DE202014105145U1

DE202014105145U1 - Vorrichtung zum Abstrahlen von Licht aus einer virtuellen Quelle

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Publication number: DE202014105145U1
Application number: DE201420105145
Authority: DE
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-10-30
Filing date: 2014-10-28
Publication date: 2014-11-28
Anticipated expiration: 2024-10-29
Also published as: US10100999B2; US20150117044A1; RU2014139653A; US10422498B2; US20190003671A1; US20160341387A1; RU2654182C2; CN204187477U; US9435504B2

Abstract

Beleuchtungsanordnung, umfassend: eine LED-Quelle, die einen Lichtkegel erzeugt; und eine transparente Nahfeldlinse mit einer vorderen Oberfläche, einer Kollimationsoberfläche und einer asphärischen Furche, wobei die Kollimationsoberfläche den Lichtkegel zu einem Strahl kollimiert, der von der vorderen Oberfläche in Richtung der asphärischen Furche reflektiert wird, und die asphärische Furche den Strahl von der Linse als Ausgangskegel von einem virtuellen Brennpunkt weg lenkt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Beleuchtungsanordnungen, insbesondere LED-basierte Beleuchtungsanordnungen zur Verwendung in Fahrzeugbeleuchtungsanwendungen.
Kraftfahrzeugbeleuchtung wird zu einem Großteil durch die Bundesregierung reguliert. Emittierte Lichtmuster, insbesondere die, die in Außenbeleuchtungsanwendungen verwendet werden, müssen gesteuert werden, um bundesrechtlichen Vorschriften zu genügen. Die Vorschriften existieren, um die Sicherheit von Fahrern, Fußgängern und anderen, sich in der Umgebung des Fahrzeugs befindlichen Fahrern sicherzustellen. LED-Quellen verwendende Technologien werden immer mehr zu einer effizienten Alternative gegenüber Technologien, die auf Glühbirnen aufbauen. LED-Quellen haben jedoch einen erheblichen Nachteil darin, dass sie hoch direktionales Licht erzeugen. Die direktionale Natur des von den LED-Quellen erzeugten Lichts hat die Entwicklung von LED-basierten Beleuchtungsanordnungen, die bundesrechtlichen Vorschriften genügen können, eingeschränkt, insbesondere in Fahrzeugaußenbeleuchtungsanwendungen.
LED-Quellen unterscheiden sich erheblich von Glühbirnenquellen in Bezug auf das Licht, das sie erzeugen. Während Licht aus einer Glühbirne im Winkel von fast 360° ausgeht, wird Licht aus einer LED aus einer Oberfläche in Form eines Kegels (Raumwinkel) emittiert. Nahfeldlinsen (NFL) werden heutzutage zur Kollimation des Kegels (Raumwinkel) von von einer LED erzeugtem Licht verwendet, erhöhen die Verbreitung von Licht im Vergleich zu dem, das von einer Glühbirne erzeugt wird, jedoch nur wenig. Ferner besitzt LED-basiertes Licht, das von einer herkömmlichen NFL kollimiert wird, keinen Brennpunkt, was normalerweise eine Voraussetzung zur Herstellung anderer Komponenten, wie zum Beispiel Reflektoren, die auch bei Fahrzeugaußenbeleuchtungsanwendungen verwendet werden können, ist.
Dementsprechend besteht ein Bedarf an einer LED-basierten Beleuchtungsanordnung, die die Lichtverbreitung einer Glühbirne im Wesentlichen replizieren kann und verschiedene Verpackungen zur Verwendung bei bestimmten Anwendungen erleichtern kann, insbesondere bei Fahrzeugaußenbeleuchtungsanwendungen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Beleuchtungsanordnung bereitgestellt. Die Beleuchtungsanordnung enthält eine LED-Quelle, die einen Lichtkegel erzeugt; und eine transparente Nahfeldlinse mit einer vorderen Oberfläche, einer Kollimationsoberfläche und einer asphärischen Furche. Die Kollimationsoberfläche kollimiert den Lichtkegel zu einem Strahl, der von der vorderen Oberfläche in Richtung der asphärischen Furche reflektiert wird, und die asphärische Furche lenkt den Strahl von der Linse als Ausgangskegel von einem virtuellen Brennpunkt weg.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Beleuchtungsanordnung bereitgestellt. Die Beleuchtungsanordnung enthält eine LED-Quelle, die einen Lichtkegel erzeugt; und eine transparente Nahfeldlinse mit einer vorderen Oberfläche, einer Kollimationsoberfläche und einer asphärischen Furche. Die Kollimationsoberfläche kollimiert den Lichtkegel zu einem Strahl, der von der vorderen Oberfläche in Richtung der asphärischen Furche reflektiert wird, und die asphärische Furche lenkt den Strahl von der Linse als Ausgangskegel von einem positiven virtuellen Fokusring weg.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Beleuchtungsanordnung bereitgestellt. Die Beleuchtungsanordnung enthält eine LED-Quelle, die einen Lichtkegel erzeugt; und eine transparente Nahfeldlinse mit einer vorderen Oberfläche, einer Kollimationsoberfläche und einer asphärischen Furche. Die Kollimationsoberfläche kollimiert den Lichtkegel zu einem Strahl, der von der vorderen Oberfläche in Richtung der asphärischen Furche reflektiert wird, und die asphärische Furche lenkt den Strahl von der Linse als Ausgangskegel von einem negativen virtuellen Fokusring weg. Diese und andere Aspekte, Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden vom Fachmann bei Lektüre der folgenden Beschreibung, Ansprüche und angehängten Zeichnungen verstanden und gewürdigt.
In den Zeichnungen:
zeigt 1 eine perspektivische Ansicht einer Beleuchtungsanordnung mit einer Nahfeldlinse mit einer asphärischen Furche gemäß einer Ausführungsform;
zeigt 2 eine perspektivische Ansicht der in 1 gezeigten Beleuchtungsanordnung mit einem Reflektor gemäß einer weiteren Ausführungsform;
zeigt 3 eine schematische Darstellung des Betriebs einer Beleuchtungsanordnung mit einer Nahfeldlinse mit einer Kollimationsoberfläche und einer asphärischen Furche gemäß einer weiteren Ausführungsform;
zeigt 3A eine vergrößerte Ansicht der in 3 gezeigten Beleuchtungsanordnung, die die Entwicklung der asphärischen Furche mit einem auf Integralrechnung basierenden Algorithmus darstellt, gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform;
zeigt 4A eine Querschnittsansicht einer Beleuchtungsanordnung mit einer Nahfeldlinse mit einer Kollimationsoberfläche und einer asphärischen Furche, konfiguriert zur Lenkung eines Ausgangslichtkegels von einem virtuellen Brennpunkt in einer im Wesentlichen nach vorne gerichteten kollektiven Richtung relativ zum virtuellen Brennpunkt, gemäß einer weiteren Ausführungsform;
zeigt 4B eine Querschnittsansicht einer Beleuchtungsanordnung mit einer Nahfeldlinse mit einer Kollimationsoberfläche und einer asphärischen Furche, konfiguriert zum Lenken eines Ausgangslichtkegels von einem virtuellen Brennpunkt in einer im Wesentlichen nach hinten gerichteten kollektiven Richtung relativ zum virtuellen Brennpunkt, gemäß einer weiteren Ausführungsform;
zeigt 4C eine Querschnittsansicht einer Beleuchtungsanordnung mit einer Nahfeldlinse mit einer Kollimationsoberfläche und einer asphärischen Furche, konfiguriert zur Lenkung eines Ausgangslichtkegels von einem virtuellen Brennpunkt in einer kollektiven Richtung, die in der nach vorne und hinten gerichteten Richtung im Wesentlichen gleichförmig verteilt ist, relativ zum virtuellen Brennpunkt gemäß einer weiteren Ausführungsform;
zeigt 4D eine Querschnittsansicht einer Beleuchtungsanordnung mit einer Nahfeldlinse mit mehreren Kollimationsoberflächen und einer asphärischen Furche, konfiguriert zur Lenkung eines Ausgangslichtkegels von einem virtuellen Brennpunkt in einer kollektiven Richtung, die in der nach vorne und hinten gerichteten Richtung im Wesentlichen gleichförmig verteilt ist, relativ zum virtuellen Brennpunkt gemäß einer weiteren Ausführungsform;
zeigt 5 eine Querschnittsansicht einer Beleuchtungsanordnung mit einer Nahfeldlinse mit einer Kollimationsoberfläche und einer asphärischen Furche, konfiguriert zur Lenkung eines Ausgangslichtkegels von einem positiven virtuellen Fokusring, gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform; und
zeigt 6 eine Querschnittsansicht einer Beleuchtungsanordnung mit einer Nahfeldlinse mit einer Kollimationsoberfläche und einer asphärischen Furche, konfiguriert zur Lenkung eines Ausgangslichtkegels von einem negativen virtuellen Fokusring, gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Wie erfordert werden hier ausführliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart; es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Die Figuren enthalten nicht unbedingt einen ausführlichen Aufbau; einige Schaltbilder können übertrieben oder minimiert vorliegen, um eine Funktionsübersicht zu zeigen. Daher sollten spezifische strukturelle und funktionale Einzelheiten, die hier offenbart werden, nicht als einschränkend verstanden werden, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um einem Durchschnittsfachmann zu lehren, die vorliegende Erfindung verschiedentlich zu verwenden.
