DE202014003075U1 - lighting device - Google Patents

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    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Abstract

Beleuchtungseinrichtung mit einem als Kollimator ausgebildeten optischen Element (2) und mindestens einer, eine lichtemittierende Oberfläche (10) aufweisende Lichtquelle (1),
dadurch gekennzeichnet, dass
– das optische Element (2) einen total reflektierend ausgebildeten Oberflächenabschnitt (20) besitzt,
– das optische Element (2) im Bereich des total reflektierend ausgebildeten Oberflächenabschnitts (20) eine Aussparung (21) besitzt, in der die Lichtquelle (1) angeordnet ist,
– das optische Element in der Aussparung (21) eine konvex gewölbte Stirnfläche (211) aufweist,
– für die maximale Abmessung H des total reflektierend ausgebildeten Oberflächenabschnitts (20) in Richtung einer Längsachse (A-A) des optischen Elements, die senkrecht zur lichtemittierenden Oberfläche (10) der Lichtquelle (1) orientiert ist, und für die maximale Abmessung R der Aussparung (21) senkrecht zur Längsachse (A-A) im Bereich der konvex gewölbten Stirnfläche (211) sowie für die maximale Abmessung L der lichtemittierenden Oberfläche (10) der mindestens eine Lichtquelle (1) senkrecht zur Längsachse (A-A) folgende Beziehungen gelten:
L/H ≤ 0,09 und 0,2 ≤ R/H ≤ 0,5Lighting device with an optical element (2) designed as a collimator and at least one light source (1) having a light-emitting surface (10),
characterized in that
The optical element (2) has a totally reflecting surface section (20),
- The optical element (2) in the region of the totally reflecting surface portion (20) has a recess (21) in which the light source (1) is arranged,
- The optical element in the recess (21) has a convexly curved end face (211),
For the maximum dimension H of the totally reflecting surface section (20) in the direction of a longitudinal axis (AA) of the optical element oriented perpendicular to the light emitting surface (10) of the light source (1) and for the maximum dimension R of the recess (20) 21) perpendicular to the longitudinal axis (AA) in the region of the convexly curved end face (211) and for the maximum dimension L of the light-emitting surface (10) of the at least one light source (1) perpendicular to the longitudinal axis (AA) have the following relationships:
L / H ≤ 0.09 and 0.2 ≤ R / H ≤ 0.5

Figure DE202014003075U1_0001
Figure DE202014003075U1_0001

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a lighting device according to the preamble of claim 1.

I. Stand der TechnikI. State of the art

Eine derartige Beleuchtungseinrichtung ist beispielsweise in der WO 2006/021179 A1 offenbart.Such a lighting device is for example in the WO 2006/021179 A1 disclosed.

II. Darstellung der ErfindungII. Presentation of the invention

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Beleuchtungseinrichtung bereitzustellen, die bei Verwendung in einem Kraftfahrzeugscheinwerfer eine Hell-Dunkelgrenze gemäß den gesetzlichen Bestimmungen ermöglicht.It is an object of the invention to provide a lighting device that allows for use in a motor vehicle headlight a bright-dark border in accordance with legal requirements.

Diese Aufgabe wird durch eine Beleuchtungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.This object is achieved by a lighting device having the features of claim 1. Particularly advantageous embodiments of the invention are described in the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung besitzt ein als Kollimator ausgebildetes optisches Element und mindestens eine, eine lichtemittierende Oberfläche aufweisende Lichtquelle, wobei das optische Element einen total reflektierend ausgebildeten Oberflächenabschnitt besitzt und im Bereich des total reflektierend ausgebildeten Oberflächenabschnitts eine Aussparung aufweist, in der die Lichtquelle angeordnet ist und in der das optische Element eine konvex gewölbte Stirnfläche aufweist, wobei für die maximale Abmessung H des total reflektierend ausgebildeten Oberflächenabschnitts in Richtung einer Längsachse des optischen Elements, die senkrecht zur lichtemittierenden Oberfläche der Lichtquelle orientiert ist, und für die maximale Abmessung R der Aussparung senkrecht zur Längsachse des optischen Elements im Bereich der konvex gewölbten Stirnfläche sowie für die maximale Abmessung L der lichtemittierenden Oberfläche der mindestens einen Lichtquelle senkrecht zur Längsachse folgende Beziehungen gelten:
L/H ≤ 0,09 und 0,2 ≤ R/H ≤ 0,5The illumination device according to the invention has an optical element designed as a collimator and at least one light emitting surface having a light source, wherein the optical element has a totally reflective formed surface portion and in the region of the totally reflective formed surface portion has a recess in which the light source is arranged and in the optical element has a convexly curved end face, wherein for the maximum dimension H of the totally reflecting surface section in the direction of a longitudinal axis of the optical element, which is oriented perpendicular to the light emitting surface of the light source, and for the maximum dimension R of the recess perpendicular to the longitudinal axis of the optical element in the region of the convexly curved end face and for the maximum dimension L of the light-emitting surface of the at least one light source perpendicular to the longitudinal axis the following relationships apply:
L / H ≤ 0.09 and 0.2 ≤ R / H ≤ 0.5

Die maximale Abmessung L bezeichnet im Fall einer Lichtquelle mit quadratischer lichtemittierender Oberfläche die Seitenlänge dieses Quadrats, im Fall einer rotationssymmetrischen lichtemittierenden Oberfläche bezeichnet die Abmessung L ihren Durchmesser und in allen anderen Fällen bezeichnet die Abmessung L die Längenabmessung der lichtemittierenden Oberfläche der Lichtquelle senkrecht zur Längsachse, in Richtung ihrer größten Ausdehnung bzw. die Länge der längsten fiktiven Strecke, die noch vollständig auf oder innerhalb der lichtemittierenden Oberfläche der Lichtquelle platziert werden kann.In the case of a rotationally symmetric light-emitting surface, the dimension L denotes its diameter and in all other cases the dimension L denotes the length dimension of the light-emitting surface of the light source perpendicular to the longitudinal axis, in the direction of their greatest extent or the length of the longest fictive path, which can still be placed completely on or within the light-emitting surface of the light source.

