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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mischvorrichtung zum Einkoppeln von Licht einer mehrfarbigen LED in eine Lichtleitfaser und eine Einkoppelvorrichtung mit einer solchen Mischvorrichtung.
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STAND DER TECHNIK
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Grundsätzlich ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass die Einkopplung von Licht einer Lichtquelle wie etwa einer LED, die eine omnidirektionale Abstrahlcharakteristik hat, in eine Lichtleitfaser Schwierigkeiten bereitet. Zunächst bestehen Schwierigkeiten insbesondere dann, wenn die lichtemittierende Fläche der Lichtquelle größer als die Einkoppelfläche des Lichtleiters ist, weil in diesem Fall nur ein Teil des erzeugten Lichts tatsächlich in den Lichtleiter eingekoppelt wird. Aus
US 2011/0149592 A1 geht beispielsweise eine Vorrichtung hervor, mit deren Hilfe Licht einer weißen LED so fokussiert werden kann, dass es effizient in eine Lichtleitfaser eingekoppelt wird.
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Darüber hinaus bestehen bei mehrfarbigen LEDs weitere Probleme. Mehrfarbige LEDs, wie etwa eine RGB-LED, weisen mehrere diskrete lichtemittierende Flächen auf, aus denen das erzeugte Licht der einzelnen Farben austritt. Um auch Mischfarben der mehreren diskreten Farben einer solchen mehrfarbigen LED in eine Lichtleitfaser einleiten zu können, muss das Licht der verschiedenen Lichtquellen zunächst vermischt werden, bevor es in die Lichtleitfaser eingekoppelt wird, um eine inhomogene Einkopplung des Lichts zu vermeiden, bei der beispielsweise ein großer Anteil des grünen Lichts, aber nur ein kleiner Anteil des blauen oder roten Lichts eingekoppelt wird, obwohl die LED Licht gleichmäßig emittiert. Hierfür stellt beispielsweise
US 2011/0228555 A1 eine Lösung bereit, indem selektive Filterelemente beschrieben werden, die zwischen die einzelnen diskrete Farben emittierenden Abstrahlflächen vorgesehen sind, um ein Mischen des Lichts zu bewirken.
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Ein derartiger Aufbau ist jedoch aufwendig, teuer und raumintensiv und eignet sich deshalb beispielsweise nicht dazu, in einem Fahrzeuginterieurbauteil eingebaut zu werden. Ferner ist zusätzlich zu der Vorrichtung aus der
US 2011/0228555 A1 eine separate Linse nötig, um Licht auf die kleinen Maße einer Lichtleitfaser zu fokussieren. Dies ist unter anderem notwendig, um einerseits die Effizienz der Einkopplung des Lichts zu erhöhen und andererseits auch sicherzustellen, dass gemischtes mehrfarbiges Licht, nicht nur einzelne Farben des Lichts, möglichst gleichmäßig in den Lichtleiter eingekoppelt wird.
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Die bekannten Konstruktionen sind darüber hinaus sehr empfindlich im Hinblick auf die Positionierung der Lichtleitfaser gegenüber der Misch- und Fokussiervorrichtung. Dies erschwert ihren Einbau in vielen Produkten oder macht ihn sogar praktisch unmöglich.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zur Einkopplung von Licht einer mehrfarbigen LED in eine Lichtleitfaser sind insbesondere für eine Anwendung im Automotivbereich ungenügend, weil sie zu ineffizient, zu teuer, zu aufwendig einzubauen und/oder zu groß sind.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt vor diesem Hintergrund darin, eine Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht einer mehrfarbigen LED in eine Lichtleitfaser bereitzustellen, welche die obigen Nachteile überwindet und somit den effizienten, platzsparenden und preiswerten Einbau, auch in Automotivbauteilen, ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Mischvorrichtung nach Anspruch 1 und die Einkoppelvorrichtung nach Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Mischvorrichtung zum Einkoppeln von Licht einer mehrfarbigen LED in eine Lichtleitfaser ist zumindest abschnittsweise derart zylinderförmig ausgebildet und mit einer konvexen Stirnfläche versehen, dass sie dazu geeignet ist, Licht verschiedener Farben eines Aufnahmestrahls eines Aufnahmestrahldurchmessers aufzunehmen, die Farben des aufgenommenen Lichts zu mischen und das gemischte Licht anschließend als Ausgabestrahl eines Ausgabestrahldurchmessers auszugeben. Dabei ist der Ausgabestrahldurchmesser kleiner als der Aufnahmestrahldurchmesser.