Aus Zwecken der vorliegenden Beschreibung sollen sich die Begriffe „nach vorne”, „nach hinten”, „Seite” und Ableitungen davon auf die Beleuchtungsanordnung und die in 1 gezeigten Komponenten beziehen. Das „V” und „H” in 1 beziehen sich auf die Richtungen nach vorne bzw. hinten. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung verschiedene alternative Orientierungen annehmen kann, außer wo dies ausdrücklich anderweitig spezifiziert ist. Es versteht sich außerdem, dass die spezifischen Einrichtungen und Prozesse, die in den angehängten Zeichnungen dargestellt sind und in der folgenden Beschreibung beschrieben werden, lediglich beispielhafte Ausführungsformen der erfinderischen Konzepte, wie in den angehängten Ansprüchen definiert, sind. Somit sollen spezifische Abmessungen und andere physikalische Charakteristiken, die sich auf die vorliegend offenbarten Ausführungsformen beziehen, nicht als einschränkend betrachtet werden, sofern in den Ansprüchen nichts anderes angegeben ist.
Mit Bezug auf 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Beleuchtungsanordnung 10 mit einer Nahfeldlinse 1 mit einer asphärischen Furche 14 gemäß einer Ausführungsform gezeigt. Die Nahfeldlinse 1 weist eine vordere Oberfläche 4 auf, die in der nach vorne gerichteten Richtung „V” orientiert ist, und eine hintere Oberfläche 8, die zu einer (nicht in 1 gezeigten) LED-Quelle weist. Wie gezeigt, ist die Nahfeldlinse 1 symmetrisch um eine Achse 2 konfiguriert, die sich von der nach hinten gerichteten Richtung ”H” zur nach vorne gerichteten Richtung „V” erstreckt. Die Nahfeldlinse 1 besitzt außerdem eine Seitenoberfläche 12, die um die Achse 2 herum konfiguriert und zwischen der vorderen Oberfläche 4 und der hinteren Oberfläche 8 definiert ist. Die Seitenoberfläche 12 enthält eine asphärische Furche 14.
Die Nahfeldlinse 1 ist im Wesentlichen transparent. Vorzugsweise besteht das Nahfeldlinsenelement aus Glas-, Polycarbonat- und/oder Polymethylmethacrylat(PMMA)-Materialien. Wie vom Durchschnittsfachmann leicht verstanden werden wird, sollten diese Materialien ausreichend transparent für optische Klarheit sein. Allgemein erzeugt eine LED-Quelle 3, die zur hinteren Oberfläche 8 weist, einen (nicht gezeigten) Lichtkegel 3a (Raumwinkel) in der nach vorne gerichteten Richtung „V”, der mittels Brechung durch die hintere Oberfläche 8 in die Nahfeldlinse 1 gelangt. Das Licht von dem Lichtkegel 3a (Raumwinkel) wird daraufhin im Wesentlichen innerhalb der Linse 1 an der vorderen Oberfläche 4 in Richtung der Seitenfläche 12 reflektiert. Ein wesentlicher Teil des reflektierten Lichts aus dem Lichtkegel 3a (Raumwinkel) tritt daraufhin als Ausgangskegel 6 durch die asphärische Furche 14 aus der Linse 1 aus. Somit wird das einfallende Licht von der LED-Quelle 3 in Form des Lichtkegels 3a (Raumwinkel) durch die Nahfeldlinse 1 gelenkt und durch die asphärische Furche 14 aus der Linse 1 umgelenkt.
Wie vorliegend definiert, ist der Begriff „asphärisch” mit bestimmten Oberflächen der Nahfeldlinsenelemente assoziiert, die in der vorliegenden Offenbarung beschrieben sind. Die „asphärischen” Oberflächen der hier beschriebenen Nahfeldlinsenelemente weisen mehrere Außenpunkte mit verschiedenen Krümmungsradiuswerten auf. Somit sind diese Oberflächen in dem Sinne „asphärisch”, dass sie nicht zu einer perfekten Kugel erweitert und umschlossen werden können.
Wie in 2 gezeigt ist, kann die in 1 gezeigte Beleuchtungsanordnung 10 mit einem Reflektor 16 gemäß einer weiteren Ausführungsform konfiguriert sein. Der Reflektor 16 ist um die Achse 2 und um die Seitenoberfläche 12 der Nahfeldlinse 1 konfiguriert. Ferner befindet sich der Reflektor 16 auf der Achse 2 an einem hinter der asphärischen Furche 14 liegenden Punkt. Ferner besitzt der Reflektor 16 eine optisch reflektierende Außenoberfläche, die in die Vorwärtsrichtung „V” weist und aus reflektierenden Materialien hergestellt ist, wie es vom Durchschnittsfachmann verstanden wird.
In der in 2 gezeigten Konfiguration kann die Beleuchtungsanordnung 10 den Ausgangskegel 6 von der Linse 1 nutzen und dieses Licht vom Reflektor 16 in die Vorwärtsrichtung „V” umlenken. Das reflektierte Licht von dem Ausgangskegel 6 geht nun in die Vorwärtsrichtung „V” in Form eines Lichtmuster 6a aus. Vorzugsweise sind die Nahfeldlinse 1 und der Reflektor 16 derart ausgebildet, dass sie ein Lichtmuster 6a in einem Muster mit einer Intensität und einer Winkelverbreitung erzeugen, die sich für Fahrzeugaußenbeleuchtungsanwendungen eignen, die bundesrechtlichen Betriebsvorschriften genügen.
Erneut mit Bezug auf 2, ist die Nahfeldlinse 1 der Beleuchtungsanordnung 10 mit einer vorderen Oberflächenkappe 4a gezeigt. Da der Lichtkegel 3a (Raumwinkel), der von der LED-Quelle 3 ausgeht und durch die Linse 1 läuft, allgemein intern von der (nicht gezeigten) vorderen Oberfläche 4 reflektiert wird, kann die Oberfläche 4 von der vorderen Oberflächenkappe 4A abgedeckt sein. Die Kappe 4a kann als ein stilistisches Element, das mit der Beleuchtungsanordnung 10 assoziiert ist, ausgelegt sein. Ferner kann bei einigen Ausführungsformen die Kappe 4a eine im Wesentlichen reflektierende Innenoberfläche aufweisen, die zur vorderen (nicht gezeigten) Oberfläche 4 der Nahfeldlinse 1 weist. Die reflektierende Innenoberfläche der Kappe 4a kann dann beliebiges Licht von dem Lichtkegel 3a (Raumwinkel) reflektieren, dass nicht intern von der vorderen Oberfläche 4 innerhalb der Linse 1 reflektiert wird. Die Integration der reflektierenden Innenoberfläche, die mit der Kappe 4a assoziiert ist, kann somit die Lichtsammeleffizienz der Beleuchtungsanordnung 10 verbessern.