Aufgrund der Kombination der vorgenannten Merkmale ermöglicht die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung Lichtbündel mit geringer Divergenz und ermöglicht beim Einsatz in einem Kraftfahrzeugscheinwerfer eine scharfe Hell-Dunkelgrenze, die den gesetzlichen Bestimmungen entspricht. Insbesondere ermöglicht die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung, dass Lichtbündel, die an der konvex gewölbten Stirnfläche gebrochen oder an dem total reflektierend ausgebildeten Oberflächenabschnitt reflektiert werden, einen Öffnungswinkel von kleiner oder gleich 9 Grad aufweisen und bei Verwendung der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung in einem Kraftfahrzeugscheinwerfer wird dadurch ein sogenannter G-Wert für die Hell-Dunkelgrenze entsprechend den gesetzlichen Bestimmungen gemäß ECE Regel 112 ermöglicht. Dabei ist der sogenannte G-Wert (sharpness factor G), dessen Wert im Bereich von 0,13 bis 0,40 liegen soll, gemäß Annex 9 „Instrumental verification of the „cut-off” for passing beam headlamps” von Addendum 111 der ECE Regel 112 (Revision 3) folgendermaßen definiert: G = (logEβ – logE(β+0.1)) Due to the combination of the aforementioned features, the illumination device according to the invention enables light bundles with low divergence and, when used in a motor vehicle headlight, allows a sharp bright-dark boundary which corresponds to the statutory provisions. In particular, the illumination device according to the invention makes it possible that light bundles which are refracted at the convexly curved end face or reflected on the totally reflecting surface section have an opening angle of less than or equal to 9 degrees, and when using the illumination device according to the invention in a motor vehicle headlight, a so-called G Value for the bright-dark limit in accordance with the statutory provisions in accordance with ECE Rule 112 allows. In this case, the so-called G value (sharpness factor G), whose value should be in the range of 0.13 to 0.40, is according to Annex 9 "Instrumental verification of the" cut-off "for passing beam headlamps" by Addendum 111 of ECE Rule 112 (Revision 3) defined as follows: G = (logE β - logE (β + 0.1))

Wobei der G-Wert bestimmt wird, indem vertikal durch den horizontalen Teil der „Hell-Dunkel-Grenze” im Abstand von 2,5 Grad von dem V-V-Breitengrad gescannt wird, und wobei β die vertikale Position in Grad bezeichnet. Zur Definition des V-V-Breitengrads wird auf die Definition der Polarkoordinaten und den ebenen Projektionsschirm im Abstand von 25 m vor dem Scheinwerfer gemäß Annex 3, Addendum 111 der ECE Regel 112 verwiesen. Der V-V-Breitengrad schneidet die optische Achse des Scheinwerfers, der sich im Ursprung des Polarkoordinatensystems befindet, und erscheint auf dem Projektionsschirm als mittig angeordnete, vertikale Linie.Wherein the G value is determined by scanning vertically through the horizontal part of the "cut-off" at a distance of 2.5 degrees from the VV latitude, and where β denotes the vertical position in degrees. To define the VV latitude, refer to the definition of the polar coordinates and the flat screen at a distance of 25 m in front of the headlamp Annex 3, Addendum 111 of ECE Rule 112 directed. The VV latitude intersects the optical axis of the headlamp, which is at the origin of the polar coordinate system, and appears on the screen as a centrally located vertical line.

Vorzugsweise ist für den Quotienten R/H von der maximalen Abmessung R der Aussparung senkrecht zur Längsachse des optischen Elements im Bereich der konvex gewölbten Stirnfläche und maximaler Abmessung H des total reflektierend ausgebildeten Oberflächenabschnitts in Richtung der Längsachse sogar folgende Beziehung erfüllt:
0,3 ≤ R/H ≤ 0,4Preferably, for the quotient R / H of the maximum dimension R of the recess perpendicular to the longitudinal axis of the optical element in the region of the convexly curved end face and maximum dimension H of the totally reflecting surface section in the direction of the longitudinal axis, the following relationship is satisfied:
0.3 ≤ R / H ≤ 0.4

Dadurch kann die Divergenz des von der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung emittierten Lichtbündels weiter reduziert werden.As a result, the divergence of the light beam emitted by the illumination device according to the invention can be further reduced.

Aus demselben Grund gilt für den Quotienten L/H von Abmessung L der lichtemittierenden Oberfläche der mindestens einen Lichtquelle und maximaler Abmessung H des total reflektierend ausgebildeten Oberflächenabschnitts in Richtung der Längsachse sogar folgende Beziehung:
L/H ≤ 0,07For the same reason, the ratio L / H of dimension L of the light emitting surface of the at least one light source and maximum dimension H of the totally reflecting surface section in the direction of the longitudinal axis is even as follows:
L / H ≤ 0.07

