-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, die eine Halbleiterlichtquelle und ein Licht der Halbleiterlichtquelle bündelndes und richtendes optisches System aufweist, das dazu eingerichtet ist, aus Licht der Halbleiterlichtquelle eine vorbestimmte Lichtverteilung zu erzeugen.
-
Dabei wird unter dem optischen System hier die Summe aller optischen Elemente verstanden, die die Intensität und/oder Richtung des von der HLLQ emittierten Lichtes bis zum Austritt aus der Beleuchtungseinrichtung beeinflussen.
-
Eine solche Beleuchtungseinrichtung ist per se bekannt. Die Erzeugung einer bestimmten Lichtverteilung durch eine Beleuchtungseinrichtung wird auch als Lichtfunktion bezeichnet. In Bezug auf Lichtfunktionen werden Signallichtfunktionen von Scheinwerfer-Lichtfunktionen unterschieden. Signallichtfunktionen dienen dazu, anderen Verkehrsteilnehmern das Vorhandensein eines Kraftfahrzeuges und/oder die Absichten seines Fahrers anzuzeigen. Scheinwerfer-Lichtfunktionen dienen dazu, Objekte im Fahrweg zu beleuchten, damit sie für den Fahrer wahrnehmbar sind.
-
In der Automobil-Lichttechnik werden innerhalb von Beleuchtungseinrichtungen Temperaturen erreicht, die nicht selten über 100°C liegen. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Beleuchtungseinrichtungen in der Nähe eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs liegen.
-
Dies ist häufig bei Frontscheinwerfern der Fall. Solche Frontscheinwerfer müssen daher im Allgemeinen eine entsprechend hohe Temperaturfestigkeit aufweisen.
-
In Scheinwerfern, die mit Glühlampen oder Gasentladungslampen als Lichtquellen ausgestattet sind, ergeben sich schon auf Grund der Wärmeentwicklung dieser Lichtquellen Temperaturen im Inneren des Scheinwerfers, die, insbesondere in den Lichtquellen selbst, aber auch in deren Umgebung, deutlich größer als 150°C sind. Daher werden in solchen Scheinwerfern zwangsläufig entsprechend temperaturbeständige Materialien wie Metall, Keramik, Glas, und so weiter verwendet.
-
In jüngerer Zeit ist man dazu übergegangen, auch Halbleiterlichtquellen in Beleuchtungseinrichtungen von Kraftfahrzeugen zu verwenden. Halbleiterlichtquellen wurden zunächst für Signallichtfunktionen, in letzter Zeit zunehmend aber auch für Scheinwerferlichtfunktionen verwendet.
-
Halbleiterlichtquellen weisen im Betrieb eine wesentlich geringere Eigentemperatur auf als Glühlampen und Gasentladungslampen. Die Eigentemperatur, also die Temperatur die die Lichtquelle ohne besondere Umgebungseinflüsse allein durch die in ihrem Betrieb frei werdende elektrische Verlustwärme erreicht, liegt bei Halbleiterlichtquellen unter 150°C. Ein weiterer Unterschied zu Glühlampen und Gasentladungslampen besteht darin, dass die elektrische Verlustwärme beim Betrieb von Halbleiterlichtquellen durch Wärmeleitung über einen Kühlkörper abgeführt werden muss, um eine Selbstzerstörung zu vermeiden. Die Abstrahlung von Wärme ist dagegen vernachlässigbar, insbesondere auch deshalb, weil das Strahlungsspektrum von Halbleiterlichtquellen, die zur Erzeugung von sichtbarem Licht eingesetzt werden, im Gegensatz zum Strahlungspektrum von Glühlampen oder Gasentladungslampen keine nennenswerten Infrarotstrahlungs und/oder Ultraviolettstrahlungsanteile aufweist.
-
Aus diesem Grund ergibt sich prinzipiell die Möglichkeit, in der unmittelbaren Umgebung von Halbleiterlichtquellen in Beleuchtungseinrichtungen von Kraftfahrzeugen auch Materialien mit niedrigerer Temperaturbeständigkeit, also insbesondere Kunststoffe zu verwenden. Mit einer Verwendung von Kunststoffen geht eine Reihe von Vorteilen einher, wie eine Gewichtsreduzierung sowie eine hohe Formgenauigkeit und große Flexibilität bei der Formgebung, womit sich eine Kostenersparnis, eine Energieeinsparung, eine Einhaltung von Umweltschutzauflagen und neue Designmöglichkeiten ergeben.
-
Bei der Erprobung neuer Scheinwerfer, die mit Halbleiterlichtquellen ausgestattet sind und die mit Bauteilen ausgerüstet, die in der Nähe der Halbleiterlichtquellen angeordnet sind und die Kunststoffmaterial als Bestandteil aufweisen, haben sich im realen Betrieb in Kraftfahrzeugen Schäden ergeben, die durch eine Überhitzung dieser Bauteile und/oder eine Überhitzung der Halbleiterlichtquelle verursacht worden sind.