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In diesem Zusammenhang wird unter einer Lichtleitfaser jeder faserförmige Lichtleiter verstanden, unabhängig davon, ob er aus Glas, PMMA oder einem anderen Licht leitenden Kunststoff oder anderen Material gefertigt ist.
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Eine mehrfarbige LED bezeichnet in diesem Zusammenhang insbesondere eine RGB-LED. Eine solche LED weist mehrere Licht emittierende Felder auf, die Licht diskreter Wellenlängen und damit Farben emittieren. Diese mehreren Felder können dabei sowohl unmittelbar aneinander anschließen als auch in gewissem Umfang voneinander beabstandet sein.
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Die Mischvorrichtung ist zumindest abschnittsweise zylinderförmig ausgebildet. Hierunter ist eine Gestalt zu verstehen, die eine Grundfläche einer bestimmten Form und eine Zylinderachse aufweist, entlang der die Grundfläche projiziert wird. Die Zylinderachse muss dabei nicht notwendigerweise senkrecht auf der Grundfläche stehen und die Grundfläche muss nicht notwendigerweise kreisförmig sein.
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Ferner ist die Mischvorrichtung mit einer konvexen Stirnfläche versehen. Mit anderen Worten umfasst die Mischvorrichtung einen Zylinderabschnitt und einen beispielsweise unmittelbar hieran anschließenden Abschnitt, der insbesondere die Form einer Halbkugel oder eines Halbellipsoids haben kann. Die Oberfläche dieses zweiten Abschnitts ist konvex ausgestaltet, das heißt nach außen gewölbt.
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Die erfindungsgemäße Mischvorrichtung zeichnet sich insbesondere durch ihre Kompaktheit aus. Durch die beanspruchte Form wird auf sehr kleinem Raum sowohl eine Mischung als auch eine Fokussierung des aufgenommenen Lichts auf kleine Strahldurchmesser ermöglicht. Auf diese Weise ist es möglich, ein einziges Bauteil einzusetzen, mit dem von einer RGB-LED emittiertes Licht gleichmäßig in eine Lichtleitfaser eingekoppelt werden kann. Insbesondere ist es also nicht nötig, eine separate Mischvorrichtung und Linse zu verwenden, was die Kosten für die Misch- und Fokussiervorrichtung erhöhen würde.
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Das Mischen der Farben innerhalb der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung erfolgt insbesondere durch Mehrfachreflexion an der Grenzfläche bzw. an Rändern und/oder an Streubereichen innerhalb der Vorrichtung. Daneben ist es auch möglich, das Licht durch ein diffuses Material, einzeln eingestreute Streukörper oder eine aufgeraute Mantelfläche der Mischvorrichtung stärker zu vermischen, wobei zusätzliche Streuung in der Vorrichtung sich nachteilig auf die Lichtleitfähigkeit der Vorrichtung auswirkt.
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Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird ein großer Anteil des Lichts der LED in die Lichtleitfaser eingekoppelt, und aufgrund der erfindungsgemäßen Form sind auch Toleranzen hinsichtlich der Positionierung und Ausrichtung der Mischvorrichtung gegenüber der Lichtleitfaser im Gegensatz zum Stand der Technik deutlich erhöht, was einen leichteren Einbau der Vorrichtung ermöglicht. Dies führt insbesondere dazu, dass die Position des Endes der Lichtleitfaser, in das das Licht der LED eingekoppelt werden soll, nicht aufwendig überwacht werden muss. Beispielsweise kann die Lichtleitfaser lediglich durch eine Längsführung geführt und im Anschlag an die erfindungsgemäße Mischvorrichtung positioniert werden. Ein separater Anschlag in Form eines Abstandhalters der Lichtleitfaser von der Mischvorrichtung ist daher unnötig.
