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Die Erfindung betrifft ein optisches Element gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Beleuchtungseinrichtung mit einem derartigen optischen Element.
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I. Stand der Technik
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Ein derartiges optisches Element ist beispielsweise in der
WO 2006/021179 A1 offenbart.
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II. Darstellung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein optisches Element bereitzustellen, das eine effiziente Einkopplung des von einer oder mehreren Lichtquellen emittierten Lichts in das optische Element ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein optisches Element mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Das erfindungsgemäße optische Element besitzt mindestens eine, mit mindestens einer Hinterschneidung versehene Aussparung zur Aufnahme einer oder mehrerer Lichtquellen.
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Durch die mindestens eine Hinterschneidung, die in einer Aussparung zur Aufnahme von Lichtquellen angeordnet ist, kann der Anteil des zur Lichtquelle zurückreflektierten Lichts reduziert und damit der Anteil des in das optische Element eingekoppelten Lichts entsprechend erhöht und somit die Effizienz des optischen Elements verbessert werden.
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Vorteilhafterweise besteht das erfindungsgemäße optische Element zumindest im Bereich der mindestens einen Hinterschneidung aus Silikon. Dadurch kann die Elastizität und Flexibilität des Materials Silikon genutzt werden, um das optische Element mittels Spritzgussverfahren zu fertigen, ohne dass dabei aufwendige Schieberwerkzeuge zur Herstellung der Hinterschneidung nötig wären oder die Spritzgussform beim Herauslösen des optischen Elements zerstört werden würde.
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Das erfindungsgemäße optische Element ist vorzugsweise als Kollimator ausgebildet, um es beispielsweise in Projektionsanwendungen, insbesondere in Kraftfahrzeugscheinwerfern, zur Bündelung von Licht einsetzen zu können.
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Vorteilhafterweise besitzt das erfindungsgemäße optische Element in der mindestens einen Aussparung einen konvex gewölbten Oberflächenabschnitt. Dieser konvex gewölbte Oberflächenabschnitt hat den Vorteil, dass er als Lichteinkoppelfläche, die eine Kollimation des Lichts bewirkt, genutzt werden kann.
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Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße optische Element im Bereich der mindestens einen Hinterschneidung konkav gewölbt ausgebildet. Dadurch wird der Anteil des zur Lichtquelle zurück reflektierten Lichts reduziert und der Anteil des in das optische Element eingekoppelten Lichts entsprechend erhöht.
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Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung besitzt das optische Element einen als Paraboloid geformten äußeren Oberflächenabschnitt und mindestens eine Aussparung, die im Bereich des Scheitels des Paraboloids des äußeren Oberflächenabschnitts angeordnet ist. Der als Paraboloid geformte äußere Oberflächenabschnitt dient zur Parallelisierung von Licht, das von einer oder mehreren Lichtquellen emittiert wird, die in der mindestens einen Aussparung im Bereich des Scheitels des Paraboloids des äußeren Oberflächenabschnitts angeordnet sind.
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Alternativ ist der vorgenannte äußere Oberflächenabschnitt des erfindungsgemäßen optischen Elements vorzugsweise als Freiformfläche ausgebildet. Dadurch kann auf einfache Weise die Divergenz von Licht, das von mindestens einer Lichtquelle emittiert und in das optische Element eingekoppelt wird, verringert werden bzw. zusätzlich je nach Anforderung der Applikation der Grad der Divergenz des Lichts in gewünschter Weise eingestellt werden.
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Vorzugsweise ist die mindestens eine Aussparung rotationssymmetrisch zur Rotationsachse des Paraboloids des äußeren Oberflächenabschnitts ausgebildet und durch eine konkav gewölbte Seitenwand sowie durch eine konvex gewölbte Bodenfläche begrenzt. Durch diese Konstruktion kann Licht von einer oder mehreren Lichtquellen, die in der mindestens einen Aussparung angeordnet sind, mit erhöhter Effizienz in das optische Element eingekoppelt werden. Insbesondere wird ein geringerer Anteil von Licht, das auf die konkav gewölbte Seitenwand trifft, zur Lichtquelle zurückreflektiert. Das über die konkav gewölbte Seitenwand in das erfindungsgemäße optische Element eingekoppelte Licht wird durch Totalreflexion an dem als Paraboloid geformten äußeren Oberflächenabschnitt weitgehend parallelisiert. Das über die konvex gewölbte Bodenfläche in das erfindungsgemäße optische Element eingekoppelt Licht wird durch die konvexe Wölbung der Bodenfläche weitgehend parallelisiert, so dass das erfindungsgemäße optische Element eine Bündelung des Lichts bewirkt, das von in der mindestens einen Aussparung angeordneten Lichtquellen emittiert wird.