Die Kombination von den beiden vorgenannten bevorzugten Beziehungen ermöglicht eine Reduktion des Öffnungswinkels des Lichtkegels der an der konvex gewölbten Stirnfläche der Optik der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung gebrochen Lichtbündel oder der an dem total reflektierend ausgebildeten Oberflächenabschnitt der Optik der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung reflektierten Lichtbündel auf kleiner oder gleich 6 Grad bzw. sogar auf kleiner oder gleich 4 Grad. Der Quotient L/H kann nicht beliebig klein gewählt werden, da bei Reduktion des Werts für die Größe L auch der von der Beleuchtungseinrichtung erzeugte Lichtstrom reduziert wird und da bei Vergrößerung des Werts für die Abmessung H die gesamte Optik zu groß für eine Anwendung im Fahrzeugscheinwerfer werden würde. The combination of the two aforementioned preferred relationships makes it possible to reduce the opening angle of the light cone of the light bundles refracted at the convexly curved end face of the optics of the illumination device according to the invention or the light bundles reflected at the totally reflecting surface section of the optics of the illumination device according to the invention to less than or equal to 6 degrees even at less than or equal to 4 degrees. The quotient L / H can not be chosen arbitrarily small, since reduction of the value for the size L and the luminous flux generated by the illumination device is reduced and there by increasing the value for the dimension H, the entire optics too large for use in the vehicle headlights would become.

Vorzugsweise ist der total reflektierend ausgebildete Oberflächenabschnitt des optischen Elements als Rotationsparaboloid geformt. Dadurch wird auch der Teil des von der mindestens einen Lichtquelle emittierten Lichts, der auf den total reflektierend ausgebildeten Oberflächenabschnitt des optischen Elements auftrifft, weitgehend parallelisiert.Preferably, the totally reflecting surface portion of the optical element is shaped as a paraboloid of revolution. As a result, the part of the light emitted by the at least one light source which impinges on the totally reflecting surface section of the optical element is also largely parallelized.

Die Aussparung für die mindestens eine Lichtquelle ist vorteilhafterweise im Scheitelbereich des vorgenannten Rotationsparaboloids angeordnet, um die mindestens eine Lichtquelle nahe dem Fokus des Rotationsparaboloids platzieren zu können. Dadurch wird eine Bündelung des Lichts mit geringem Öffnungswinkel des von dem optischen Element emittierten Lichtkegels ermöglicht.The recess for the at least one light source is advantageously arranged in the apex region of the aforementioned paraboloid of revolution in order to be able to place the at least one light source close to the focus of the paraboloid of revolution. This makes it possible to bundle the light with a small opening angle of the light cone emitted by the optical element.

Vorzugsweise weist das optische Element der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung eine zweite Stirnfläche auf, die als Lichtauskoppelfläche ausgebildet ist und an einer von der Aussparung abgewandten Seite des optischen Elements angeordnet ist und der in der Aussparung angeordneten, konvex gewölbten Stirnfläche gegenüberliegt. Durch diese Anordnung kann das an dem total reflektierend ausgebildeten Oberflächenabschnitt reflektierte Licht und das durch die konvex gewölbte Stirnfläche parallelisierte Licht das optische Element über die zweite Stirnfläche verlassen. Die zweite Stirnfläche ist vorzugsweise gegenüber dem Scheitelbereich des vom total reflektierend ausgebildeten Oberflächenabschnitt geformten Rotationsparaboloids angeordnet und erstreckt sich vorzugsweise senkrecht bzw. im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse des optischen Elements. Dadurch kann die zweite Stirnfläche für parallel auf sie auftreffendes Licht ausgelegt werden. Vorzugsweise ist die Längsachse des optischen Elements identisch mit der Rotationsachse des als Rotationsparaboloid geformten, total reflektierend ausgebildeten Oberflächenabschnitts des optischen Elements. Das optische Element ist vorzugsweise rotationssymmetrisch zu seiner Längsachse ausgebildet. Die mindestens eine Lichtquelle ist vorzugsweise symmetrisch zur Längsachse des optischen Elements angeordnet, so dass die lichtemittierende Oberfläche der Lichtquelle bzw. der Lichtquellen senkrecht zur Längsachse des optischen Elements orientiert ist.Preferably, the optical element of the illumination device according to the invention has a second end face, which is designed as a light outcoupling surface and is arranged on a side facing away from the recess side of the optical element and the arranged in the recess, convexly curved end face opposite. By virtue of this arrangement, the light reflected at the surface portion which is totally reflecting and the light which is parallelized by the convexly curved end face can leave the optical element via the second end face. The second end face is preferably arranged opposite the vertex area of the paraboloid of revolution formed by the totally reflecting surface section and preferably extends perpendicular or substantially perpendicular to the longitudinal axis of the optical element. As a result, the second end face can be designed for light incident on it in parallel. Preferably, the longitudinal axis of the optical element is identical to the axis of rotation of the rotationally paraboloid-shaped, totally reflecting surface section of the optical element. The optical element is preferably formed rotationally symmetrical to its longitudinal axis. The at least one light source is preferably arranged symmetrically to the longitudinal axis of the optical element, so that the light-emitting surface of the light source or the light sources is oriented perpendicular to the longitudinal axis of the optical element.

Vorteilhafterweise ist die zweite, als Lichtauskoppelfläche ausgebildete Stirnfläche des optischen Elements der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung mit Facetten ausgestattet. Dadurch kann zusätzlich die Lichtverteilung wunschgemäß beeinflusst werden oder eine weitere Bündelung des Lichts erreicht werden.Advantageously, the second, designed as a light output surface end face of the optical element of the illumination device according to the invention is provided with facets. As a result, in addition the light distribution can be influenced as desired or a further focusing of the light can be achieved.

Das optische Element der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung besteht vorzugsweise aus Glas oder transparentem Kunststoff oder transparentem Silikon. Die Materialien haben den Vorteil einer hohen Hitzebeständigkeit und Transparenz. Kunststoff hat den weiteren Vorteil, dass es eine Fertigung des optischen Elements mittels Spritzgussverfahren ermöglicht.The optical element of the illumination device according to the invention is preferably made of glass or transparent plastic or transparent silicone. The materials have the advantage of high heat resistance and transparency. Plastic has the further advantage that it allows production of the optical element by means of injection molding.