-
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe einer Beleuchtungseinrichtung der eingangs genannten Art, bei der solche Überhitzungsschäden nicht auftreten.
-
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vom eingangs genannten Stand der Technik unterscheidet sich die Erfindung dadurch, dass die Beleuchtungseinrichtung ein Volumen aus phototropem Material aufweist, das als Bestandteil der Beleuchtungseinrichtung so angeordnet ist, dass von außen durch eine Lichtaustrittsöffnung der Beleuchtungseinrichtung einfallendes Licht, das von dem optischen System gebündelt wird, durch das Volumen aus phototropem Material hindurch läuft.
-
Phototropes Material ist zum Beispiel von selbsttönenden Sonnenbrillen her bekannt und zeichnet sich dadurch aus, dass es sich mit zunehmender Intensität der kurzwelligen Lichteinstrahlung immer mehr verdunkelt und bei nachlassender Lichtintensität wieder aufhellt. Dieser reversible Vorgang kann beliebig oft durchlaufen werden. Man unterscheidet mineralische phototrope Gläser, die seit 1964 bekannt sind, und organische phototrope Gläser, die erst seit jüngerer Zeit bekannt sind.
-
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die Überhitzungsschäden nicht durch eine Wärmeentwicklung der Beleuchtungseinrichtung selbst und/oder durch Wärmeeinflüsse aus dem Kraftfahrzeug selbst, wie zum Beispiel durch einen heißen Verbrennungsmotor, verursacht werden, sondern dass diese Schäden vielmehr durch eine Sonneneinstrahlung von außen verursacht werden.
-
Halbleiterlichtquellen besitzen eine Lichtaustrittsfläche, die für Kraftfahrzeuganwendungen etwa zwischen einem Zehntel Quadratmillimeter und vielleicht 10 Quadratmillimetern liegt. Das Licht dieser Lichtaustrittsfläche wird zum Beispiel durch das optische System eines Scheinwerfers in eine um Größenordnungen größere Lichtverteilung im Vorfeld des Scheinwerfers umgewandelt. Da der Lichtweg auch umkehrbar ist, bedeutet dies, dass unter ungünstigen Bedingungen, nämlich wenn sich zum Beispiel bei einem bergauf parkenden Fahrzeug die Sonne im Bereich einer solchen Lichtverteilung befindet, die Sonnenstrahlung von dem optischen System des Scheinwerfers auf die Halbleiterlichtquelle und/oder deren unmittelbare Umgebung fokussiert wird. Bei intensiver Einstrahlung parallelen Sonnenlichtes können dabei offenbar deutlich höhere lokale Bestrahlungsstärken im Scheinwerfer auftreten, als im normalen Betrieb des Scheinwerfers durch die Lichtquelle und andere Wärmequellen des Kraftfahrzeuges, seien es Steuergeräte oder heiße Teile des Triebstrangs oder des Abgastraktes, erreicht werden.
-
Die Erfindung verhindert die Entstehung solcher übermäßig hoher Bestrahlungsstärken, die als Folge einer Einstrahlung von außen auftritt, dadurch, dass sich das phototrope Material beim Auftreten hoher Bestrahlungsstärken verdunkelt und damit die Strahlungsmenge, die von außen durch das optische System hindurch in das Innere der Beleuchtungseinrichtung gelangen würde, auf unkritisch hohe Werte begrenzt.
-
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Gegenständen der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der beigefügten Figuren.
-
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und in nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Zeichnungen
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
-
1 das technische Umfeld der Erfindung in Form einer Beleuchtungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug;
-
2 Strahlungspektren einer Halbleiterlichtquelle und der Sonne;
-
3 einen Aufbau eines Projektionssystems;
-
4 einen Aufbau eines Reflexionssystems;
-
5 einen Aufbau eines direkt abbildenden Systems;
-
6 Ausgestaltungen einer Abdeckscheibe mit phototropen Eigenschaften;
-
7 Ausgestaltungen einer Projektionslinse mit phototropen Eigenschaften;
-
8 eine Ausgestaltung eines Reflektors mit phototropen Eigenschaften;
-
9 eine Ausgestaltung einer TIR-Optik mit phototropen Eigenschaften;
-
10 Ausgestaltungen einer separaten, von der Abdeckscheibe verschiedenen Scheibe mit phototropen Eigenschaften; und
-
11 eine Abdeckung der LED mit phototropen Eigenschaften.