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Das erfindungsgemäße optische Element ist zusammen mit mindestens einer Lichtquelle Bestandteil einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung.
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Vorzugsweise ist bei der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung die mindestens eine Lichtquelle im Bereich der mindestens einen Aussparung angeordnet.
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Die mindestens eine Lichtquelle ist vorzugsweise als Halbleiterlichtquelle, insbesondere als Leuchtdiode oder Laserdiode ausgebildet. Beide Halbleiterlichtquellenarten können näherungsweise als Punktlichtquellen angesehen werden und eignen sich daher besonders gut für Scheinwerferwendungen, insbesondere als Lichtquellen für Kraftfahrzeugscheinwerfer. Laserdioden haben den zusätzlichen Vorteil, dass sie Licht hoher Leuchtdichte erzeugen.
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III. Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
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Nachstehend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein optisches Element gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer, geschnittener Darstellung
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In 1 ist schematisch ein optisches Element 1 gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung zusammen mit einer Lichtquelle 2 im Längsschnitt dargestellt. Das optische Element 1 und die Lichtquelle 2 sind als Bestandteile eines Kraftfahrzeugscheinwerfers ausgebildet und sind in einem gemeinsamen Halter (nicht abgebildet) fixiert. Die Lichtquelle 2 emittiert vorzugsweise weißes Licht. Alternativ kann sie aber auch farbiges Licht, insbesondere rotes Licht oder orangefarbenes Licht emittieren. Die Lichtquelle 2 ist vorzugsweise als Leuchtdiode oder Laserdiode ausgebildet.
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Das optische Element 1 besteht aus transparentem Silikon und ist mittels Spritzgussverfahren gefertigt. Es ist als TIR-Optik und Kollimator ausgebildet, wobei die Abkürzung „TIR” für „total internal reflection” steht. Das optische Element 1 besitzt einen als Paraboloid ausgebildeten äußeren Oberflächenabschnitt 11, der rotationssymmetrisch zu einer Rotationsachse A-A ist und an der Außenseite des optischen Elements 1 angeordnet ist sowie die äußere Kontur des optischen Elements 1 formt. Im Scheitelbereich des als Paraboloid ausgebildeten äußeren Oberflächenabschnitts 11 ist eine Aussparung 10 im optischen Element 1 angeordnet, die zur Aufnahme der Lichtquelle 2 dient. Die Aussparung 10 ist rotationssymmetrisch zur Rotationsachse A-A angeordnet und ausgebildet. Sie wird durch eine konkav gewölbte Seitenwand 100, die als Hinterschneidung ausgebildet ist, und eine konvex gewölbte Bodenfläche 101, die innerhalb der Aussparung 10 angeordnet ist und den Boden der Aussparung 10 bildet, begrenzt. Die konvex gewölbte Bodenfläche 101 und die konkav gewölbte Seitenwand 100 sind rotationssymmetrisch zur Rotationsachse A-A ausgebildet.
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Das optische Element 1 besitzt ferner einen planen Oberflächenabschnitt 12, der senkrecht zur Rotationsachse A-A orientiert ist und an der Öffnung des Paraboloids angeordnet ist, der durch den als Paraboloid ausgebildeten äußeren Oberflächenabschnitt 11 definiert wird. Der plane Oberflächenabschnitt 12 ist rotationssymmetrisch bezüglich der Rotationsachse A-A ausgebildet.