Die mindestens eine Lichtquelle der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung ist vorzugsweise als Halbleiterlichtquelle, insbesondere als Leuchtdiode oder Laserdiode ausgebildet. Halbleiterlichtquellen besitzen eine geringe Größe und können daher nahezu als Punktlichtquellen angesehen werden und eignen sich daher besonders gut zur Verwendung in Scheinwerfern. Laserdioden haben den zusätzlichen Vorteil, dass sie Licht mit hoher Leuchtdichte ermöglichen.The at least one light source of the illumination device according to the invention is preferably designed as a semiconductor light source, in particular as a light-emitting diode or laser diode. Semiconductor light sources are small in size and therefore can be considered almost as point light sources, and are therefore particularly well suited for use in headlamps. Laser diodes have the additional advantage that they allow light with high luminance.

Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung ist vorzugsweise als Bestandteil eines Kraftfahrzeugscheinwerfers ausgebildet.The lighting device according to the invention is preferably designed as part of a motor vehicle headlight.

III. Beschreibung des bevorzugten AusführungsbeispielsIII. Description of the Preferred Embodiment

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to a preferred embodiment. Show it:

1 eine Beleuchtungseinrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer, geschnittener Darstellung 1 a lighting device according to the preferred embodiment of the invention in a schematic, sectional representation

2 eine Darstellung der Abhängigkeit der Divergenz des von der gewölbten Stirnfläche bzw. dem total reflektierend ausgebildeten Oberflächenabschnitt der Optik der in 1 abgebildeten Beleuchtungseinrichtung emittierten Lichts vom Quotienten L/H 2 a representation of the dependence of the divergence of the arched end face or the totally reflective trained Surface section of the optics of 1 imaged light emitted from the quotient L / H

3 eine Darstellung der Abhängigkeit der Divergenz des von der gewölbten Stirnfläche bzw. dem total reflektierend ausgebildeten Oberflächenabschnitt der Optik der in 1 abgebildeten Beleuchtungseinrichtung emittierten Lichts vom Quotienten R/H 3 a representation of the dependence of the divergence of the curved end face or the totally reflective trained surface portion of the optics of 1 imaged light emitted from the quotient R / H

4 eine schematische Darstellung der Abhängigkeit des G-Werts von der Divergenz des von der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung emittierten Lichts anhand einer exemplarischen Abblendlichtverteilung. 4 a schematic representation of the dependence of the G value of the divergence of the light emitted by the illumination device of the invention based on an exemplary low-beam light distribution.

In 1 ist schematisch und im Längsschnitt die Beleuchtungseinrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Diese Beleuchtungseinrichtung dient als Lichtquelle für einen Kraftfahrzeugscheinwerfer, beispielsweise zum Erzeugen des Abblendlichts oder zum Erzeugen des Nebellichts.In 1 is shown schematically and in longitudinal section, the illumination device according to the preferred embodiment of the invention. This illumination device serves as a light source for a motor vehicle headlight, for example for generating the low beam or for generating the fog light.

Die Beleuchtungseinrichtung umfasst eine Halbleiterlichtquelle 1 und ein optisches Element 2, die in einem gemeinsamen Halter (nicht abgebildet) fixiert sind im Kraftfahrzeugscheinwerfer montiert werden.The illumination device comprises a semiconductor light source 1 and an optical element 2 , which are fixed in a common holder (not shown) are mounted in the vehicle headlight.

Die Lichtquelle 1 ist als Halbleiterlichtquelle, insbesondere als Leuchtdiode oder als Laserdiode ausgebildet, die gegebenenfalls mit Hilfe von Leuchtstoff weißes Licht erzeugt. Die Halbleiterlichtquelle 1 besitzt eine lichtemittierende Oberfläche 10 mit quadratischem Querschnitt, einer Kantenlänge von 1 mm und einer Größe von 1 mm2. Die lichtemittierende Oberfläche 10 der Halbleiterlichtquelle 1 ist senkrecht zur Längsachse A-A des optischen Elements angeordnet.The light source 1 is formed as a semiconductor light source, in particular as a light emitting diode or as a laser diode, which optionally generates white light with the aid of phosphor. The semiconductor light source 1 has a light-emitting surface 10 with square cross-section, one edge length of 1 mm and a size of 1 mm 2 . The light-emitting surface 10 the semiconductor light source 1 is arranged perpendicular to the longitudinal axis AA of the optical element.