-
Im Einzelnen zeigt die 1 eine Beleuchtungseinrichtung 10 für ein Kraftfahrzeug. Die Beleuchtungseinrichtung 10 weist ein Gehäuse 12 mit einer Lichtaustrittsöffnung auf, die von einer transparenten Abdeckscheibe 14 verschlossen wird. Die Beleuchtungseinrichtung 10 weist eine Halbleiterlichtquelle 16 und ein Licht der Halbleiterlichtquelle 16 umlenkendes optisches System 18 auf. Die Halbleiterlichtquelle 16 ist auf einem Schaltungsträger 20 montiert, der seinerseits in thermischem Kontakt auf einem Kühlkörper 22 befestigt ist. In einer Ausgestaltung weist die Halbleiterlichtquelle eine einzelne Leuchtdiode (LED) oder eine Anordnung von mehreren räumlich zusammengefassten Leuchtdioden auf. Dabei wird hier unter einer Leuchtdiode jede lichtemittierende Halbleiterlichtquelle verstanden, also zum Beispiel auch eine Laserdiode.
-
Wie weiter oben bereits erwähnt wurde, wird hier unter dem optischen System die Summe aller optischen Elemente verstanden, die die Intensität und/oder Richtung des von der Halbleiterlichtquelle 16 emittierten Lichtes bis zu seinem Austritt aus der Beleuchtungseinrichtung 10 beeinflussen. In einer bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei der Beleuchtungseinrichtung 10 um einen Scheinwerfer, es kann sich aber auch um eine separate, Signalfunktionen erfüllende Bugleuchte oder eine Heckleuchte handeln. Bei Scheinwerfern ist das optische System zum Beispiel ein Reflexionssystem oder ein Projektionssystem. Die Erfindung ist von der speziellen Ausgestaltung des optischen Systems unabhängig realisierbar. Der Begriff des optischen Systems soll also zunächst alle optischen Elemente der Beleuchtungseinrichtung umfassen, die die Intensität und/oder Richtung des Lichtes bis zum Verlassen der Beleuchtungseinrichtung 10 beeinflussen. Ein solches optisches System zeichnet sich ganz allgemein dadurch aus, dass es dazu eingerichtet ist, aus Licht der Halbleiterlichtquelle eine vorbestimmte Lichtverteilung im Vorfeld der Beleuchtungseinrichtung zu erzeugen.
-
Bei Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtungen 10 sind die Lichtaustrittsflächen der Halbleiterlichtquellen 16 in der Regel sehr klein. Eine einzelne Leuchtdiode einer solchen Halbleiterlichtquelle 16 besitzt typischerweise eine quadratische Lichtaustrittsfläche mit einer Kantenlänge von etwa 1 mm2. Allgemein werden für Kraftfahrzeuganwendungen verbreitet Halbleiterlichtquellen verwendet, die eine viereckige Lichtaustrittsfläche besitzen, deren Kantenlänge etwa zwischen 0,3 mm und 2 mm liegt. Entsprechend ist die Lichtaustrittsfläche einer solchen einzelnen Lichtdiode etwa zwischen 1/10 mm2 und ca. 4 mm2 groß. Das aus einer solchen kleinen Lichtaustrittsfläche austretende Licht wird durch das optische System 18 in die breite Lichtverteilung auf der Fahrbahn gestreut, die man zum Beispiel von Abblendlicht-Lichtfunktionen oder Fernlicht-Lichtfunktionen von Frontscheinwerfern kennt. Das bedeutet umgekehrt, dass von außen in die Beleuchtungseinrichtung 10 einfallendes Licht durch das optische System 18 entsprechend stark fokussiert wird. Diese Fokussierung kann zu den weiter oben erwähnten thermischen Belastungen führen.
-
Um diese thermischen Belastungen zu verringern, weist die Beleuchtungseinrichtung 10 ein Volumen aus phototropem Material 24 auf. Das Volumen aus phototropem Material 24 ist als Bestandteil der Beleuchtungseinrichtung 10 so angeordnet, das von außen durch eine Lichtaustrittsöffnung der Beleuchtungseinrichtung 10 einfallendes Licht, das von dem optischen System 18 gebündelt wird, durch das Volumen aus phototropen Material 24 hindurch läuft.
-
Für eine von außen einfallende Strahlung ist das phototrope Material bei der Beleuchtungseinrichtung 10, die in der 1 dargestellt ist, vor dem optischen System 18 angeordnet. Bei dieser Anordnung schützt das phototrope Material das gesamte im Strahlengang dahinterliegende optische System 18 vor einer unerwünscht hohen Strahlenbelastung. Eine solche Anordnung ist jedoch nicht zwangsläufig erforderlich.
-
In einer anderen Ausgestaltung ist das Volumen aus phototropem Material 24 in dem optischen System 18 als Teil des optischen Systems 18 angeordnet. In einer weiteren alternativen Ausgestaltung ist das Volumen aus phototropem Material 24 zwischen der Halbleiterlichtquelle 16 und dem optischen System 18 angeordnet.
