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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeugleuchte nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine solche Kraftfahrzeugleuchte ist per se bekannt und weist eine Licht abstrahlende Lichtquelle und einen Reflektor auf, der mit von der Lichtquelle abgestrahltem Licht beleuchtet wird und der gewölbte Reflexionsflächen aufweisende Facetten aufweist. Die gewölbten Reflexionsflächen weisen erste Punkte auf, an denen die Normale der jeweiligen Reflexionsfläche mit einer Winkelhalbierenden eines Winkels identisch ist, der von einem von der Lichtquelle her auf diesen Punkt einfallenden Lichtstrahl und einer Hauptabstrahlrichtung des Reflektors gebildet wird.
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Unter einer Kraftfahrzeugleuchte wird hier eine Beleuchtungsvorrichtung verstanden, die dazu dient, anderen Verkehrsteilnehmern die Präsenz und/oder das momentane oder beabsichtigte Verhalten des Kraftfahrzeugs zu signalisieren. Beispiele von Kraftfahrzeugleuchten sind Tagfahrlichtleuchten, Schlussleuchten, Bremsleuchten und Blinkleuchten.
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Reflektoren von Kraftfahrzeugleuchten sind in der Regel nach folgendem Prinzip aufgebaut: Eine Trägerfläche, die durch eine unter Design-Aspekten vorgegebene Randkontur begrenzt wird, umfasst einen im vorhandenen Bauraum möglichst großen Raumwinkel um ein Leuchtmittel, wodurch ein möglichst großer Anteil der vom Leuchtmittel abgegebenen Strahlen auf die Trägerfläche fällt. Letzteres dient der Erzielung einer möglichst großen Effizienz, unter der hier der Anteil am von der Lichtquelle abgegebenen Licht verstanden wird, der letztlich zu der erwünschten, regelkonformen Signallichtverteilung beiträgt. Unter der Trägerfläche wird dabei eine Fläche verstanden, die sich gedanklich als Einhüllende einer Facetten aufweisenden realen Reflektorfläche ergibt.
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Die dabei verwendeten und bekannten Facetten sind in einer Vielzahl auf der Trägerfläche angeordnet und dienen zwei Zielen:
Ein erstes Ziel besteht darin, eine den gesetzlichen Vorgaben entsprechende Lichtverteilung, beziehungsweise Lichtstärkeverteilung zu erzeugen oder, falls weitere optische Elemente wie Streuscheiben daran beteiligt sind, zumindest dazu beizutragen. Die größte Lichtstärke soll dabei bei Bugleuchten in der (H = 0°/V = 0°)-Richtung, bei Heckleuchten entsprechend in der dazu entgegengesetzten Richtung erzeugt werden. Die Winkelangaben beziehen sich dabei auf Abweichungen von einer Hauptabstrahlrichtung, die bei bestimmungsgemäß in ein Kraftfahrzeug eingebauter Leuchte parallel zu der Fahrzeuglängsachse liegt. Eine typische horizontale Breite H beträgt +/–20°; eine typische vertikale Höhe V beträgt +/–10°, jeweils bezogen auf die (H = 0°/V = 0°) Richtung.
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Ein zweites Ziel besteht darin, dass ein Betrachter, der aus einer Richtung, die innerhalb eines definierten Winkelbereichs liegt, auf die Leuchte blickt, auf jeder Facette einen leuchtenden Bereich sehen soll, so dass er dem Eindruck gewinnt, dass die gesamte Reflektorfläche strahlt.
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Die Anordnung der Facetten auf der Trägerfläche erfolgt beim Stand der Technik häufig in einem Rechteckraster oder, bei runden Leuchten, in einem ringförmigen Raster. Bei anderen Formen von Leuchten werden auch Raster verwendet, die der äußeren Form der die Trägerfläche begrenzenden Konturen folgend verlaufen.