Das optische Element 2 besteht aus transparentem Kunststoff und ist als Kollimator ausgebildet. Der Kollimator 2 besitzt einen total reflektierenden, als Rotationsparaboloid geformten Oberflächenabschnitt 20 und eine im Scheitelbereich des als Rotationsparaboloid geformten Oberflächenabschnitts 20 angeordnete Aussparung 21. Die Aussparung 21 ist symmetrisch zur Rotationsachse des als Rotationsparaboloid geformten, total reflektierenden Oberflächenabschnitts 20 angeordnet. Die Rotationsachse ist identisch zur Längsachse A-A des optischen Elements 2. Insbesondere ist die Aussparung 21 durch eine rotationssymmetrisch zur Rotationsachse A-A ausgebildete Wand 210 und durch eine konvex, das heißt nach außen, gewölbte Stirnfläche 211 des Kollimators 2 begrenzt. Die Wand 210 und die konvex gewölbte Stirnfläche 211 sind rotationssymmetrisch zur Rotationsachse A-A ausgebildet. Außerdem besitzt das optische Element 2 eine zweite Stirnfläche 22, die außerhalb der Aussparung 21 angeordnet ist und der konvex gewölbten Stirnfläche 211 gegenüberliegt. Die zweite Stirnfläche 22 ist an der von der Aussparung 21 abgewandten Seite des optischen Elements 2 angeordnet. Die zweite Stirnfläche 22 erstreckt sich senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse A-A und bildet die Lichtauskoppelfläche des optischen Elements 2. Die Lichtauskoppelfläche 22 des Kollimators 2 ist mit unterschiedlich geformten Facetten 220, 221 ausgestattet, die zur Formung der Lichtverteilung dienen. Die ersten Facetten 220 sind zentral, das heißt nahe der Rotationsachse A-A, an der zweiten Stirnfläche 22 angeordnet bzw. bilden die zweite Stirnfläche 22. Die zweiten Facetten 221 sind dezentral, das heißt nahe am Rand, entlang des Umfangs des Kollimators 2 an der zweiten Stirnfläche 22 angeordnet. Die ersten 220 und zweiten Facetten 221 sind konvex gewölbt, wobei die zweiten Facetten 221 eine größere Ausdehnung als die ersten Facetten 220 besitzen.The optical element 2 is made of transparent plastic and is designed as a collimator. The collimator 2 has a totally reflective surface section shaped as a paraboloid of revolution 20 and one in the apex region of the surface portion shaped as a paraboloid of revolution 20 arranged recess 21 , The recess 21 is symmetrical to the axis of rotation of the paraboloid-shaped, totally reflecting surface portion 20 arranged. The axis of rotation is identical to the longitudinal axis AA of the optical element 2 , In particular, the recess 21 by a rotationally symmetrical to the axis of rotation AA trained wall 210 and by a convex, that is outward, arched end face 211 of the collimator 2 limited. The wall 210 and the convex arched face 211 are rotationally symmetrical to the axis of rotation AA formed. In addition, the optical element has 2 a second end face 22 that are outside the recess 21 is arranged and the convexly curved end face 211 opposite. The second face 22 is at the of the recess 21 opposite side of the optical element 2 arranged. The second face 22 extends perpendicular or substantially perpendicular to the axis of rotation AA and forms the light output surface of the optical element 2 , The light output surface 22 of the collimator 2 is with differently shaped facets 220 . 221 equipped, which serve to shape the light distribution. The first facets 220 are central, that is close to the axis of rotation AA, at the second end face 22 arranged or form the second end face 22 , The second facets 221 are decentralized, that is close to the edge, along the circumference of the collimator 2 at the second end face 22 arranged. The first 220 and second facets 221 are convex, with the second facets 221 a greater extent than the first facets 220 have.

Die maximale Abmessung H des total reflektierenden, als Rotationsparaboloid geformten Oberflächenabschnitts 20 in Richtung der Rotationsache A-A beträgt 16 mm. Der Radius R der Aussparung 21 am Rand der konvex gewölbten Stirnfläche 211 misst 6 mmThe maximum dimension H of the totally reflecting surface segment shaped as a paraboloid of revolution 20 in the direction of the rotation axis AA is 16 mm. The radius R of the recess 21 at the edge of the convexly curved end face 211 measures 6 mm

Die Halbleiterlichtquelle 1 ist symmetrisch zur Rotationsachse A-A im Bereich der Aussparung 21 des Kollimators 2 angeordnet. Das von der Halbleiterlichtquelle 2 erzeugte Licht wird über die konvex gewölbte Stirnfläche 211 und die rotationssymmetrische Wand 210 in den Kollimator 2 eingekoppelt. Der über die konvex gewölbte Stirnfläche 211 in den Kollimator 2 eingekoppelte Teil des Lichts wird durch die konvexe Wölbung der Stirnfläche 211 weitgehend parallelisiert und trifft als nahezu paralleles Lichtbündel im Bereich der zentral angeordneten ersten Facetten 220 auf die zweite Stirnfläche 22, an der es den Kollimator 2 verlässt. Die zentral angeordneten ersten Facetten 220 sorgen zusammen mit den zweiten Facetten 221 für eine gewünschte Lichtverteilung, beispielweise für eine Abblendlichtverteilung. Der über die rotationssymmetrische Wand 210 in den Kollimator 2 eingekoppelte Teil des Lichts wird an dem als Rotationsparaboloid geformten Oberflächenabschnitt 20, aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindizes des Materials des Kollimators 2 und der umgebenden Luft sowie des Einstrahlwinkels, total reflektiert und kann somit den Kollimator 2 nicht über diesen Oberflächenabschnitt 20 verlassen. Durch die Totalreflexion an dem als Rotationsparaboloid geformten Oberflächenabschnitt 20 wird das über die rotationssymmetrische Wand 210 in den Kollimator 2 eingekoppelte Licht als weitgehend paralleles Lichtbündel zur zweiten Stirnfläche 22 gelenkt, an der es den Kollimator 2 im Bereich der dezentral angeordneten zweiten Facetten 221 verlässt. Die zweiten Facetten 221 bewirken eine Formung der gewünschten Lichtverteilung, beispielsweise einer Abblendlichtverteilung.The semiconductor light source 1 is symmetrical to the axis of rotation AA in the region of the recess 21 of the collimator 2 arranged. That of the semiconductor light source 2 Light generated is over the convexly curved face 211 and the rotationally symmetric wall 210 in the collimator 2 coupled. The over the convex curved face 211 in the collimator 2 coupled-in part of the light is due to the convex curvature of the end face 211 largely parallelized and strikes as a nearly parallel light beam in the region of the centrally arranged first facets 220 on the second face 22 at which there is the collimator 2 leaves. The centrally arranged first facets 220 care together with the second facets 221 for a desired light distribution, for example for a low beam distribution. The over the rotationally symmetrical wall 210 in the collimator 2 coupled-in part of the light is at the surface portion shaped as a paraboloid of revolution 20 due to the different refractive indices of the material of the collimator 2 and the surrounding air as well as the angle of incidence, totally reflecting and thus can the collimator 2 not over this surface section 20 leave. By the total reflection at the surface section shaped as a paraboloid of revolution 20 this will be done via the rotationally symmetric wall 210 in the collimator 2 coupled light as a largely parallel light beam to the second end face 22 steered, at which there is the collimator 2 in the area of the decentrally arranged second facets 221 leaves. The second facets 221 cause a shaping of the desired light distribution, such as a low beam distribution.