-
Auch diese Anordnungen ergeben signifikante Reduzierungen der Strahlenbelastungen, da die von außen einfallende Strahlung durch das optische System 18 in Umkehrung des Lichtweges, den das von der Halbleiterlichtquelle 16 ausgehende sichtbare Licht nehmen soll, auf eben diese Halbleiterlichtquelle 16 fokussiert wird.
-
2 zeigt ein Strahlungsspektrum 26 der Sonne und ein Strahlungsspektrum 28 einer weißes Licht emittierenden Leuchtdiode (LED) als Halbleiterlichtquelle. Dabei sind jeweils relative Intensitäten der jeweiligen Strahlung über der Wellenlänge der jeweiligen Strahlung aufgetragen. Aufgrund der Auftragung relativer Intensitäten sind die Maxima der Strahlungsspektren gleich hoch. Aufgrund der Normierung auf ihr jeweiliges Maximum sind nur der Abszissenwert, nicht aber die Ordinatenwerte der Spektren miteinander vergleichbar. In Bezug auf die jeweilige Intensität sind nur Punkte eines Strahlenspektrums miteinander vergleichbar.
-
Die weißes Licht emittierende LED emittiert aus ihrem Halbleitermaterial zunächst blaues Licht, und die Lichtaustrittsfläche der LED ist mit einem gelbem Fluoreszenzfarbstoff belegt, der einen Teil des blauen Lichtes in gelbes Licht konvertiert. Die LED gibt dann in der Summe eine Mischung aus blauem Licht und gelbem Licht ab, wobei das blaue Licht dem schmalen Peak 30 entspricht, und wobei das gelbe Licht dem breiteren Peak 32 entspricht. In der Summe ergibt diese additive Farbmischung weißes Licht. Außerhalb der beiden Peaks 30 und 32 ist die relative Intensität des von der LED abgegebenen Lichtes dagegen verschwindend gering. Dieses Licht enthält zum Beispiel nur geringe rote und grüne Anteile und ist daher eher diskontinuierlich. Es weist also insbesondere Lücken auf, in denen die Intensität im Vergleich zu den Intensitätsmaxima nur sehr gering ist.
-
Das Strahlungsspektrum 26 der Sonne ist dagegen bekanntlich kontinuierlicher. In dem Strahlungsspektrum der Sonne treten auch außerhalb der beiden Peaks 30 und 32 der weißes Licht emittierenden LED vergleichsweise hohe Intensitäten auf. So gibt es im Strahlungsspektrum der Sonne einen ersten Bereich 34, der links von dem blaues Licht repräsentierendem Peak 30 der LED liegt und der einen Bereich ultravioletter Strahlung repräsentiert. Analog gibt es im Strahlungsspektrum 26 der Sonne auch rechts von dem gelbes Licht repräsentierenden Peak 32 der LED einen weiteren ersten Bereich 36, in dem ebenfalls vergleichsweise hohe Intensitäten herrschen. Dieser weitere erste Bereich 36 stellt einen Bereich mit infraroter Strahlung dar.
-
Phototrope Materialien zeichnen sich dadurch aus, dass sie sich dann verdunkeln, wenn die Intensität der einfallenden Strahlung in einem bestimmten Wellenlängenbereich zunimmt. Ob die Strahlung, welche die Verdunklung auslöst, in dem einen oder dem anderen Wellenlängenbereich liegt, ist dabei vom phototropen Material selbst abhängig. Die Verdunklung ergibt sich als Folge einer ansteigenden Absorption der einfallenden Strahlung im phototropen Material bei abnehmender Transmission des phototropen Materials.
-
Für Ausgestaltungen der Erfindung ist bevorzugt, dass der Wellenlängenbereich der die Verdunklung auslösenden Strahlung außerhalb des Wellenlängenbereichs des sichtbaren Lichtes liegt, in dem das Strahlungsmaximum der Halbleiterlichtquelle liegt. Sowohl der in der 2 dargestellte erste Bereich 34 ultravioletter Strahlung als auch der weitere Bereich 36 infraroter Strahlung erfüllen diese Bedingung.
-
Das phototrope Material verdunkelt sich unter dem Einfluss einer hinreichend intensiven Strahlung aus einem ersten Wellenlängenbereich 34 und/oder 36, wobei der erste Wellenlängenbereich außerhalb eines zweiten Wellenlängenbereichs 35 liegt, in dem das Strahlungsmaximum des sichtbaren Lichtes der Halbleiterlichtquelle liegt.