Durch Abbildung eines Querschnitts der Beleuchtungsanordnung 10 zeigt 3 den Betrieb der Beleuchtungsanordnung 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Wie gezeigt, enthält die Beleuchtungsanordnung 10 eine LED-Quelle 3 und eine transparente Nahfeldlinse 1. Die LED-Quelle 3 erzeugt einen Lichtkegel 3a (Raumwinkel). Vorzugsweise ist die LED-Quelle 3 in Nähe zur hinteren Oberfläche 8 der Linse 1 derart angeordnet, dass der Lichtkegel 3a (Raumwinkel) im Wesentlichen auf die hintere Oberfläche 8 trifft. Die LED-Quelle 3 kann eine oder mehrere von verschiedenen LED-verwandten Beleuchtungsquellen umfassen, die ein hoch intensives, direktionales Lichtmuster in Form eines Lichtkegels 3a (Raumwinkel) bereitstellen können. Andere (nicht gezeigte) Komponenten können konfiguriert sein, um die LED-Quelle 3 zu versorgen und zu steuern, wie vom Durchschnittsfachmann verstanden wird.
Die Nahfeldlinse 1 der in 3 gezeigten Beleuchtungsanordnung 10 weist eine vordere Oberfläche 4 auf, die in der nach vorne gerichteten Richtung „V” orientiert ist, und eine hintere Oberfläche 8, die zur LED-Quelle 3 weist. Wie gezeigt, ist die Nahfeldlinse 1 symmetrisch um eine Achse 2 ausgelegt, die sich von der nach hinten gerichteten Richtung „H” in die nach vorne gerichtete Richtung „V” erstreckt. Die hintere Oberfläche 8 umfasst ferner eine Kollimationsoberfläche 5. Man beachte, dass bei einigen Ausführungsformen die hintere Oberfläche 8 mehrere Kollimationsoberflächen (siehe zum Beispiel Kollimationsoberfläche 5 und 8a, die in 4D gezeigt sind) umfassen kann. Ferner besitzt, wie in 3 gezeigt, die Nahfeldlinse 1 außerdem eine Seitenoberfläche 12, die um die Achse 2 konfiguriert ist und zwischen der vorderen Oberfläche 4 und der hinteren Oberfläche 8 definiert ist. Die Seitenoberfläche 12 enthält eine asphärische Furche 14.
Erneut mit Bezug auf 3, funktioniert die Nahfeldlinse 1 der Beleuchtungsanordnung 10 wie folgt. Die LED-Quelle 3, die zur hinteren Oberfläche 8 weist, erzeugt einen Lichtkegel 3a (Raumwinkel) in der nach vorne gerichteten Richtung „V”, der durch die Kollimationsoberfläche 5 in die Nahfeldlinse 1 hinein läuft. Vorzugsweise ist die Kollimationsoberfläche 5 dimensional gesehen dazu konfiguriert, den Kegel 3a (Raumwinkel), der von der LED-Quelle 3 ausgeht, im Wesentlichen zu kollimieren. Somit kann die Kollimationsoberfläche 5 in Abhängigkeit vom Grad der Ausbreitung, der mit dem Lichtkegel 3a (Raumwinkel), der von der jeweiligen in der Beleuchtungsanordnung 10 verwendeten LED-Quelle 3 ausgeht, assoziiert ist, größer oder kleiner sein. Ferner kann die Kollimationsoberfläche 5 auf der Basis der relativen Anordnung der LED-Quelle 3 in Nähe zur Kollimationsoberfläche 5 bemessen sein. Vorzugsweise ist die Kollimationsoberfläche 5 mit einem kontinuierlich variierenden Krümmungsradius konfiguriert.
Das Licht vom Lichtkegel 3a (Raumwinkel) wird daraufhin von der Kollimationsoberfläche 5 innerhalb der Nahfeldlinse 1 in Richtung der vorderen Oberfläche 4 zu einem Strahlenmuster 5a kollimiert. Das Strahlenmuster 5a wird dann innerhalb der Linse 1 an der vorderen Oberfläche 4 in Richtung der Seitenoberfläche 12 reflektiert. Die vordere Oberfläche 4 ist vorzugsweise mit einem Winkel von ca. 45° innerhalb der Nahfeldlinse 1 konfiguriert, um völlige interne Reflexion des Strahlenmusters 5a in Richtung der Seitenoberfläche 12 sicherzustellen. Somit wird das Strahlenmuster 5a von der vorderen Oberfläche 4 als reflektiertes zylindrisches Muster 5b reflektiert.
Ein wesentlicher Teil des reflektierten zylindrischen Musters 5b (ausgehend vom Lichtkegel 3a (Raumwinkel)) tritt dann durch die asphärische Furche 14 auf der Seitenoberfläche 12 aus der Nahfeldlinse 1 als Ausgangskegel 6 aus. Insbesondere lenkt die asphärische Furche 14 das zylindrische Muster 5b von der Linse 1 als Ausgangskegel 6 mit einem virtuellen Brennpunkt 18 mittels Brechung gemäß dem Snelliusschem Gesetz weg. Obwohl der Ausgangskegel 6 nicht durch den virtuellen Brennpunkt 18 läuft, können seine Lichtstrahlen zum virtuellen Brennpunkt 18 zurückverfolgt werden. Die asphärische Furche 14 ist insbesondere dazu ausgebildet, das zylindrische Muster 5b als Ausgangskegel 6 in einer Richtung, die dem virtuellen Brennpunkt 18 entspricht, zu verteilen. Die asphärische Furche 14 ist außerdem dazu ausgebildet, um sicherzustellen, dass der mit dem Brechungsindex des für die Nahfeldlinse 1 ausgewählten Materials assoziierte kritische Winkel nicht verletzt wird. Bei Betrachtung in drei Dimensionen erzeugt die Beleuchtungsanordnung 10 einen Ausgangskegel 6 in Form eines Zylinders (mit Winkelseiten auf der nach hinten gerichteten Seite „H” und der nach vorne gerichteten Seite „V”), wobei Licht radial von der Achse 2 weg ausgeht. Vorzugsweise ist die asphärische Furche 14 mit einem kontinuierlich variierenden Krümmungsradius ausgebildet.
Wie in 3A gezeigt, kann die asphärische Furche 14 mittels eines Algorithmus erzeugt werden, wie zum Beispiel unten durch Gleichung (1) gegeben ist, auf der Basis von Integralrechnung. Die asphärische Furche 14 kann in Bezug auf ihre Gestalt auf der Basis einer gewünschten Stelle für den virtuellen Brennpunkt 18 und der gewünschten Distanz zwischen dem virtuellen Brennpunkt 18 und der asphärischen Furche 14 ausgebildet sein. Insbesondere kann die asphärische Furche 14 in zwei Dimensionen in der X- und Y-Koordinate, wie gezeigt, erzeugt werden. Die X-Koordinate liegt entlang der Achse 2, erstreckend von der nach hinten gerichteten Richtung und der nach vorne gerichteten Richtung „H” beziehungsweise „V”. Die Y-Koordinate ist zur X-Koordinate normal. Die Distanz zwischen dem virtuellen Brennpunkt 18 (wie gewählt) und dem untersten Punkt der asphärischen Furche 14 in Richtung der Achse 2 wird von der Brennweite 14a definiert, die auch als „lf” in der unten angegebenen Gleichung (1) identifiziert ist. Ferner entsprechen n₁ und n₂ in der Gleichung (1) und wie in 3A gezeigt den Brechungsindexwerten der Nahfeldlinse 1 bzw. der die Linse 1 umgebenden Umgebung.