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Dabei treten, wie weiter unten unter Bezug auf die Figuren noch näher erläutert wird, Effizienzverluste an den Facettengrenzen und/oder Einschränkungen in der Gestaltungsfreiheit der Leuchtdichteverteilung im Erscheinungsbild der leuchtenden Kraftfahrzeugleuchte auf. Die Leuchtdichteverteilung bestimmt das Erscheinungsbild der Leuchte und ist damit etwas anderes als die Lichtstärkeverteilung, die zum Beispiel als Helligkeitsverteilung auf einem von der Leuchte beleuchteten Schirm in Erscheinung tritt.
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Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Kraftfahrzeugleuchte anzugeben, mit der diese Effizienzverluste vermieden werden und die dabei eine große Gestaltungsfreiheit hinsichtlich der Gestaltung von Leuchtstärkeverteilungen bietet.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Von dem eingangs genannten Stand der Technik unterscheidet sich die vorliegende Erfindung dadurch, dass die ersten Punkte jeder Facette eine zusammenhängende Linie ergeben.
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Durch das Aufbringen linienförmiger Facetten, die sich entlang linienförmiger Kurven tangential an eine (annähernd) parallelisierende Trägerfläche anschmiegen, wird eine linienförmige Leuchterscheinung erzeugt.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass sich bei bestimmungsgemäßer Verwendung sowohl horizontal als auch vertikal verlaufende Richtungskomponenten der Linien ergeben.
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Bevorzugt ist auch, dass sämtliche solche Linien des Reflektors zusammen bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung ein Raster vertikaler und horizontaler Linien ergeben.
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Weiter ist bevorzugt, dass der Reflektor, wenn man die Facetten gedanklich weglässt, eine Form besitzt, die einen Brennpunkt aufweist und dass die Lichtquelle in dem Brennpunkt angeordnet ist.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Form ein Teil eines Rotationsparaboloids ist.
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Bevorzugt ist auch, dass senkrecht zu den Linien verlaufende Querschnitte einer Facettenfläche einen zentralen Kreisabschnitt und zwei weitere Kreisabschnitte aufweisen, die sich an den zentralen Kreisabschnitt anschließen.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass sich die zwei weiteren Kreisabschnitte so anschließen, dass ihre Tangenten am Beginn der seitlichen Kreisabschnitte parallel zur Tangente an einem Berührpunkt sind, an dem der mittlere Kreisabschnitt eine als Reflektorfläche ohne Facettierung definierte Trägerfläche berührt.
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Weiter ist bevorzugt, dass die weiteren Kreisabschnitte einen im Vergleich zum Radius des zentralen Kreisabschnittes größeren Radius aufweisen.
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Bevorzugt ist auch, dass sich an die dem zentralen Kreisabschnitt abgewandten Enden der weiteren Kreisabschnitte gerade Stücke anschließen.
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Weiter ist bevorzugt, dass die Mitte des zentralen Kreisabschnitts der Facetten am Berührpunkt zu einer als Reflektorfläche ohne Facettierung definierten Trägerfläche bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung senkrecht auf einer Winkelhalbierenden zwischen einem von der Lichtquelle her einfallenden Strahl und der 0°/0°-Richtung steht.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die seitlichen Kreisabschnitte so angeordnet sind, dass die Mittelpunkte ihrer zugehörigen Kreise auf Linien liegen, die parallel zu der genannten Winkelhalbierenden sind.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren jeweils gleiche oder zumindest ihrer Funktion nach vergleichbare Elemente. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
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1 eine Trägerfläche eines parabolischen Reflektors mit zwei konvexen Facetten nach dem Stand der Technik;
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2 einen Schnitt durch verschiedene Trägerflächen, die sich in ihrer Krümmung unterscheiden;
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3 einen unerwünschten Effekt, der insbesondere bei Facetten auf einer konvexen Trägerfläche auftritt;
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4 verschiedene Ansichten eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Reflektors;
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5 Facettenflächen einer Ausgestaltung des Reflektors nach 4;
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6a einen Schnitt durch die Facettenfläche der 5;
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6b einen parallel zu dem in der 6a gezeigten Schnitt verlaufenden Schnitt durch den Gegenstand der 5;
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7 eine Leuchtdichteverteilung des Reflektors aus der 5 aus zwei verschieden Blickrichtungen;
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8 unterschiedliche Anordnungen von Lichtquellen und daraus resultierende unterschiedliche Lichtstärkeverteilungen und unterschiedliche Leuchtstärkeverteilungen;
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9 unterschiedliche Ausrichtungen von flächigen Lichtquellen und daraus resultierende unterschiedliche Lichtstärkeverteilungen;
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10 Ausführungsbeispiele mit und ohne zwischen Lichtquelle und Reflektor angeordneter Strahlformungsoptik;
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11 eine Ausgestaltung mit einer dünnen Linse als Strahlformungsoptik;
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12 ein Facettenmuster eines erfindungsgemäßen Reflektors bei einer Betrachtung aus einer Position, die in der Hauptabstrahlrichtung des Reflektors im Lichtweg des vom Reflektor abgestrahlten Lichtes liegt;
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13 ein ebenes Facettenmuster, das durch Projektion auf die Trägerfläche dort die Grenzen zwischen den Facetten definiert;
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14 eine Vorderansicht und eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Reflektors;
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15 die sehr homogene Leuchtdichteverteilung des Reflektors aus der 15 für zwei verschiedene Betrachtungsrichtungen;
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16 eine von diesem Reflektor abgestrahlte Lichtstärkeverteilung; und
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17 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte.