-
Die Verdunklung des phototropen Materials, die sich unter dem Einfluss einer hinreichend intensiven Strahlung aus einem vom phototropen Material abhängigen Wellenlängenbereich ergibt, ist dann nicht auf bestimmte Wellenlängenbereiche beschränkt, insbesondere nicht auf den Wellenlängenbereich, in dem die die Verdunklung auslösende Strahlung auftritt. Die Verdunklung erfasst vielmehr weitere Wellenlängenbereiche, insbesondere auch den Bereich sichtbaren Lichtes. Durch diese Eigenschaft wird die durch Strahlung im ultravioletten Bereich und/oder im infraroten Bereich ausgelöste Erhöhung der Absorption und Verringerung der Transmission des phototropen Materials vom menschlichen Sehsinn als Verdunklung wahrgenommen.
-
Halbleiterlichtquellen, die bei Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtungen verwendet werden, erzeugen keine relevante UV Strahlung, so ihr Licht selbst keine Verdunkelung des Scheinwerfers auslöst. Scheint jetzt jedoch die Sonne auf den Scheinwerfer, so wird der Phototrope Stoff durch die UV-Strahlung der Sonne aktiviert. Das Material verdunkelt sich und schützt damit die im Strahlengang der von außen einfallenden Strahlung hinter dem phototropen Material liegenden Bauteile, indem sie die auf diese Bauteile einfallende Strahlungsleistung reduziert.
-
Durch die Abnahme der Transmission bei ansteigender Absorption des phototropen Materials wird die Menge der in die Nähe der Halbleiterlichtquelle 16 fokussierten Strahlungsenergie stark verringert. Dadurch wird eine thermische Überlastung der Halbleiterlichtquelle 16 und ihrer Umgebung verhindert.
-
Beispiele phototroper Materialien sind phototrope Gläser. Bei diesen Materialien unterscheidet man zwischen mineralischen und organischen phototropen Gläsern. Zur Herstellung mineralischer phototropischer Glaser wird Borosilikatglas verwendet. Um die gewünschten phototropischen Eigenschaften zu erzielen, werden der Glasschmelze als phototrope Substanzen Silberhalogenide zugegeben. Die phototropen Eigenschaften werden nach dem Abkühlen des Glases durch einen zusätzlichen Tempervorgang bei ca. 600°C erzeugt. Aufgrund des Umstandes, dass die phototropen Substanzen über die gesamte Dicke des Materials gleichmäßig eingelagert sind, kann der Grad der Verdunklung je nach Dicke des phototropischen Materials variieren.
-
Organische phototrope Gläser werden aus einem speziellen Kunststoff hergestellt, der sich für die Aufnahme phototroper Farbstoffe eignet. Der Kunststoff kann dabei als Feststoff oder als Fluid verarbeitet werden, das auf die entsprechende Oberfläche eines optischen Elements aufgetragen wird und sich dann verfestigt. Diese Materialien erhalten ihre phototropen Eigenschaften erst als Halb-Fertigfabrikat. Die Phototropie wird durch eine sogenannte Photochromisation erzielt, bei der phototrope Moleküle etwa 0,15 mm tief in eine Fläche des Glases eingebracht werden. Diese Moleküle zeichnen sich dadurch aus, dass sie bei der Bestrahlung mit ultravioletter Strahlung und kurzwelligem blauen Licht ihre chemische Struktur verändern. Als Folge tritt eine Verdunklung auf. Nimmt die ultraviolette Strahlung dagegen wieder ab, hellt sich auch das Glas wieder auf. Da sich die Moleküle nur an der Oberfläche des Glases befinden, erfolgt die Verdunklung gleichmäßig über die gesamte Fläche des Materials, unabhängig von dessen Dicke.
-
Im Folgenden werden unter Bezug auf die 3, 4 und 5 zunächst Ausgestaltungen verschiedener optischer Systeme von Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtungen kurz erläutert.
-
Beim Gegenstand der 3 ist das optische System 18 ein Projektionssystem. Es weist, von der Halbleiterlichtquelle 16 ausgehend, eine Primäroptik 38, eine Blende 40 und eine Sekundäroptik 42 auf. Die Primäroptik 38 ist hier ein Reflektor mit einer reflektierenden Oberfläche, auf die das Licht der Halbleiterlichtquelle 16 einfällt. Die Halbleiterlichtquelle 16 ist in einem ersten Brennpunkt der Primäroptik 38 angeordnet. Die Primäroptik 38 bildet die Halbleiterlichtquelle 16 in einem zweiten Brennpunkt der Primäroptik 38 ab. Dort wird das Bild der Halbleiterlichtquelle 16 gegebenenfalls durch die Blende 40 begrenzt.