Wie außerdem in 3A gezeigt, wird die Nahfeldlinse 1 von Luft umgeben sein, und somit wird n₂ gleich 1,00029 oder 1, um die Gleichung zu vereinfachen, sein. Wie weiter oben bemerkt wurde, kann die Linse 1 aus einem transparenten Material hergestellt sein. Bei dem vorliegenden Beispiel ist die Linse 1 aus einem Polycarbonat hergestellt, wodurch sie einen Brechungsindex, n₁, von gleich 1,586 aufweist. Die Gleichung (1) kann dazu verwendet werden, die mit der asphärischen Furche 14 assoziierte Krümmung zu erzeugen. Wenn die Brennweite 14a, lf, auf 10 mm eingestellt ist, dann ist zum Beispiel f(x) = 11,7411 mm bei x = 5 mm. Letztlich ist die asphärische Furche 14 gemäß der Gleichung (1) derart definiert, dass f(x) die Stelle der asphärischen Furche 14 entlang der Y-Achse als Funktion der Stelle entlang der X-Achse definiert.
Mit Bezug auf 3 und 3A sollte außerdem verstanden werden, dass die asphärische Kollimationsoberfläche 5 mittels eines Algorithmus auf der Basis von Integralrechnung geschaffen werden kann, der ähnlich der Gleichung (1) ist. Insbesondere kann die unten stehende Gleichung (2) verwendet werden, um die mit der Kollimationsoberfläche 5 assoziierte Krümmung zu erzeugen. In dem vorliegenden Beispiel wird n₁ Luft mit einem Brechungsindex von 1,00029 oder 1 (um die Gleichung zu erleichtern) darstellen, und n₂ wird das transparente Material Polycarbonat mit einem Brechungsindex von 1,586 darstellen. Die X- und Y-Richtung, die in der Gleichung (2) relativ zur in 3 und 3A gezeigten Kollimationsoberfläche 5 verwendet werden, sind um 90° relativ zu denen in Gleichung (1) für die asphärische Furche 14 verwendeten verschoben. Ferner entspricht der lf-Term in der Gleichung (2) der Brennweite 5c für die Kollimationsoberfläche 5, definiert durch die Distanz in der Richtung der Achse 2 zwischen dem LED-Brennpunkt 19 und dem Mittelpunkt der Kollimationsoberfläche 5 (nicht in 3 gezeigt). Somit kann f(x) in der Gleichung (2) zur Definition der Kollimationsoberfläche 5 in der Richtung der Achse 2 (entlang der Achse, die durch die Richtungen „H” und „V” gebildet wird) als eine Funktion der X-Richtung verwendet werden, die normal zur Achse 2 definiert ist. Es versteht sich, dass es viele Wege gibt, auf denen ein kollimierter Strahl durch die Kollimationsoberfläche 5 in die Nahfeldlinse 1 hinein geschaffen werden kann, ob durch eine einzige oder mehrere Oberflächen. Somit sind die in der Gleichung (2) verwendeten Algorithmen lediglich beispielhaft.
Zusätzliche Ausführungsformen der Beleuchtungsanordnung 10 sind in 4A–4C dargestellt. In 4A ist ein Querschnitt durch eine Beleuchtungsanordnung 10 dargestellt, bei der die Nahfeldlinse 1 zur Erzeugung eines Ausgangskegels 6 von einem virtuellen Brennpunkt 18 in einer im Wesentlichen nach vorne gerichteten Richtung relativ zum virtuellen Brennpunkt 18 zu erzeugen. Wie in 4A gezeigt, ist die asphärische Furche 14 insbesondere dazu ausgebildet, das zylindrische Muster 5b in einer nach vorne gerichteten Richtung zu brechen, so dass ein wesentlicher Anteil von Lichtstrahlen im Ausgangskegel 6 eine Komponente in der nach vorne gerichteten Richtung „V” aufweist. Alle diese Lichtstrahlen, die den Ausgangskegel 6 bilden, können in der Richtung des virtuellen Brennpunkts 18 zurückverfolgt werden. Vorzugsweise liegt der virtuelle Brennpunkt 18 innerhalb oder in der Nähe der Nahfeldlinse 1, wenn die asphärische Furche 14 dazu ausgebildet ist, einen im Wesentlichen nach vorne orientierten Ausgangskegel 6 zu erzeugen. Ferner kann ein Reflektor 16 ausgebildet und auf die Beleuchtungsanordnung 10 von 4A aufgesetzt sein, um den Ausgangskegel 6 als Lichtmuster 6a (siehe 2) zu sammeln und zu reflektieren. Vorzugsweise ist der Reflektor 16 als Parabol-Reflektor (zum Beispiel eine Parabolform) mit einem Brennpunkt, der mit dem virtuellen Brennpunkt 18 übereinstimmt, konfiguriert.
In 4B ist ein Querschnitt durch eine Beleuchtungsanordnung 10 dargestellt, bei dem die Nahfeldlinse 1 dazu konfiguriert ist, einen Ausgangskegel 6 von einem virtuellen Brennpunkt 18 in einer im Wesentlichen nach hinten gerichteten Richtung relativ zum virtuellen Brennpunkt 18 zu erzeugen. Wie in 4B gezeigt, ist die asphärische Furche 14 insbesondere dazu ausgebildet, das zylindrische Muster 5b in einer nach hinten gerichteten Richtung zu brechen, so dass ein wesentlicher Anteil von Lichtstrahlen im Ausgangskegel 6 eine Komponente in der nach hinten gerichteten Richtung „H” aufweist. Alle diese Lichtstrahlen, die den Ausgangskegel 6 bilden, können in der Richtung des virtuellen Brennpunkts 18 zurückverfolgt werden. Vorzugsweise liegt der virtuelle Brennpunkt 18 vor der vorderen Oberfläche 4 der Nahfeldlinse 1, wenn die asphärische Furche 14 dazu ausgebildet ist, einen im Wesentlichen nach hinten orientierten Ausgangskegel 6 zu erzeugen. Ferner kann ein Reflektor 16 ausgebildet und auf die Beleuchtungsanordnung 10 von 4B aufgesetzt sein, um den Ausgangskegel 6 als Lichtmuster 6a (siehe 2) zu sammeln und zu reflektieren. Vorzugsweise ist der Reflektor 16 als Parabol-Reflektor (zum Beispiel eine Parabolform) mit einem Brennpunkt, der mit dem virtuellen Brennpunkt 18 übereinstimmt, konfiguriert.
Mit Bezug auf 4C ist ein Querschnitt durch eine Beleuchtungsanordnung 10 dargestellt, bei dem die Nahfeldlinse 1 dazu konfiguriert ist, einen Ausgangskegel 6 von einem virtuellen Brennpunkt 18 in einer kollektiven Richtung, die im Wesentlichen gleichförmig in der nach vorne gerichteten und nach hinten gerichteten Richtung „V” und „H” verteilt ist, relativ zum virtuellen Brennpunkt 18 zu erzeugen. Wie in 4C gezeigt, ist die asphärische Furche 14 insbesondere dazu ausgebildet, das zylindrische Muster 5b auf einer im Wesentlichen gleichförmigen Art zu brechen, so dass ungefähr gleiche Anteile der Lichtstrahlen im Ausgangskegel 6 eine Komponente in der nach hinten gerichteten Richtung „H” bzw. eine Komponente in der nach vorne gerichteten Richtung „V” aufweisen. Alle diese Lichtstrahlen, die den Ausgangskegel 6 bilden, können in der Richtung des virtuellen Brennpunkts 18 zurückverfolgt werden. Vorzugsweise liegt der virtuelle Brennpunkt 18 zentral zum zylindrischen Muster 5b der Nahfeldlinse 1. Ferner kann ein Reflektor 16 ausgebildet und auf die Beleuchtungsanordnung 10 von 4C aufgesetzt sein, um den Ausgangskegel 6 als Lichtmuster 6a (siehe 2) zu sammeln und zu reflektieren. Vorzugsweise ist der Reflektor 16 als Parabol-Reflektor (zum Beispiel eine Parabolform) mit einem Brennpunkt, der mit dem virtuellen Brennpunkt 18 übereinstimmt, konfiguriert.