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Darüber hinaus ermöglicht die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Mischvorrichtung eine deutliche Verkleinerung der äußeren Maße der Mischvorrichtung im Gegensatz zu bisher bekannten Vorrichtungen mit Spiegeln, Filtern oder Linsen. Der Durchmesser der Mischvorrichtung beträgt beispielsweise zwischen 2 mm und 4 mm, insbesondere 2,8 mm, ihre Länge beträgt zwischen 4 mm und 12 mm, insbesondere 7 bis 8 mm. Auf diese Weise ist es möglich, Licht einer mehrfarbigen LED in eine Lichtleitfaser einzukoppeln, deren Durchmesser weniger als 2 mm, insbesondere 1 mm beträgt. Bei dieser Einkopplung wird dabei gleichzeitig eine hohe Effizienz und eine hohe Toleranz gegenüber Positionsungenauigkeiten erzielt.
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Eine bevorzugte einstückige Ausgestaltung der Mischvorrichtung ermöglicht eine besonders preiswerte Herstellung der Mischvorrichtung. Als Material wird für die Mischvorrichtung ein transparenter Kunststoff, bevorzugt PMMA (Polymethylmethacrylat), PC (Polycarbonat) oder Glas verwendet. Diese Materialien werden bevorzugt homogen zur Mischvorrichtung geformt, um Licht besonders effizient zu leiten. Bei dem Kunststoff kann es sich sowohl um ein festes Material, als auch um ein zähflüssiges oder gelartiges Material handeln, sofern die Formstabilität der Mischvorrichtung beispielsweise durch eine Ummantelung sichergestellt ist. Es ist auch möglich, dass die Mischvorrichtung verschiedene Abschnitte enthält, von denen einige aus festem Material und andere aus zähflüssigem oder gelartigem Material ausgebildet sind.
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Der zylinderförmige Abschnitt kann ein diffuses Material, eine zumindest teilweise aufgeraute Oberfläche oder eine zumindest teilweise mit einer Reflexionsschicht versehene Oberfläche aufweisen. Derartige Merkmale des zylinderförmigen Abschnitts beeinflussen die Streuung beziehungsweise Leitung des Lichts und damit auch die Durchmischung der einzelnen Farben des eingekoppelten Lichts innerhalb des zylinderförmigen Abschnitts.
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Eine erfindungsgemäße Einkoppelvorrichtung umfasst eine mehrfarbige LED, eine Lichtleitfaser und eine Mischvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Dabei ist die Länge der Mischvorrichtung bevorzugt kürzer als das Fünffache des Durchmessers der LED, wobei in diesem Zusammenhang die Emissionsfläche der LED gemeint ist, nicht jedoch ein Sockel oder Peripherieeinrichtungen hiervon.
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Bevorzugt liegt die Lichtleitfaser dabei stirnseitig unmittelbar an die konvexe Stirnfläche der Mischvorrichtung an. Die Mischvorrichtung weist dabei jedoch eine geschlossene Oberfläche auf, ist also nicht einstückig mit der Lichtleitfaser ausgestaltet, um die Durchmischung der verschiedenen Farben des Lichts in der Mischvorrichtung sicherzustellen.
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Zur positionsgenauen Fixierung der Lichtleitfaser ist am Gehäuse der Einkopplungsvorrichtung eine Halterung vorgesehen. Die Halterung soll die Lichtleitfaser gegenüber der Mischvorrichtung präzise befestigen, um eine optimale Ausnutzung des Ausgabestrahls der Mischvorrichtung zu realisieren. Als Halterungen haben sich sowohl Rastelemente bewährt als auch Klemmelemente als geeignet erwiesen. Als Rastelemente sind einzelne oder mehrere, lamellenartige Elemente denkbar, die sich bei Kontakt mit der Lichtleitfaser in die Oberfläche der Lichtleitfaser zumindest teilweise verrasten bzw. drücken. Die Rastelemente sind beispielsweise aus flexiblem Material, das beim Einschieben der Lichtleitfaser in das Gehäuse nachgibt und in die Lichtleitfaser in der gewünschten Position analog eines Widerhakens verrastet. Klemmelemente sind zum Beispiel Klemmringe, Spannbacken oder Schraubgewinde. Nach der Positionierung werden diese Klemmelemente über eine Drehung oder Verpressung geschlossen, so dass die Lichtleitfaser umschlossen wird und damit fixiert ist.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der beiliegenden Figurenbeschreibung und der Gesamtheit der Schutzansprüche.
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KURZE FIGURENBESCHREIBUNG
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Die beiliegende Figur zeigt eine Einkoppelvorrichtung mit einer bevorzugten Mischvorrichtung.