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1 zeigt ein Problem, das immer entsteht, wenn in ein vorgegebenes Raster Facetten, die eine exakt definierte optische Aufgabe erfüllen sollen, eingefügt werden müssen. Auf einer Trägerfläche 10 eines Reflektors 12, die hier ohne Einschränkung der Allgemeinheit eine paraboloide Fläche ist, sind einige Rasterkurven 14, 16 eingezeichnet, die hier zwei, ohne Einschränkung der Allgemeinheit, quadratische Plätze·für zwei Facetten 18, 20 definieren. Die Facetten 18, 20 bestehen hier, ebenfalls ohne Einschränkung der Allgemeinheit, aus Kugelflächen, die konvex über die Trägerfläche 10 hinausragen. Bei konkaven Flächen ergibt sich derselbe Sachverhalt. Diese Kugelflächen berühren die Trägerfläche 10 lediglich an wenigen Punkten 17 auf den Rasterkurven 14, 16. Dort, wo sich einander benachbarte Facetten 18, 20 gegenseitig begrenzen, sind die Schnittkurven (Kanten) benachbarter Facetten 18, 20 nicht miteinander identisch. Der Abstand der Facettenflächen von der Trägerfläche ändert sich dort sprungartig. Die sprungartigen Abstände können mit Füllflächen abgedeckt werden, die zu den Ebenen, mit denen die Rasterkurven 14, 16 erzeugt wurden, parallel verlaufen. Eine solche Anordnung ist jedoch nicht für eine für große Stückzahlen bevorzugte Herstellung durch Spritzguss geeignet, weil eine Entformung nicht möglich ist.
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Es sind Verfahren bekannt, mit denen dieses Problem umgangen werden kann. Die begrenzenden Füllflächen können schräg ausgeführt werden, oder es wird von jeder Facette 18, 20 ein umlaufender Rand zum Erzeugen einer glatten Verbindungsfläche zwischen jeweils benachbarten Facetten geopfert. Bekannt ist es auch, von jeder Facette einen umlaufenden Rand zum Erzeugen einer Fläche zu opfern, die den neu entstandenen Rand mit den Rasterkurven verbindet. Allen diesen bekannten Verfahren ist der Nachteil gemeinsam, das optisch wirksame Facettenfläche und somit Effizienz verlorengeht.
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2 zeigt Schnitte durch vier Trägerflächen 10.1, 10.2, 10.3, 10.4 und vier Lichtstrahlen 22.1, 22.2, 22.3, 22.4, die von einer gemeinsamen Lichtquelle 24 ausgehend jeweils auf den Randpunkt der Trägerflächen treffen. Die unterste Trägerfläche 10.1 ist eine Parabel, in deren Brennpunkt die Lichtquelle 24 angeordnet ist und die somit zur Parabelachse 26 paralleles Licht erzeugt. Der eingezeichnete Winkel a dient als Maß für den von den Trägerflächen 10.1, 10.2, 10.3, 10.4 eingefangenen Lichtstrom. Die 2 zeigt somit, dass (bei konstanter Reflektorbreite) erheblich weniger Licht auf die Trägerfläche trifft, wenn sie von der konkaven Parabel 10.1 hin zu einer konvexen Fläche 10.4 verändert wird.