Mit Bezug auf 4D ist ein Querschnitt durch eine Beleuchtungsanordnung 10 dargestellt, bei dem die Nahfeldlinse 1 mit mehreren Kollimationsoberflächen, der Kollimationsoberfläche 5 und den Kollimationsoberflächen 8, dazu konfiguriert ist, einen Ausgangskegel 6 von einem virtuellen Brennpunkt 18 in einer kollektiven Richtung, die im Wesentlichen gleichförmig in der nach vorne gerichteten und nach hinten gerichteten Richtung „V” und „H” verteilt ist, relativ zum virtuellen Brennpunkt 18 zu erzeugen. Insbesondere erzeugt die LED-Quelle 3, die zur hinteren Oberfläche 8 weist, einen Lichtkegel 3a (Raumwinkel) in der nach vorne gerichteten Richtung „V”, der durch die Kollimationsoberfläche 5 und die Kollimationsoberfläche 8a in die Nahfeldlinse 1 hinein läuft. Ferner kollimiert die Innenseite der Kollimationsoberfläche 8a außerdem einen Teil des Lichts, der durch einen anderen Bereich der Kollimationsoberfläche 8a gebrochen wurde. Vorzugsweise sind die Kollimationsoberflächen 5 und 8a dimensional gesehen konfiguriert, um den Kegel 3a (Raumwinkel), der von der LED-Quelle 3 ausgeht, im Wesentlichen zu kollimieren. Somit können die Kollimationsoberflächen 5 und 8a in Abhängigkeit vom Grad der Verteilung, der mit dem Lichtkegel 3a (Raumwinkel), der von der jeweiligen in der Beleuchtungsanordnung 10 verwendeten LED-Quelle 3 ausgeht, assoziiert ist, größer oder kleiner sein. Ferner können die Kollimationsoberflächen 5 und 8a auf der Basis der relativen Position der LED-Quelle 3 in der Nähe zu den Kollimationsoberflächen 5 und 8a bemessen sein.
Das Licht vom Lichtkegel 3a (Raumwinkel) wird daraufhin von der Kollimationsoberfläche 5 und 8a innerhalb der Nahfeldlinse 1 in Richtung der vorderen Oberfläche 4 zu einem Strahlenmuster 5a kollimiert. Das Strahlenmuster 5a wird dann innerhalb der Linse 1 an der vorderen Oberfläche 4 in Richtung der Seitenoberfläche 12 reflektiert. Die vordere Oberfläche 4 ist vorzugsweise mit einem Winkel von ca. 45° innerhalb der Nahfeldlinse 1 konfiguriert, um völlige interne Reflexion des Strahlenmusters 5a in Richtung der Seitenoberfläche 12 sicherzustellen. Somit wird das Strahlenmuster 5a von der vorderen Oberfläche 4 als reflektiertes zylindrisches Muster von 5b reflektiert.
Wie weiterhin in 4D gezeigt ist, ist die asphärische Furche 14 insbesondere dazu ausgebildet, das zylindrische Muster 5b auf eine im Wesentlichen gleichförmige Weise zu brechen, so dass ungefähr gleiche Anteile von den Lichtstrahlen im Ausgangskegel 6 eine Komponente in der nach hinten gerichteten Richtung „H” bzw. eine Komponente in der nach vorne gerichteten Richtung „V” aufweisen. Alle diese Lichtstrahlen, die den Ausgangskegel 6 bilden, können in der Richtung des virtuellen Brennpunkts 18 zurückverfolgt werden. Vorzugsweise liegt der virtuelle Brennpunkt 18 zentral zum zylindrischen Muster 5b der Nahfeldlinse 1. Ferner kann ein Reflektor 16 ausgebildet und auf die Beleuchtungsanordnung 10 von 4D aufgesetzt sein, um den Ausgangskegel 6 als Lichtmuster 6a (siehe 2) zu sammeln und zu reflektieren. Vorzugsweise ist der Reflektor 16 als Parabol-Reflektor (zum Beispiel eine Parabolform) mit einem Brennpunkt, der mit dem virtuellen Brennpunkt 18 übereinstimmt, konfiguriert.
Mit Bezug auf 5 ist eine Beleuchtungsanordnung 50 gemäß einer weiteren Ausführungsform in einer Querschnittsansicht dargestellt. Man beachte, dass die Beleuchtungsanordnung 50 eine Nahfeldlinse 41 mit einer Kollimationsoberfläche 45 und einer asphärischen Furche 54 aufweist, die dazu konfiguriert ist, einen Ausgangslichtkegel 46 aus einem positiven virtuellen Fokusring 58a zu lenken. Die Gleichungen (1) und (2) können dazu verwendet werden, die asphärische Furche 54 bzw. die Kollimationsoberfläche 45 zu schaffen. Wie gezeigt, enthält die Beleuchtungsanordnung 50 eine LED-Quelle 43 und eine transparente Nahfeldlinse 41. Die LED-Quelle 43 erzeugt einen Lichtkegel 43a (Raumwinkel). Vorzugsweise ist die LED-Quelle 43 in Nähe zur hinteren Oberfläche 48 der Linse 41 derart angeordnet, dass der Lichtkegel 43a (Raumwinkel) im Wesentlichen auf die hintere Oberfläche 48 trifft. Die LED-Quelle 43 kann eine oder mehrere von verschiedenen LED-verwandten Beleuchtungsquellen umfassen, die ein hoch intensives, direktionales Lichtmuster in Form eines Lichtkegels 43a (Raumwinkel) bereitstellen können. Wie dem Durchschnittsfachmann verständlich ist, können andere (nicht gezeigte) Komponenten konfiguriert sein, um die LED-Quelle 43 zu versorgen und zu steuern.
Die Nahfeldlinse 41 der Beleuchtungsanordnung 50, die in 5 gezeigt ist, weist eine vordere Oberfläche 44 auf, die in der nach vorne gerichteten Richtung „V” orientiert ist, und eine hintere Oberfläche 48, die zu der LED-Quelle 43 weist. Wie gezeigt, ist die Nahfeldlinse 41 symmetrisch um eine Achse 42 konfiguriert, die sich von der nach hinten gerichteten Richtung „H” zur nach vorne gerichteten Richtung „V” erstreckt. Die hintere Oberfläche 48 umfasst ferner eine Kollimationsoberfläche 45. Zusätzlich besitzt die Nahfeldlinse 1 außerdem eine Seitenoberfläche 52, die um die Achse 42 herum konfiguriert und zwischen der vorderen Oberfläche 44 und der hinteren Oberfläche 48 definiert ist. Die Seitenoberfläche 52 enthält eine asphärische Furche 54.
Erneut mit Bezug auf 5, funktioniert die Nahfeldlinse 41 der Beleuchtungsanordnung 50 wie folgt. Die LED-Quelle 43, die zur hinteren Oberfläche 48 weist, erzeugt einen Lichtkegel 43a (Raumwinkel) in der nach vorne gerichteten Richtung „V”, der durch die Kollimationsoberfläche 45 in die Nahfeldlinse 41 hinein läuft. Vorzugsweise ist die Kollimationsoberfläche 45 dimensional gesehen dazu konfiguriert, den Kegel 43a (Raumwinkel), der von der LED-Quelle 43 ausgeht, im Wesentlichen zu kollimieren. Somit kann die Kollimationsoberfläche 45 in Abhängigkeit vom Grad der Ausbreitung, der mit dem Lichtkegel 43a (Raumwinkel), der von der jeweiligen in der Beleuchtungsanordnung 50 verwendeten LED-Quelle 43 ausgeht, assoziiert ist, größer oder kleiner sein. Zusätzlich kann die Kollimationsoberfläche 45 auf der Basis ihrer Position in der Nähe zur Stelle der LED-Quelle 43 bemessen sein.
