend der oben angegebenen Formel, so daß jeder Ring
20 Licht von der Quelle
30 aufnimmt und es in paraxialen Strahlen,
d. h. mit kleinen Winkeln bezüglich der Normalen der imaginären Linsenfläche
32, durch den Körper der Linse mit einem solchen Winkel wirft, daß nach Brechung
an der imaginären Basis- oder Vorderfläche
32 Strahlen austreten, die parallel
zur Achse 24 der Linse verlaufen.
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Durch die Erfindung wird also eine aus einem Stück bestehende, gepreßte
oder gegossene Linse angegeben, bei der die Lichtquelle ganz nahe bei der Innenfläche
der Linse angeordnet werden kann, so
daß die Linse mindestens zwei
Drittel des von der Lichtquelle 30 ausgehenden Lichtstromes sammeln
kann.
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Auf der Vorderfläche 12 der Linse 10 (F i g. 1)
befindet
sich ein Gitter von rechteckigen, sphäroidal geformten Linsenelementen 14 bestimmter
Brennweite, um die Lichtstrahlen in einen ersten oder Primärstrahl 44 zu bündeln
(F i ig. 2), außerdem eine Vielzahl von dazwischenliegenden sphäroidalen Linsenelementen
16, deren Brennweite von der der Elemente 14 abweicht, um die Lichtstrahlen
in einen Sekundärstrahl 46 zu bündeln, der mit dem Primärstrahl 44 verschachtelt
ist.
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Um eine gleichförmig beleuchtete Linsenoberfläche zu erhalten, die
die Aufmerksamkeit besser auf sich zieht, sind die Linsenelemente oder Einzellinsen
14, 16 so ausgebildet, daß sie reelle Bilder auf zur Linsenachse parallelen
Strahlachsen 40 in einem kleinen Abstand von der Vorderfläche 12 der Linse entwerfen,
so daß eine Vielzahl von Bildern der Lichtquelle, also Lichtpunkte, auf der Oberfläche
der Linse erscheinen. Wegen des begrenzten Auflösungsvermögens des menschlichen
Auges erscheint dann in einem gewissen Abstand von der Linse deren ganze Vorderfläche
als gleichförmig beleuchteter Bereich oder Lichtquelle hoher Intensität.
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Wie erwähnt, werfen die katadioptrischen Ringe 20 auf der Rückseite
18 der Linse Licht so durch den Linsenkörper, daß die Strahlen parallel zur
Linsenachse austreten würden, wenn die Linse eine ebene Vorderfläche hätte. Damit
der Haupt- oder Primärstrahl jedes Linsenelementes oder jeder Einzellinse 14,
16 parallel zur Linsenachse 24 austreten kann, sind die Elemente 14,
16 alle so auf der Vorderfläche der Linse angeordnet, daß ihr optischer oder
geometrischer Radius normal zur Basisfläche 32 der Linse liegt. Alle Strahlen,
die die Linsenelemente auf deren optischer Achse36 (Fig.5) durchsetzen, treten daher
parallel zur Linsenachse 24 aus. Alle anderen Strahlen 42 vom selben Punkt der Lichtquelle,
die die Flächen 14, 16 treffen, konvergieren im Brennpunkt vor der Linsenfläche,
in dem das reelle Bild entsteht.
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Wie erwähnt wurde und in F i g. 2 dargestellt ist, besteht
das von der Linse 10 ausgehende Lichtbündel aus einem kleineren Primärstrahlenbündel
44 und einem größeren Sekundärstrahlenbündel 46. Die überlaggerung dieser Strahlenbündel
verbessert die Gleichförmigkeit der Intensität des Signallichtes, wenn es innerhalb
der Primärzone betrachtet wird, und liefert außerdem bei Betrachtung in der Sekundärzone
ein Lichtstrahlenbündel mit sich ändernder Intensität, so daß hierdurch Orientierungs-
oder Zielschwierigkeiten weitgehend verhindert werden.
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Betrachtet man die Vorderfläche der Linse von der Sekundärzone 46
aus, so sieht man ein schwächeres Signal als bei Betrachtung der Linse von der Primärzone
44 aus, da die Lichtintensität des Sekundärstrahlenbündels proportional kleiner
ist als die Intensität des Primärstrahlenbündels, das Signal in der Sekundärzone
reicht jedoch immer noch für eine Warnung vor einer drohenden Gefahr aus. Die in
F i g. 1 dargestellte Linse sammelt etwa 76 % des Nutzlichtes in die
Primärgesichtszone 44 und 24 des Lichtes in die Sekundärgesichtszone 46.
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Es wurde festgestellt, daß die Primärgesichtszone 44 in der Horizontalebene
einen Winkelbereich von insgesamt mindestens g3 und höchstens 240 und in einer vertikalen
Ebene einen Winkelbereich von insgesamt mindestens 41 und höchstens 12' umfassen
soll. Für ein solches Muster sollen die einzelnen gewölbten Flächen 14 in einer
horizontalen Richtung einen Winkel zwischen 16 und 44' und in einer vertikalen
Richtung einen Winkel zwischen 8 und 241 einnehmen.
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F i g. 7 und 8 zeigen die Winkelabhängio",keit der Lichtverteilung
in einer horizontalen bzw. vertikalen Ebene für die oben beschriebene Linse.
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Die optischen, lichtrichtenden Flächen der Linse 10 sind von
einem ringförmigen Rückstrahlerteil 22 umgeben, der eine Anzahl von einzelnen reflektierenden
Elementen 54 enthält, die miteinander verbunden sind und eine zusammengesetzte reflektierende
Fläche bilden. Die einzelnen Reflektorelemente 54, die als Dreifachspiegel oder
Reflexprismen bekannt sind, sind so nahe benachbart, daß sie wie eine einzige große
reflektierende Fläche wirken. Wenn ein Lichtstrahl auf eine der reflektierenden
Flächen fällt, wird er von Rellexionsfläche zu Reflexionsfläche um die Achse des
Prismas reflektiert und wird in der Richtung des einfallenden Strahls zurückgeworfen
(s. beispielsweise USA.-Patentschrift 1671086).
Auch wenn die Lichtquelle
30 versagen sollte, wird daher Licht von einer äußeren Quelle, das den Re-.flektorteil
22 trifft, zur LichtqueHe rückreflektiert und liefert damit das gewünschte Warnsignal.
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Z,
Die beschriebene Linse kann beispielsweise für Rücklichter,
Bremslichter u. dgl. von Kraftfahrzeugen verwendet werden, sie ist jedoch nicht
auf diesen Verwendungszweck beschränkt.