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Der als Paraboloid ausgebildete äußere Oberflächenabschnitt 11 des optischen Elements 1 ist total reflektierend ausgebildet, so dass Licht an diesem Oberflächenabschnitt 11 nicht aus dem optischen Element 1 austreten kann. Der plane Oberflächenabschnitt 12 dient als Lichtauskoppelfläche und die konkav gewölbte Seitenwand 100 sowie die konvex gewölbte Bodenfläche 101, welche die Aussparung 10 begrenzen, dienen als Lichteinkoppelflächen des optischen Elements 1.
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Die als Halbleiterlichtquelle ausgebildete Lichtquelle 2 ist in der Aussparung 10 des optischen Elements 1 angeordnet, so dass ihre lichtemittierende Oberfläche der in der Aussparung angeordneten, konvex gewölbten Bodenfläche 101 zugewandt ist. Das von der Halbleiterlichtquelle 2 emittierte Lichtbündel wird dadurch über die konkav gewölbte Seitenwand 100 und die konvex gewölbte Bodenfläche 101 in das optische Element 1 eingekoppelt. Ein erster Teil L1 des von der Halbleiterlichtquelle 2 emittierten Lichtbündels wird über die konvex gewölbte Bodenfläche 101 in das optische Element 1 eingekoppelt und durch die konvexe Wölbung des Oberflächenabschnitts 101 weitgehend, das heißt so weit wie es innerhalb der physikalischen Rahmenbedingungen möglich ist, parallelisiert, so dass es das optische Element 1 an dem planen Oberflächenabschnitt 12 näherungsweise senkrecht zum Oberflächenabschnitt 12 mit geringer Divergenz verlässt. Ein zweiter Teil L2 des von der Halbleiterlichtquelle 2 emittierten Lichtbündels wird über die konkav gewölbte Seitenwand 100 in das optische Element 1 eingekoppelt und beim Auftreffen auf den als Paraboloid ausgebildeten äußeren Oberflächenabschnitt 11 total reflektiert und in Richtung des planen Oberflächenabschnitts 12 gelenkt. Durch die Totalreflexion an dem paraboloidförmigen äußeren Oberflächenabschnitt 11 wird der zweite Teil L2 des von der Halbleiterlichtquelle 2 emittierten Lichtbündels weitgehend, das heißt so weit wie es innerhalb der physikalischen Rahmenbedingungen möglich ist, parallelisiert und verlässt das optische Element 1 an dem planen Oberflächenabschnitt 12 mit geringer Divergenz näherungsweise senkrecht zum planen Oberflächenabschnitt 12.
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Das aus dem planen Oberflächenabschnitt 12 austretende Licht kann für unterschiedliche Beleuchtungsfunktionen, beispielsweise für Abblendlicht, Fernlicht, Nebellicht, Tagfahrlicht oder Positionslicht genutzt werden.
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Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das oben näher erläuterte Ausführungsbeispiel. Beispielsweise kann das optische Element 1 im Bereich des als Paraboloid ausgebildeten Oberflächenabschnitts 11 mit einer lichtreflektierenden Beschichtung versehen sein. Außerdem können die optisch wirksamen Oberflächen des optischen Elements auch eine andere Form aufweisen, um die gewünschte Beleuchtungsfunktion oder Lichtverteilung zu erreichen.
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Insbesondere muss die Achse des dem Oberflächenabschnitt 11 zugrundeliegenden Paraboloids nicht identisch zur Symmetrieachse A-A des Systems sein. Außerdem kann der Oberflächenabschnitt 101 auch nicht rotationssymmetrisch zur optischen Achse A-A ausgebildet sein. Ferner kann der Oberflächenabschnitt 11 auch als Freiformfläche, insbesondere auch als multifacettierte Freiformfläche ausgelegt sein, die der gewünschten Applikation und Lichtfunktion angepasst ist. Weiterhin kann der Oberflächenabschnitt 101 auch derart ausgebildet sein, dass ein gewisser Grad an Divergenz des Lichtbündels erreicht wird, der auf die Lichtauskoppelfläche 12 trifft. Außerdem muss die Lichtauskoppelfläche 12 nicht unbedingt planar ausgelegt werden. Insbesondere kann die Lichtauskoppelfläche 12 als Freiformfläche oder als multifacettierte Freiformfläche ausgeformt sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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