Das Licht vom Lichtkegel 43a (Raumwinkel) wird daraufhin von der Kollimationsoberfläche 45 innerhalb der Nahfeldlinse 41 in Richtung der vorderen Oberfläche 44 in der nach vorne gerichteten Richtung „V” zu einem Strahlenmuster 45a kollimiert. Das Strahlenmuster 45a wird dann innerhalb der Linse 41 an der vorderen Oberfläche 44 in Richtung der Seitenoberfläche 52 reflektiert. Die vordere Oberfläche 44 ist vorzugsweise mit einem Winkel von ca. 45° innerhalb der Nahfeldlinse 41 konfiguriert, um völlige interne Reflexion des Strahlenmusters 45a in Richtung der Seitenoberfläche 52 sicherzustellen. Somit wird das Strahlenmuster 45a von der vorderen Oberfläche 44 als reflektiertes zylindrisches Muster 45b reflektiert.
Ein wesentlicher Teil des reflektierten zylindrischen Musters 45b (ausgehend vom Lichtkegel 43a (Raumwinkel)) tritt dann durch die asphärische Furche 54 auf der Seitenoberfläche 52 aus der Nahfeldlinse 41 als Ausgangskegel 46 aus. Insbesondere lenkt die asphärische Furche 54 das zylindrische Muster 45b von der Linse 41 als Ausgangskegel 46 mit einem virtuellen Brennpunkt 58 mittels Brechung gemäß dem Snelliusschem Gesetz weg. Obwohl der Ausgangskegel 46 nicht durch den virtuellen Brennpunkt 58 läuft, können seine Lichtstrahlen zum virtuellen Brennpunkt 58 zurückverfolgt werden. Die asphärische Furche 54 ist insbesondere dazu ausgebildet, das zylindrische Muster 45b als Ausgangskegel 46 in einer Richtung, die dem virtuellen Brennpunkt 58 entspricht, zu verteilen. Die asphärische Furche 54 ist außerdem dazu ausgebildet, sicherzustellen, dass der mit dem Brechungsindex des für die Nahfeldlinse 41 ausgewählten Materials assoziierte kritische Winkel nicht verletzt wird.
Ferner befindet sich der virtuelle Brennpunkt 58 über der Achse 42 und der asphärischen Furche 54. Als Folge wird jede Querschnittsansicht der Beleuchtungsanordnung 50 und Nahfeldlinse 41 einen virtuellen Brennpunkt 58 an einer unterschiedlichen Stelle im Raum darstellen. Zusammen verfolgen diese virtuellen Brennpunkte 58 einen positiven virtuellen Fokusring 58a, der in der Perspektive in 5 als gestrichelte Ellipse bezeichnet ist. Somit gehen mehrere Ausgangskegel 46 vom positiven virtuellen Fokusring 58a aus, wenn die Beleuchtungsanordnung 50 in Perspektive in drei Dimensionen betrachtet wird.
Ferner in Bezug auf 5 ist der Ausgangskegel 46 der Beleuchtungsanordnung 50 in Form eines Zylinders (mit Winkelseiten auf der nach hinten gerichteten Seite „H” und der nach vorne gerichteten Seite „V”), wobei Licht radial von der Achse 42 weg ausgeht, wenn der Kegel 46 in drei Dimensionen betrachtet wird. Vorzugsweise ist die asphärische Furche 54 mit einem kontinuierlich variierenden Krümmungsradius ausgebildet, um virtuelle Brennpunkte 58 und den positiven virtuellen Fokusring 58a zu erzeugen. Es sollte außerdem verständlich sein, dass der mit der Beleuchtungsanordnung 50 assoziierte Ausgangskegel 46 mit einem positiven virtuellen Fokusring 58a eine große Winkelausbreitung, vorzugsweise von mehr als 45°, besitzt. Somit ist die zylindrische Gestalt des Ausgangskegels 46 (wie in drei Dimensionen betrachtet) ein Zylinder mit einer großen Höhendimension entlang der Achse 42. Es versteht sich, dass die Techniken zur Verschiebung des Ausgangskegels 6 in der Beleuchtungsanordnung 10, die in 4A und 4B gezeigt ist, auch auf die Verschiebung des Ausgangskegels 46 der Beleuchtungsanordnung 50, die in 5 gezeigt ist, angewendet werden kann.
Ferner kann ein Reflektor 16 (siehe 2) ausgebildet und auf die Beleuchtungsanordnung 50 von 5 aufgesetzt sein, um den Ausgangskegel 46 als ein Lichtmuster zu sammeln und zu reflektieren, das im Wesentlichen in die (nicht gezeigte) nach vorne gerichtete Richtung „V” gelenkt wird. Vorzugsweise ist der Reflektor 16, der in Verbindung mit der Beleuchtungsanordnung 50 verwendet wird, als Parabol-Reflektor (zum Beispiel eine im Wesentlichen parabolische Gestalt mittels einer Parabolkurve, aufgebaut aus einem virtuellen Brennpunkt und um die zentrale Achse 42 herum gedreht) mit mehreren Brennpunkten, die mit dem virtuellen Fokusring 58a übereinstimmen, konfiguriert. Aufgrund der relativ großen Winkelverteilung des Ausgangskegels 46 muss der Reflektor 16 ausreichend groß sein, um alles Licht vom Ausgangskegel 46 zu reflektieren. Ein Lichtmuster mit einer großen Winkelverteilung, das von einer Beleuchtungsanordnung 50 erzeugt wird, könnte in bestimmten Fahrzeugaußenbeleuchtungsanwendungen verwendet werden, um Funktionen wie Tagfahrleuchten (DRL – Daylight Running Lamps), Bremslichter, Blinklichter usw. zu stützen.
Mit Bezug auf 6 ist eine Beleuchtungsanordnung 90 gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform in Querschnittsansicht dargestellt. Die Beleuchtungsanordnung 90 besitzt eine Nahfeldlinse 81 mit einer Kollimationsoberfläche 85 und einer asphärischen Furche 94, die dazu ausgelegt ist, einen Ausgangskegel 86 von einem negativen virtuellen Fokusring 98a zu lenken. Die Gleichungen (1) und (2) können dazu verwendet werden, die asphärische Furche 94 bzw. Kollimationsoberfläche 85 zu schaffen. Wie gezeigt, enthält die Beleuchtungsanordnung 90 eine LED-Quelle 83 und eine transparente Nahfeldlinse 81. Die LED-Quelle 83 erzeugt einen Lichtkegel 83a (Raumwinkel). Vorzugsweise ist die LED-Quelle 83 in Nähe zur hinteren Oberfläche 88 der Linse 81 derart angeordnet, dass der Lichtkegel 83a (Raumwinkel) im Wesentlichen auf die hintere Oberfläche 88 trifft. Die LED-Quelle 83 kann eine oder mehrere von verschiedenen LED-verwandten Beleuchtungsquellen umfassen, die ein hoch intensives, direktionales Lichtmuster in Form eines Lichtkegels 83a (Raumwinkel) bereitstellen können. Andere (nicht gezeigte) Komponenten können dazu konfiguriert sein, die LED-Quelle 83 zu versorgen und zu steuern, wie leicht vom Durchschnittsfachmann verstanden wird.
Die Nahfeldlinse 81 der in 6 gezeigten Beleuchtungsanordnung 90 weist eine vordere Oberfläche 84 auf, die in der nach vorne gerichteten Richtung „V” orientiert ist, und eine hintere Oberfläche 88, die zur LED-Quelle 83 weist. Wie gezeigt, ist die Nahfeldlinse 81 symmetrisch um eine Achse 82 ausgelegt, die sich von der nach hinten gerichteten Richtung „H” in die nach vorne gerichtete Richtung „V” erstreckt. Die hintere Oberfläche 88 umfasst ferner eine Kollimationsoberfläche 85. Zusätzlich besitzt die Nahfeldlinse 81 außerdem eine Seitenoberfläche 92, die um die Achse 82 konfiguriert ist und zwischen der vorderen Oberfläche 84 und der hinteren Oberfläche 88 definiert ist. Die Seitenoberfläche 92 enthält eine asphärische Furche 94.