-
Der zweite Brennpunkt der Primäroptik 38 fällt mit einem Brennpunkt der Sekundäroptik 42, hier einer Projektionslinse, zusammen. Die Sekundäroptik 42 projiziert das von der Blende 40 begrenzte Bild der Halbleiterlichtquelle 16 als Lichtverteilung in das Vorfeld der Beleuchtungseinrichtung 10. Dabei wird die das Bild der Halbleiterlichtquelle 16 begrenzende Kante der Blende 40 als Hell-Dunkel-Grenze der Lichtverteilung abgebildet. Die Blende 40 kann auch entfallen oder aus dem Lichtweg heraus bewegt werden oder eine andere aus dem Stand der Technik bekannte variable Blende sein, zum Beispiel eine rotierbare Blendenwalze, die mehrere Blendenkanten aufweist. Dann erzeugt der Gegenstand der 3 eine Lichtverteilung ohne eine solche Hell-Dunkel-Grenze.
-
In einer alternativen Ausgestaltung wird anstelle eines normalen Reflektors als Primäroptik 38 ein lichtbrechender und Licht intern totalreflektierender transparenter Festkörper verwendet.
-
4 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Reflexionssystems als optisches System 18. Das optische System 18 besteht in dieser Ausgestaltung aus einem Reflektor 44, der dazu eingerichtet ist, die erwünschte Lichtverteilung direkt aus dem Licht der Halbleiterlichtquelle 16 zu erzeugen. Die Halbleiterlichtquelle 16 befindet sich bevorzugt in einem Brennpunkt des Reflektors 44. Der Reflektor 44 ist dazu eingerichtet und angeordnet, das Licht der Halbleiterlichtquelle 16 zu sammeln und die gewünschte Lichtverteilung im Vorfeld der Beleuchtungseinrichtung 10 direkt aus dem gesammelten Licht zu erzeugen. Jedes Flächenelement der Reflexionsfläche des Reflektors 44 ist dazu bevorzugt so ausgerichtet, dass es einfallendes Licht der Halbleiterlichtquelle 16 in einen durch die Anordnung des Flächenelements im Reflektor 44 und durch die Ausrichtung des Flächenelements zur Halbleiterlichtquelle 16 festgelegten Bereich der gewünschten Lichtverteilung reflektiert. Diese Ausrichtung und Anordnung wird beim Reflektorentwurf für eine Vielzahl von Flächenelementen durchgeführt. Die resultierende Reflektorform wird zur Unterscheidung von zum Beispiel parabolischen Reflektoren als Freiform bezeichnet. Durch die Summe der Beiträge sämtlicher Flächenelemente des Reflektors ergibt sich so die gewünscht Lichtverteilung.
-
Auch hier gilt, dass ein solcher Reflektor 44 durch einen Licht brechenden und Licht intern totalreflektierenden transparenten Festkörper ersetzt werden kann, der die gewünschte Lichtverteilung erzeugt.
-
Die 5 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines optischen Systems 18. solche Ausgestaltung wird auch als direkt abbildendes System bezeichnet. Das optische System 18 besteht hier aus einer Projektionslinse 46. Die Projektionslinse 46 erzeugt die erwünschte Lichtverteilung direkt als Abbildung der Lichtaustrittsfläche der Halbleiterlichtquelle 16. Ein solches optisches System wird zur Unterscheidung von einem Projektionssystem und einem Reflexionssystem auch als direkt abbildendes System bezeichnet. Dabei befindet sich die Lichtaustrittsfläche der Halbleiterlichtquelle 16 bevorzugt in einer Brennfläche der Projektionslinse 46. Außerdem ist die Lichtaustrittsfläche der Halbleiterlichtquelle 16 dabei bevorzugt so ausgestaltet, dass sie der Form der erwünschten Lichtverteilung entspricht. Dies kann zum Beispiel durch ein Feld entsprechend angeordneter einzelner LEDs erzielt werden.
-
In diesem technischen Umfeld zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass die Beleuchtungseinrichtung 10 ein Volumen aus phototropem Material aufweist, dass als Bestandteil der Beleuchtungseinrichtung 10 so angeordnet ist, dass von außen durch eine Lichtaustrittsöffnung der Beleuchtungseinrichtung 10 einfallendes Licht, das von dem optischen System 18 gebündelt wird, durch das Volumen aus phototropen Material hindurch läuft.
-
Im Folgenden werden unter Bezug auf die 6 bis 11 verschiedene Ausgestaltungen solcher phototropen Volumina und ihrer Anordnung in einer Beleuchtungseinrichtung erläutert.
-
Die 6 zeigt Ausgestaltungen einer Abdeckscheibe 14 mit phototropen Eigenschaften. Beim Gegenstand der 6a besteht die ganze Abdeckscheibe 14 aus phototropem Material, so dass das Volumen aus phototropem Material hier mit der Abdeckscheibe 14 identisch ist. Das Volumen aus phototropem Material ist dabei hier, wie auch in den folgenden 6b bis 11 jeweils schraffiert dargestellt.