Insgesamt besitzt das an der konvex gewölbten Stirnfläche 211 gebrochene Licht und das an dem Rotationsparaboloidförmigen Oberflächenabschnitt 20 total reflektierte Licht eine geringe Divergenz bzw. eine weitgehende Parallelität. Der Öffnungswinkel α der Lichtbündel, die nach Lichtbrechung bzw. Totalreflexion von der konvex gewölbten Stirnfläche 211 bzw. von dem Rotationsparaboloidförmigen Oberflächenabschnitt 20 ausgehen, ist ca. 6 Grad. In 1 ist mit Hilfe von gestrichelten Linien der halbe Öffnungswinkel α/2 für zwei Lichtbündel S1, S2 schematisch dargestellt. Der halbe Öffnungswinkel α/2 entspricht jeweils dem Winkel zwischen einer Mantellinie des Lichtkegels des entsprechenden Lichtbündels und seiner Kegelachse, die parallel zur Rotationsachse A-A verläuft. Die Werte für den Öffnungswinkel α der Lichtbündel S1, S2 können verschieden sein.Overall, this possesses the convexly curved end face 211 broken light and the at the paraboloidoidal surface section 20 totally reflected light a little divergence or a large degree of parallelism. The opening angle α of the light bundles after the light refraction or total reflection of the convexly curved end face 211 or from the Rotationsparaboloidförmigen surface portion 20 go out, is about 6 degrees. In 1 is half-opening angle α / 2 for two light beams S1, S2 shown schematically by dashed lines. Half the opening angle α / 2 corresponds in each case to the angle between a surface line of the light cone of the corresponding light bundle and its conical axis, which runs parallel to the axis of rotation AA. The values for the opening angle α of the light beams S1, S2 can be different.

Das in 2 dargestellte Diagramm zeigt die Abhängigkeit des vollen Öffnungswinkels α in Abhängigkeit von dem Wert des Quotient L/H. Dazu ist auf der horizontalen Achse der Quotient L/H in Prozent und auf der vertikalen Achse der Öffnungswinkel α in Grad aufgetragen. Der volle Öffnungswinkel α ist ein Maß oder Indikator für die Divergenz der von der konvex gewölbten Stirnfläche 211 und der von dem total reflektierend ausgebildeten Oberflächenabschnitt 20 des optischen Elements 2 der Beleuchtungseinrichtung ausgehenden Lichtbündel. Aus dem Diagramm der 2 kann man entnehmen, dass bei einem Wert des Quotienten L/H von kleiner oder gleich 9 Prozent der volle Öffnungswinkel α kleiner oder gleich 8 Grad ist. Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung beträgt der Wert des Quotienten L/H 0,0625 bzw. 6,25 Prozent. Dementsprechend beträgt der Öffnungswinkel α der vorgenannten Lichtbündel ca. 6 Grad.This in 2 The diagram shown shows the dependence of the full opening angle α as a function of the value of the quotient L / H. For this purpose, the quotient L / H in percent and on the vertical axis the opening angle α in degrees are plotted on the horizontal axis. The full opening angle α is a measure or indicator of the divergence of the convexly curved end face 211 and that of the totally reflective formed surface portion 20 of the optical element 2 the lighting device outgoing light beam. From the diagram of 2 it can be seen that with a value of the quotient L / H of less than or equal to 9 percent, the full opening angle α is less than or equal to 8 degrees. In the embodiment of the invention described above, the value of the quotient L / H is 0.0625 and 6.25 percent, respectively. Accordingly, the opening angle α of the aforementioned light bundles is about 6 degrees.

Das in 3 dargestellte Diagramm zeigt die Abhängigkeit des vollen Öffnungswinkels α von dem Wert des Quotienten R/H. Dazu ist auf der horizontalen Achse der Quotient R/H in Prozent und auf der vertikalen Achse der volle Öffnungswinkel α in Grad aufgetragen. Aus dem Diagramm der 3 kann man entnehmen, dass der volle Öffnungswinkel α der vorgenannten Lichtbündel für Werte des Quotienten R/H größer oder gleich 20 Prozent deutlich reduziert ist. Besonders bevorzugt sind Werte des Quotienten R/H im Bereich von 30 bis 40 Prozent. Für das in 3 dargestellte Diagramm wurde ein Wert des Quotienten L/H von 6,25 Prozent zugrunde gelegt. Bei dem oben erläuterten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung beträgt der Wert des Quotienten R/H 0,375 bzw. 37,5 Prozent.This in 3 The diagram shown shows the dependence of the full opening angle α on the value of the quotient R / H. For this purpose, the quotient R / H in percent and on the vertical axis the full opening angle α in degrees are plotted on the horizontal axis. From the diagram of 3 it can be seen that the full opening angle α of the aforementioned light bundles is significantly reduced for values of the quotient R / H greater than or equal to 20 percent. Particularly preferred are values of the quotient R / H in the range of 30 to 40 percent. For the in 3 The diagram used was based on a value of the quotient L / H of 6.25 percent. In the preferred embodiment of the invention explained above, the value of the quotient R / H is 0.375 or 37.5 percent.