Erneut mit Bezug auf 6 funktioniert die Nahfeldlinse 81 der Beleuchtungsanordnung 90 wie folgt. Die LED-Quelle 83, die zur hinteren Oberfläche 88 weist, erzeugt einen Lichtkegel 83a (Raumwinkel) in der nach vorne gerichteten Richtung „V”, der durch die Kollimationsoberfläche 85 in die Nahfeldlinse 81 hinein läuft. Vorzugsweise ist die Kollimationsoberfläche 85 dimensional gesehen dazu konfiguriert, den Kegel 83a (Raumwinkel), der von der LED-Quelle 83 ausgeht, im Wesentlichen zu kollimieren. Somit kann die Kollimationsoberfläche 85 in Abhängigkeit vom Grad der Ausbreitung, der mit dem Lichtkegel 83a (Raumwinkel), der von der jeweiligen in der Beleuchtungsanordnung 90 verwendeten LED-Quelle 83 ausgeht, assoziiert ist, größer oder kleiner sein. Zusätzlich kann die Kollimationsoberfläche 85 auf der Basis ihrer Position in der Nähe der Position der LED-Quelle 43 bemessen sein.
Das Licht vom Lichtkegel 83a (Raumwinkel) wird daraufhin von der Kollimationsoberfläche 85 innerhalb der Nahfeldlinse 81 in Richtung der vorderen Oberfläche 84 in der nach vorne gerichteten Richtung „V” zu einem Strahlenmuster 85a kollimiert. Das Strahlenmuster 85a wird dann innerhalb der Linse 81 an der vorderen Oberfläche 84 in Richtung der Seitenoberfläche 92 reflektiert. Die vordere Oberfläche 84 ist vorzugsweise mit einem Winkel von ca. 45° innerhalb der Nahfeldlinse 81 konfiguriert, um völlige interne Reflexion des Strahlenmusters 85a in Richtung der Seitenoberfläche 92 sicherzustellen. Somit wird das Strahlenmuster 85a von der vorderen Oberfläche 84 als reflektiertes zylindrisches Muster 85b reflektiert.
Ein wesentlicher Teil des zylindrischen Strahlenmusters 85b (ausgehend vom Lichtkegel 83a) tritt dann durch die asphärische Furche 94 auf der Seitenoberfläche 92 aus der Nahfeldlinse 81 als Ausgangskegel 86 aus. Insbesondere lenkt die asphärische Furche 94 das zylindrische Muster 85b von der Linse 81 als Ausgangskegel 86 mit einem virtuellen Brennpunkt 98 mittels Brechung gemäß dem Snelliusschem Gesetz weg. Obwohl der Ausgangskegel 86 nicht durch den virtuellen Brennpunkt 98 läuft, können seine Lichtstrahlen zum virtuellen Brennpunkt 98 zurückverfolgt werden. Die asphärische Furche 94 ist insbesondere dazu ausgebildet, das zylindrische Muster 85b als Ausgangskegel 86 in einer Richtung, die dem virtuellen Brennpunkt 98 entspricht, zu verteilen. Die asphärische Furche 94 ist außerdem dazu ausgebildet, sicherzustellen, dass der mit dem Brechungsindex des für die Nahfeldlinse 81 ausgewählten Materials assoziierte kritische Winkel nicht verletzt wird.
Ferner ist der virtuelle Brennpunkt 98 unterhalb der Achse 82 und außerhalb der Nahfeldlinse 81 und asphärischen Furche 94 angeordnet. Als Folge wird jede Querschnittsansicht der Beleuchtungsanordnung 90 und Nahfeldlinse 81 einen virtuellen Brennpunkt 98 an einer verschiedenen Stelle im Raum darstellen. Zusammen verfolgen diese virtuellen Brennpunkte 98 einen negativen virtuellen Fokusring 98a, der in der Perspektive in 6 als eine gestrichelte Ellipse bezeichnet ist. Somit gehen vom negativen virtuellen Fokusring 98a mehrere Ausgangskegel 86 aus, wenn die Beleuchtungsanordnung 90 in einer Perspektive in drei Dimensionen betrachtet wird.
Weiterhin mit Bezug auf 6 ist der Ausgangskegel 86 der Beleuchtungsanordnung 90 in Form eines Zylinders (mit Winkelseiten auf der nach hinten gerichteten Seite „H” und der nach vorne gerichteten Seite „V”), wobei Licht radial von der Achse 82 weg ausgeht, wenn der Kegel 86 in drei Dimensionen betrachtet wird. Vorzugsweise ist die asphärische Furche 94 mit einem kontinuierlich variierenden Krümmungsradius ausgebildet, um virtuelle Brennpunkte 98 und den negativen virtuellen Fokusring 98a zu erzeugen. Es sollte außerdem verständlich sein, dass der mit der Beleuchtungsanordnung 90 assoziierte Ausgangskegel 86 mit einem negativen virtuellen Fokusring 98a eine kleine Winkelausbreitung, typischerweise von weniger als 45°, besitzt. Somit ist die zylindrische Gestalt des Ausgangskegels 86 (wie in drei Dimensionen betrachtet) ein Zylinder mit einer geringen Höhendimension entlang der Achse 82. Es versteht sich, dass die Techniken zur Verschiebung des Ausgangskegels 6 in der Beleuchtungsanordnung 10, die in 4A und 4B gezeigt sind, auch auf die Verschiebung des Ausgangskegels 86 der Beleuchtungsanordnung 90, die in 6 gezeigt ist, angewendet werden können.
Ferner kann ein Reflektor 16 (siehe 2) ausgebildet und auf die Beleuchtungsanordnung 90 von 6 aufgesetzt sein, um den Ausgangskegel 86 als ein Lichtmuster zu sammeln und zu reflektieren, das im Wesentlichen in die (nicht gezeigte) nach vorne gerichtete Richtung „V” gelenkt wird. Vorzugsweise ist der Reflektor 16, der in Verbindung mit der Beleuchtungsanordnung 90 verwendet wird, als Parabol-Reflektor (zum Beispiel in im Wesentlichen parabolischer Gestalt mittels einer Parabolkurve, aufgebaut aus einem virtuellen Brennpunkt und um die zentrale Achse 82 herum gedreht) mit mehreren Brennpunkten, die mit dem virtuellen Fokusring 98a übereinstimmen, konfiguriert. Aufgrund der relativ kleinen Winkelverteilung des Ausgangskegels 86 kann der Reflektor 16 mit vergleichsweise kleinen Dimensionen gepackt sein, die ausreichen, um alles Licht vom Ausgangskegel 86 zu reflektieren. Der Nettoeffekt ist eine vorteilhaft schmale Winkelverteilung (im Vergleich zum breiten Muster, das durch die Beleuchtungsanordnung 50 erzeugt wird) in der nach vorne gerichteten Richtung „V”, im Wesentlichen größer in der Winkelverteilung als der Lichtkegel 83a (Raumwinkel), der von der LED-Quelle 83 ausgeht. Ein intensives Lichtmuster mit einer relativ schmalen Winkelverteilung, das von einer Beleuchtungsanordnung 90 erzeugt wird, könnte in bestimmten Fahrzeugaußenbeleuchtungsanwendungen verwendet werden, um Funktionen wie DRL, Bremslichter, Blinklichter usw. zu stützen.