-
Die 6b zeigt eine Ausgestaltung einer Abdeckscheibe, bei der ein Volumen aus phototropem Material 24 auf eine Grundstruktur 14.1 eine Abdeckscheibe aufgebracht ist. In der dargestellten Ausgestaltung bildet die Schicht aus phototropem Material 24 eine Außenseite der Abdeckscheibe 14. Die Schicht aus phototropem Material kann aber auch auf der Innenseite der Abdeckscheibe 14 angeordnet sein.
-
7 zeigt Ausgestaltungen einer Projektionslinse 46 mit phototropen Eigenschaften. Grundsätzlich ist es natürlich möglich, dass die Linse in ihrer ganzen Dicke aus phototropem Material besteht. Aufgrund der doch recht ungleichmäßigen Dicke der Linse kann es dann jedoch zu einer unerwünscht ungleichmäßigen Verdunkelung kommen, wobei sich Stellen mit größeren Materialstärken dann stärker verdunkeln. Es ist daher bevorzugt, dass das phototrope Volumen nur einen Teil des Volumens der Projektionslinse ausmacht.
-
7a zeigt eine Ausgestaltung, bei der eine der Halbleiterlichtquelle 16 zugewandte Seite der Projektionslinse 46 mit einem schichtförmigen Volumen aus phototropem Material 24 belegt ist.
-
7b zeigt eine Ausgestaltung, bei der eine der Halbleiterlichtquelle abgewandte Seite der Projektionslinse 46 mit einem schichtförmigen Volumen aus dem phototropen Material 24 belegt ist.
-
Die 7c zeigt eine Ausgestaltung, bei der sowohl eine der Halbleiterlichtquelle 16 zugewandte Seite als auch eine der Halbleiterlichtquelle 16 abgewandte Seite der Projektionslinse 46 jeweils ein schichtförmiges Volumen aus phototropem Material 24 trägt.
-
Die 7d zeigt eine Ausgestaltung, bei der ein Kern der Linse 46 als Volumen aus phototropem Material 24 verwirklicht ist, wobei dieser Kern in übliches Linsenmaterial, insbesondere in einen transparenten Kunststoff eingebettet ist.
-
Die 7e zeigt eine Ausgestaltung, bei der eine Schicht 24 aus phototropem Material zwischen einer der Lichteintrittsseite zugewandten nicht phototropen Schicht und einer der Lichtaustrittsseite zugewandten nicht phototropen Schicht der Projektionslinse liegt.
-
Für die in den 6b und 7a bis d dargestellten Ausgestaltungen eignen sich insbesondere bekannte Zwei-Komponenten Kunststoff-Spritzgussverfahren zur Herstellung solcher Elemente. Dabei wird in einem Prozessschritt das phototrope Volumen und in einem anderen Prozessschritt das Restvolumen des jeweiligen Elements oder Bauteils erzeugt. Die Schrittreihenfolge ergibt sich dabei unter Umständen zwangsläufig durch die Anordnung des phototropen Volumens.
-
Die 8 zeigt als Ausführungsbeispiel einen Reflektor, dessen reflektierende Oberfläche mit einem schichtförmigen Volumen aus phototropem 24 Material belegt ist. Die 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei der ein als Primäroptik dienender transparenter Festkörper sowohl auf einer ersten Seite 52 als auch auf einer zweiten Seite 54 jeweils mit einem Volumen aus phototropem Material 24 belegt ist. Die erste Seite 52 ist dabei zum Beispiel eine der Halbleiterlichtquelle 16 zugewandte Seite, während die zweite Seite 54 dann eine der Halbleiterlichtquelle 16 abgewandte Seite der Primäroptik 50 darstellt.
-
An Stelle dieser Ausgestaltung, bei der beide Seiten des transparenten Festkörpers 50 mit einem Volumen aus phototropem 24 Material belegt sind, ist es auch möglich, nur eine der beiden Seiten, sei es die erste Seite 52 oder die zweite Seite 54, mit einem Volumen aus phototropem Material 24 zu belegen. Der transparente Festkörper 50 kann zum Beispiel bei einem Reflexionssystem, wie es in der 4 dargestellt ist, den Reflektor 44 ersetzen. Ein für eine Verwendung als Primäroptik eingerichteter transparenter Festkörper zeichnet sich dadurch aus, dass er über eine als Lichteintrittsseite für das Licht der Halbleiterlichtquelle 16 dienende erste Seite 52 und eine im Bezug auf Licht der Halbleiterlichtquelle 16 als Lichtaustrittsseite dienende zweite Seite 54 hinaus noch Seitenflächen 56 und 58 aufweist. Dann dient sowohl die erste Seite 52 als auch die zweite Seite 54 als Licht brechende Fläche, so wie bei einer Linse. Als zusätzliche Licht richtende Flächen kommen dann noch die Seitenflächen 56 und 58 dazu, die dazu eingerichtet sind, dass an ihnen interne Totalreflexionen des über die Lichteintrittsfläche eingespeisten Lichtes der Halbleiterlichtquelle auftreten. Bei dieser Ausgestaltung ist bevorzugt, dass die Lichteintrittsseite und/oder die Lichtaustrittsseite mit phototropem Material belegt ist. Alternativ oder ergänzend zu einer Belegung der Licht brechenden Lichteintrittsseite und/oder der Lichtaustrittsseite mit phototropem Material können auch die Flächen 56 und 58 mit phototropem Material 24 belegt sein. Die internen Totalreflexionen treten dann an der äußeren Grenzfläche des phototropen Materials zu der umgebenden Luft auf.