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WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
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Die beiliegende Figur zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Einkoppelvorrichtung 100 mit einer bevorzugten Mischvorrichtung 10. Die Mischvorrichtung 10 weist einen kreiszylinderförmigen ersten Abschnitt 12 und eine halbkugelförmigen zweiten Abschnitt 14 auf, die einstückig miteinander ausgeführt sind. Die Länge L der Mischvorrichtung 10 beträgt in der dargestellten Ausführungsform 8 mm und der Durchmesser D im Bereich des zylindrischen Abschnitts 12 beträgt 2,8 mm. Die Mischvorrichtung 10 ist in der bevorzugten Ausführungsform aus PMMA hergestellt und schließt unmittelbar an eine RGB-LED 16 an. Die Mischvorrichtung 10 schließt an die LED 16 an ihrem Fußenden an, das heißt an dem Ende der Mischvorrichtung 10, das der konvex gewölbten Oberfläche der Mischvorrichtung 10 gegenüber liegt. Das Fußende der Mischvorrichtung 10 weist einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt auf und bildet damit gleichzeitig die Basis des zylinderförmigen Abschnitts 12 der Mischvorrichtung 10.
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Die LED 16 wird von einer Halterung 24 der Einkoppelvorrichtung 100 gehalten und kann somit sicher und präzise an notwendige Anschlüsse, beispielsweise für Elektrik und Wärmeabfuhr, angeschlossen werden.
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Auch die Mischvorrichtung 10 wird von der Einkoppelvorrichtung 100 präzise gehalten, sodass die relative Position der Mischvorrichtung 10 gegenüber den lichtemittierenden Teilen der LED 16 durch die Einkoppelvorrichtung 100 vorgegeben und eingehalten wird.
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An ihrem konvex gewölbten Abschnitt weist die Mischvorrichtung 10 einen Auskopplungsbereich 18 auf, über den Licht der LED 16 aus der Mischvorrichtung 10 in eine Lichtleitfaser 20 eingekoppelt werden kann.
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Bei der Lichtleitfaser 20 handelt es sich in der dargestellten bevorzugten Ausführungsform um einen PMMA-Leiter eines Durchmessers von 1 mm, der das Licht der mehrfarbigen LED 16 weiterleitet, beispielsweise um eine Ambientebeleuchtung, eine Instrumentenbeleuchtung oder eine ähnliche Beleuchtungsform in einem Kraftfahrzeug zu realisieren. Die Lichtleitfaser 20 wird in einer Halterung 22 des Gehäuses der Einkoppelvorrichtung 100 in ihrer Längsrichtung auf die Mischvorrichtung 10 zugeführt und stößt stirnseitig gegen die Auskoppelstelle 18 der Mischvorrichtung 10 an. In diesem Zustand wird Licht von der mehrfarbigen LED 16 besonders effizient in die Lichtleitfaser 20 eingekoppelt, wobei sowohl eine optimale Ausnutzung der Lichtstärke der LED 16 als auch eine homogene Durchmischung der einzelnen Farben der LED 16 sichergestellt sind. Als Halterung 22 dienen lamellenartige Rastelemente. Die Rastelemente sind flexibel ausgestaltet, so dass sie sich beim Einschieben der Lichtleitfaser 20 in das Gehäuse der Einkoppelvorrichtung 100 verschieben und in die Oberfläche der Lichtleitfaser zumindest teilweise verrasten. In Folge dessen wird die Lichtleitfaser 20 einfach montiert und dennoch positionsgenau im Gehäuse fixiert.
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Durch die stirnseitige Positionierung der Lichtleitfaser 20 an der Mischvorrichtung 10 hat das in die Lichtleitfaser 20 eingekoppelte Licht sowohl eine hohe Intensität als auch eine gleichmäßige Farbgebung. Die Halterung 22 für die Lichtleitfaser 20 ist ausreichend präzise, um die hohe Effizienz der Mischvorrichtung 10 auszunutzen, weil die Mischvorrichtung 10 derart konzipiert ist, dass sie große Toleranzen im Hinblick auf die Positioniergenauigkeit der Lichtleitfaser 20 toleriert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2011/0149592 A1 [0002]
- US 2011/0228555 A1 [0003, 0004]