Die oben beschriebenen Beleuchtungsanordnungsausführungsformen, einschließlich der Beleuchtungsanordnungen 10, 50 und 90, nutzen vorteilhaft die Vorteile von LED-basierten Beleuchtungsquellen (zum Beispiel Stromverbrauch), während sie eine Winkelverteilung bereitstellen, die in der Regel mit Glühbirnenanwendungen assoziiert sind. Ferner verwenden diese Beleuchtungsanordnungen Nahfeldlinsen mit einer oder mehreren Kollimationsoberflächen und asphärischen Furchenelementen, die seitenemittierende NFL-Technologie vorteilhaft ausnutzen, stellen aber weiter die präzise optische Designkontrolle bereit, die mit virtuellen Brennpunkten und virtuellen Fokusringen assoziiert ist. Bei bekannten und präzisen virtuellen Brennpunkten und virtuellen Fokusringen ist es möglich, in Abhängigkeit von der Art der verwendeten Beleuchtungsanordnung, andere Außenbeleuchtungskomponenten (zum Beispiel Reflektoren) auszubilden, um das aus den NFLs, die mit diesen Beleuchtungsanordnungen assoziiert sind, ausgehende Licht effizienter auszunutzen. Ein bedeutender Vorteil, der mit diesen ausgegebildeten Beleuchtungsanordnungen assoziiert ist, ist die Fähigkeit, das Gesamtseitenverhältnis der Außenbeleuchtungsanordnung im Vergleich zu herkömmlichen Glühlampenbeleuchtungstechnologien zu reduzieren oder ansonsten die Verpackung der Anordnung zu optimieren.
Es versteht sich, dass Variationen und Modifikationen an der oben genannten Struktur ausgeführt werden können, darunter unter anderem an Kollimationsoberflächen oder -oberflächen und assoziierten Algorithmen, ohne von den Konzepten der vorliegenden Erfindung abzuweichen, und es versteht sich ferner, dass derartige Konzepte von den folgenden Ansprüchen abgedeckt werden sein sollen, sofern diese Ansprüche durch ihre Sprache ausdrücklich nichts anderes angeben.

Claims

Beleuchtungsanordnung, umfassend: eine LED-Quelle, die einen Lichtkegel erzeugt; und eine transparente Nahfeldlinse mit einer vorderen Oberfläche, einer Kollimationsoberfläche und einer asphärischen Furche, wobei die Kollimationsoberfläche den Lichtkegel zu einem Strahl kollimiert, der von der vorderen Oberfläche in Richtung der asphärischen Furche reflektiert wird, und die asphärische Furche den Strahl von der Linse als Ausgangskegel von einem virtuellen Brennpunkt weg lenkt.
Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Nahfeldlinse in Nähe zur LED-Quelle derart konfiguriert ist, dass die Kollimationsoberfläche einen wesentlichen Anteil des Lichtkegels zu einem Strahl kollimiert, der an der vorderen Oberfläche in Richtung der asphärischen Furche reflektiert wird.
Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die asphärische Furche einen kontinuierlich variierenden Krümmungsradius besitzt.
Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die asphärische Furche dazu konfiguriert ist, den Strahl von der Linse als Ausgangskegel von dem virtuellen Brennpunkt in einer im Wesentlichen nach hinten gerichteten kollektiven Richtung relativ zum virtuellen Brennpunkt weg zu lenken.
Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die asphärische Furche konfiguriert ist, den Strahl von der Linse als Ausgangskegel von dem virtuellen Brennpunkt in einer im Wesentlichen nach vorne gerichteten kollektiven Richtung relativ zum virtuellen Brennpunkt weg zu lenken.
Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die asphärische Furche konfiguriert ist, den Strahl von der Linse als Ausgangskegel von dem virtuellen Brennpunkt in einer kollektiven Richtung, die im Wesentlichen in der nach vorne gerichteten und der nach hinten gerichteten Richtung gleichförmig verteilt ist, relativ zum virtuellen Brennpunkt weg zu lenken.
Beleuchtungsanordnung, umfassend: eine LED-Quelle, die einen Lichtkegel erzeugt; und eine transparente Nahfeldlinse mit einer vorderen Oberfläche, einer Kollimationsoberfläche und einer asphärischen Furche, wobei die Kollimationsoberfläche den Lichtkegel zu einem Strahl kollimiert, der von der vorderen Oberfläche in Richtung der asphärischen Furche reflektiert wird, und die asphärische Furche den Strahl von der Linse als Ausgangskegel von einem positiven virtuellen Fokusring weg lenkt.
Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 7, wobei die Nahfeldlinse in Nähe zur LED-Quelle derart konfiguriert ist, dass die Kollimationsoberfläche einen wesentlichen Anteil des Lichtkegels zu einem Strahl kollimiert, der an der vorderen Oberfläche in Richtung der asphärischen Furche reflektiert wird.
Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 7, wobei die asphärische Furche einen kontinuierlich variierenden Krümmungsradius besitzt.
Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 7, wobei die asphärische Furche dazu konfiguriert ist, den Strahl von der Linse als Ausgangskegel von dem positiven virtuellen Fokusring in einer kollektiven Richtung, die im Wesentlichen gleichförmig in der nach vorne gerichteten und nach hinten gerichteten Richtung verteilt ist, relativ zum positiven virtuellen Fokusring weg zu lenken.
Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 7, wobei die asphärische Furche konfiguriert ist, den Strahl von der Linse als Ausgangskegel von dem positiven virtuellen Fokusring in einer im Wesentlichen nach hinten gerichteten kollektiven Richtung relativ zum positiven virtuellen Fokusring weg zu lenken.
Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 7, wobei die asphärische Furche konfiguriert ist, den Strahl von der Linse als Ausgangskegel von dem positiven virtuellen Fokusring in einer im Wesentlichen nach vorne gerichteten kollektiven Richtung relativ zum virtuellen Brennpunkt weg zu lenken.
Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 7, ferner umfassend: einen unparabolischen Reflektor, der zur Reflexion des Ausgangskegels in einem Fahrzeugaußenbeleuchtungsmuster ausgelegt ist.
Beleuchtungsanordnung, umfassend: eine LED-Quelle, die einen Lichtkegel erzeugt; und eine transparente Nahfeldlinse mit einer vorderen Oberfläche, einer Kollimationsoberfläche und einer asphärischen Furche, wobei die Kollimationsoberfläche den Lichtkegel zu einem Strahl kollimiert, der von der vorderen Oberfläche in Richtung der asphärischen Furche reflektiert wird, und die asphärische Furche den Strahl von der Linse als Ausgangskegel von einem negativen virtuellen Fokusring weg lenkt.
Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 14, wobei die Nahfeldlinse in Nähe zur LED-Quelle derart konfiguriert ist, dass die Kollimationsoberfläche einen wesentlichen Anteil des Lichtkegels zu einem Strahl kollimiert, der an der vorderen Oberfläche in Richtung der asphärischen Furche reflektiert wird.
Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 14, wobei die asphärische Furche einen kontinuierlich variierenden Krümmungsradius besitzt.
Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 14, wobei die asphärische Furche dazu konfiguriert ist, den Strahl von der Linse als Ausgangskegel von dem negativen virtuellen Fokusring in einer kollektiven Richtung, die im Wesentlichen gleichförmig in der nach vorne gerichteten und nach hinten gerichteten Richtung verteilt ist, relativ zum negativen virtuellen Fokusring weg zu lenken.
Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 14, wobei die asphärische Furche konfiguriert ist, den Strahl von der Linse als Ausgangskegel von dem positiven virtuellen Fokusring in einer im Wesentlichen nach hinten gerichteten kollektiven Richtung relativ zum negativen virtuellen Fokusring weg zu lenken.
Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 14, wobei die asphärische Furche konfiguriert ist, den Strahl von der Linse als Ausgangskegel von dem positiven virtuellen Fokusring in einer im Wesentlichen nach vorne gerichteten kollektiven Richtung relativ zum negativen virtuellen Fokusring weg zu lenken.
Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 14, ferner umfassend: einen unparabolischen Reflektor, der zur Reflexion des Ausgangskegels in einem Fahrzeugaußenbeleuchtungsmuster ausgelegt ist.