-
Die 10 zeigt verschiedene Ausgestaltungen einer separaten, von der Abdeckscheibe 14 verschiedenen Scheibe 60. Ähnlich wie bei der Abdeckscheibe 14 kann auch die separate Scheibe 60 entweder komplett als Volumen 24 aus phototropem Material hergestellt sein, oder sie kann aus einer Grundstruktur 60.1 bestehen, auf die ein Volumen aus phototropem Material 24 schichtförmig aufgebracht ist. Die 11 zeigt eine weitere Ausgestaltung bei der ein sehr kleines Volumen aus phototropem Material 24 in Form einer becherartigen Abdeckung der Halbleiterlichtquelle 16 vorgesehen ist.
-
Die Ausgestaltungen nach der 6 können mit jedem der drei in den 3 bis 5 vorgestellten optischen Systeme verwendet werden. Die Ausgestaltungen der 7, die sämtliche Projektionslinsen mit phototropen Eigenschaften betreffen, können bei Reflexionssystemen und direkt abbildenden Systemen, die eine solche Linse verwenden, benutzt werden. Ein Reflexionssystem ist weiter oben unter Bezug auf die 3 beschrieben worden, während ein direkt abbildendes System in der 5 dargestellt ist.
-
Der phototrope Eigenschaften aufweisende Reflektor 44 aus der 8 und auch der phototrope Eigenschaften aufweisende transparente Festkörper 50 aus der 9 können als Primäroptik 38 bei einem Projektionssystem dargestellt werden, wie es zum Beispiel in der 3 dargestellt ist. Alternativ können diese Ausgestaltungen aber auch als Reflektoren bei einem Reflexionssystem verwendet werden, wie es in der 4 dargestellt ist.
-
Die Ausgestaltungen nach 10 und 11 können bei jedem der drei in den 3 bis 5 dargestellten optischen Systeme 18 verwendet werden. Dabei kann die separate Scheibe 60 prinzipiell an beliebiger Stelle zwischen der Halbleiterlichtquelle 16 und der Abdeckscheibe 14 angeordnet werden.
-
Die becherartige Abdeckung aus der 11 ist jedoch bevorzugt in der Nähe der Halbleiterlichtquelle 16 angeordnet. Dabei wird unter einer Nähe hier ein Abstand verstanden, der kleiner als 5 mm ist. Der Vorteil der becherartigen Abdeckung aus der 11 gegenüber den ausgedehnteren Scheiben 60 aus den 10a und b besteht darin, dass diese Abdeckung sehr klein ist und damit das Erscheinungsbild wenig beeinträchtigt. Nachteilig ist, dass aufgrund der geringen Größe auch nur eine kleine Masse und damit eine kleine Wärmekapazität vorhanden ist. Es daher bevorzugt, die Abdeckung in einem thermischen Kontakt zum Kühlelement 22 der Halbleiterlichtquelle 16 anzuordnen.
-
Allgemein ist für den Fall der Verwendung einer separaten Scheibe bevorzugt, dass diese den Lichtbündelquerschnitt abdecken kann. Die Abmessungen der Scheibe in einer zur Hauptausbreitungsrichtung des Lichtes am Ort der Scheibe senkrechten Richtung entspricht daher bevorzugt den Abmessungen des Lichtbündelquerschnitts am Ort der Scheibe. Wird die Scheibe in einem Projektionssystem in der Nähe des zweiten Brennpunkts der Primäroptik angeordnet, der etwa mit dem Brennpunkt der Sekundäroptik zusammenfällt, kann eine vergleichsweise kleine Scheibe verwendet werden, weil das Lichtbündel dort eine Einschnürung aufweist.
-
Mit kleinen Scheiben sind Vorteile geringer Materialkosten verbunden. Größere Scheiben haben dagegen den Vorteil, dass sich die Wärme über einen größeren Bereich verteilt. Dies gilt analog für sämtliche Ausgestaltungen. Ausgedehnte phototrope Volumina haben den Vorteil, vergleichsweise mehr Licht absorbieren zu können, ohne dabei selbst unzulässig stark aufgeheizt zu werden.