Das in 4 abgebildete Diagramm zeigt qualitativ die Abhängigkeit des G-Werts (sharpness factor G gemäß ECE Regel 112 ) von der Divergenz des von dem Kollimator 2 emittierten Lichtbündels bzw. von dem Öffnungswinkel α des von der gewölbten Stirnfläche 20 bzw. dem Rotationsparaboloidförmigen Oberflächenabschnitt 20 ausgehenden Lichtbündels. Auf der horizontalen Achse ist der Öffnungswinkel α des Lichtbündels in Grad aufgetragen. Auf der vertikalen Achse sind keine absoluten Werte für den G-Wert aufgetragen, weil die Daten aus der Simulation deutlich größere Werte für den G-Wert liefern als Messungen des G-Werts mit einer realen Optik und Lichtverteilung. Daher zeigt das Diagramm in 4 nur einen qualitativen Zusammenhang zwischen relativen G-Werten und Divergenz des von der Optik emittierten Lichtbündels. Um einen G-Wert gemäß den gesetzlichen Vorschriften zu gewährleisten sollte der Öffnungswinkel α kleiner gleich 9 Grad sein. Besser ist allerdings ein Öffnungswinkel α von kleiner oder gleich 6 Grad, um eine möglichst scharfe Hell-Dunkelgrenze bei der Abbildung durch den Scheinwerfer zu erhalten.This in 4 The diagram shown qualitatively shows the dependence of the G value (sharpness factor G according to FIG ECE Rule 112 ) from the divergence of the collimator 2 emitted light beam or from the opening angle α of the curved end face 20 or the rotational paraboloid-shaped surface section 20 outgoing light beam. On the horizontal axis, the opening angle α of the light beam is plotted in degrees. Absolute values for the G value are not plotted on the vertical axis, because the data from the simulation provides significantly greater values for the G value than measurements of the G value with a real optic and light distribution. Therefore, the diagram shows in 4 only a qualitative relationship between relative G values and divergence of the light beam emitted by the optics. In order to ensure a G value in accordance with the legal requirements, the opening angle α should be less than or equal to 9 degrees. However, an opening angle α of less than or equal to 6 degrees is better in order to obtain the sharpest possible bright-dark boundary when imaging through the headlight.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das oben näher beschriebene Ausführungsbeispiel. Beispielsweise kann als Halbleiterlichtquelle auch eine Laserdiode verwendet werden, die in Verbindung mit einem nachgeordneten Leuchtstoff weißes Licht erzeugt. Außerdem kann bei dem Kollimator 2 die zweite, als Lichtauskoppelfläche dienende Stirnfläche 22 auch ohne Facetten 220, 221 ausgebildet sein und beispielsweise als ebene Oberfläche ausgeführt sein. Der Kollimator 2 kann ferner aus Glas oder transparentem Silikon bestehen. Außerdem kann der total reflektierende Oberflächenabschnitt 20 lichtreflektierend, beispielsweise metallisch beschichtet sein.The invention is not limited to the embodiment described in more detail above. By way of example, a laser diode which generates white light in conjunction with a downstream phosphor can also be used as the semiconductor light source. Also, with the collimator 2 the second, serving as a light output surface end face 22 even without facets 220 . 221 be formed and executed, for example, as a flat surface. The collimator 2 may also consist of glass or transparent silicone. In addition, the totally reflective surface section 20 light-reflecting, for example, be metallically coated.

Außerdem können die optisch wirksamen Oberflächen des optischen Elements auch eine andere Form aufweisen, um die gewünschte Beleuchtungsfunktion oder Lichtverteilung zu erreichen. Insbesondere müssen die Achsen der dem Oberflächenabschnitten 20 zugrunde liegenden Parabeln nicht identisch zur Symmetrieachse des Systems sein (das ist beispielweise bei CPC artigen Systemen der Fall). Desweiteren können die Oberflächenabschnitte 20 und 210 auch nicht rotationssymmetrisch zur optischen Achse ausgebildet sein. Desweiteren kann der Oberflächenabschnitt 20 auch als Freiform, insbesondere auch als multifacettierte Freiform, ausgelegt sein, die je nach Applikation und gewünschter Lichtfunktion angepasst wird. Desweiteren können die Oberflächenabschnitte 211 und 20 auch absichtlich eine (teilweise) nicht Parallelisierung des Lichtbündels bewirken, das auf sie auftrifft. Dies kann für den Fall der Fläche 211 zum Beispiel durch eine konkav ausgelegte Form der Stirnfläche der Aussparung geschehen.In addition, the optically effective surfaces of the optical element can also have a different shape in order to achieve the desired illumination function or light distribution. In particular, the axes of the surface sections must 20 underlying parabolas are not identical to the axis of symmetry of the system (this is the case, for example, with CPC-like systems). Furthermore, the surface sections 20 and 210 be formed not rotationally symmetrical to the optical axis. Furthermore, the surface section 20 also be designed as a freeform, in particular as a multifaceted freeform, which is adapted depending on the application and the desired lighting function. Furthermore, the surface sections 211 and 20 also deliberately cause a (partial) non-parallelization of the light beam that impinges on them. This can be the case of the area 211 For example, done by a concave shape of the end face of the recess.

Die Facetten 220 und 221 müssen nicht notwendigerweise konvex sein. Sie können auch konkav ausgelegt sein. unterschiedliche Facetten können auch verschieden sein, d. h. eine Facette konvex, eine andere Facette konkav etc.The facets 220 and 221 do not necessarily have to be convex. They can also be concave. different facets can also be different, ie one facet convex, another facet concave etc.

Die Facetten 221, die rechts und links der Mittelebene der Optik liegen, können spiegelsymmetrisch zu dieser Ebene ausgelegt werden. Dadurch erreicht man auch eine Spiegelsymmetrie der beiden Teillichtverteilungen, die überlagert zu einer homogeneren Lichtverteilung beitragen. The facets 221 , which lie to the right and left of the median plane of the optics, can be designed mirror-symmetrically to this plane. This also achieves a mirror symmetry of the two partial light distributions, which, when superimposed, contribute to a more homogeneous distribution of light.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

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  • Annex 9 „Instrumental verification of the „cut-off” for passing beam headlamps” von Addendum 111 der ECE Regel 112 [0007] Annex 9 "Instrumental verification of the" cut-off "for passing beam headlamps" by Addendum 111 of ECE Rule 112 [0007]
  • Annex 3, Addendum 111 der ECE Regel 112 [0008] Annex 3, Addendum 111 of ECE Rule 112 [0008]
  • ECE Regel 112 [0034] ECE Rule 112 [0034]

Claims (9)

Beleuchtungseinrichtung mit einem als Kollimator ausgebildeten optischen Element (2) und mindestens einer, eine lichtemittierende Oberfläche (10) aufweisende Lichtquelle (1), dadurch gekennzeichnet, dass – das optische Element (2) einen total reflektierend ausgebildeten Oberflächenabschnitt (20) besitzt, – das optische Element (2) im Bereich des total reflektierend ausgebildeten Oberflächenabschnitts (20) eine Aussparung (21) besitzt, in der die Lichtquelle (1) angeordnet ist, – das optische Element in der Aussparung (21) eine konvex gewölbte Stirnfläche (211) aufweist, – für die maximale Abmessung H des total reflektierend ausgebildeten Oberflächenabschnitts (20) in Richtung einer Längsachse (A-A) des optischen Elements, die senkrecht zur lichtemittierenden Oberfläche (10) der Lichtquelle (1) orientiert ist, und für die maximale Abmessung R der Aussparung (21) senkrecht zur Längsachse (A-A) im Bereich der konvex gewölbten Stirnfläche (211) sowie für die maximale Abmessung L der lichtemittierenden Oberfläche (10) der mindestens eine Lichtquelle (1) senkrecht zur Längsachse (A-A) folgende Beziehungen gelten: L/H ≤ 0,09 und 0,2 ≤ R/H ≤ 0,5Illumination device with an optical element designed as a collimator ( 2 ) and at least one, a light-emitting surface ( 10 ) having light source ( 1 ), characterized in that - the optical element ( 2 ) a totally reflecting surface section ( 20 ), - the optical element ( 2 ) in the region of the totally reflecting surface section ( 20 ) a recess ( 21 ), in which the light source ( 1 ), - the optical element in the recess ( 21 ) a convexly curved end face ( 211 ), - for the maximum dimension H of the totally reflecting surface section ( 20 ) in the direction of a longitudinal axis (AA) of the optical element, which is perpendicular to the light emitting surface (AA). 10 ) of the light source ( 1 ) and for the maximum dimension R of the recess ( 21 ) perpendicular to the longitudinal axis (AA) in the region of the convexly curved end face (FIG. 211 ) as well as for the maximum dimension L of the light-emitting surface ( 10 ) the at least one light source ( 1 ) perpendicular to the longitudinal axis (AA) the following relationships apply: L / H ≤ 0.09 and 0.2 ≤ R / H ≤ 0.5 Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei folgende Beziehung gilt: 0,3 ≤ R/H ≤ 0,4Lighting device according to claim 1, wherein the following relationship applies: 0.3 ≤ R / H ≤ 0.4 Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei das optische Element (2) eine Lichtauskoppelfläche (22) aufweist, die an einer von der Aussparung (21) abgewandten Seite des optischen Elements (2) angeordnet ist.Lighting device according to one of claims 1 to 2, wherein the optical element ( 2 ) a light output surface ( 22 ), which at one of the recess ( 21 ) facing away from the optical element ( 2 ) is arranged. Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der total reflektierend ausgebildete Oberflächenabschnitt (20) als Rotationsparaboloid geformt ist.Lighting device according to one of claims 1 to 3, wherein the totally reflecting surface section ( 20 ) is shaped as a paraboloid of revolution. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 4, wobei die Aussparung (21) im Scheitelbereich des Rotationsparaboloids angeordnet ist.Lighting device according to claim 4, wherein the recess ( 21 ) is arranged in the apex region of the paraboloid of revolution. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Lichtauskoppelfläche (22) eine zweite Stirnfläche des optischen Elements (2) ausbildet, die dem Scheitelbereich des Rotationsparaboloids gegenüberliegt.Lighting device according to claim 4 or 5, wherein the light output surface ( 22 ) a second end face of the optical element ( 2 ) which faces the apex region of the paraboloid of revolution. Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 6, wobei die Lichtauskoppelfläche (22) mit Facetten (220, 221) ausgestattet ist.Lighting device according to one of claims 3 or 6, wherein the light output surface ( 22 ) with facets ( 220 . 221 ) Is provided. Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das optische Element (2) aus Glas oder transparentem Kunststoff oder transparentem Silikon besteht.Lighting device according to one of claims 1 to 7, wherein the optical element ( 2 ) made of glass or transparent plastic or transparent silicone. Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die mindestens eine Lichtquelle (1) als Halbleiterlichtquelle ausgebildet ist.Lighting device according to one of claims 1 to 8, wherein the at least one light source ( 1 ) is formed as a semiconductor light source.
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