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3 zeigt einen weiteren unerwünschten Effekt der konvexen Trägerfläche 10.4: Während die Facette 28 auf dem konkaven Parabelschnitt 10.1 nur geringfügig von der Parabelform abweicht, müsste die Facette 30 auf der konvexen Trägerfläche 10.4 die eingezeichnete Stellung einnehmen, was wiederum zum oben beschriebenen Nachbarschaftsproblem zwischen den Facetten führt. Derselbe unerwünschte Effekt ergibt sich, wenn man in den 2 und 3 in die andere Richtung von der Parabelform abweicht. Daraus ergibt sich insgesamt, dass es vorteilhaft ist, wenn die noch nicht mit Facetten versehene Trägerfläche möglichst paralleles Licht liefert. Die Linien 27 repräsentieren Lichtstrahlen.
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Die in den 2 und 3 beschriebenen Probleme können vermindert werden, wenn im Lichtweg zwischen dem Leuchtmittel und dem Reflektor eine Vorsatzoptik angebracht wird, die den Öffnungswinkel des Lichtbündels verringert. Dies ermöglicht es, überhaupt mehr Licht mit einem Reflektor gegebener Breite einzufangen. Der Winkel a aus 2 verringert sich bei Veränderung der Trägerfläche weniger stark und die Abweichung der Facettenfläche von der Trägerfläche, wie sie in der 3 dargestellt ist, fällt bei engerem ankommendem Bündel kleiner aus.
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Trotzdem gilt auch hier, dass diejenige Trägerfläche optimal ist, die das von der Vorsatzoptik abgegebene Bündel parallelisiert.
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Die Trägerflächen müssen keinerlei Symmetrieeigenschaften aufweisen. Die Randkontur der Trägerfläche ist ebenso wie die des Reflektors, der letztlich durch Facettierung der Trägerfläche entsteht, unerheblich und kann beispielsweise durch Design- oder Bauraumvorgaben bestimmt werden. Die Trägerfläche ist beim eigentlichen Reflektor nicht mehr vorhanden, sondern sie dient lediglich als Konstruktionshilfe.
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4 zeigt eine Vorderansicht a), eine Seitenansicht b) und eine Schrägansicht c) eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Reflektors 32.
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Die Trägerfläche des Reflektors 32 sei ein Paroboloid. Alle denkbaren Querschnitte der Trägerfläche, die in der 4a) senkrecht zur Zeichnungsebene sind, sollen parabelförmig sein. Die Lichtquelle soll sich im Brennpunkt des Paraboloiden befinden. Die Trägerfläche würde nach einem Verspiegeln daher parallel zu Paraboloidachsen abstrahlen.
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Vier Rechtecke sind auf den Paraboloiden entlang dessen Achse 36 projiziert und entlang dieser Projektionskurven sind Facettenflächen tangential an den Paraboloiden angefügt. Die Kurven 34.1, 34.2, 34.3, 34,4 sind die Grenzkurven der in den Paraboloiden projizierten Rechtecke.
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5 zeigt die zwischen den Grenzkurven 34.2 und 34.3 liegende Facettenfläche für eines der projizierten Rechtecke. In mittlerer Höhe ist ein Schnitt VI-VI durch dieses Element hervorgehoben. Die in dieser Schnittebene liegende gepunktete Linie zeigt den parabolischen Verlauf der Trägerfläche 40 an, und die in dieser Schnittebene liegende durchgezogene Linie 42 zeigt den Verlauf der realen Reflexionsfläche, also der Facette, in dieser Schnittebene an.
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Zwischen den gestrichelten Kurven 34.2, 34.3 auf der Facettenfläche besteht die Facettenfläche in Schnitten senkrecht zur Rechteckkurve aus Kreisbogenabschnitten.
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6a zeigt eine Draufsicht auf die Schnittfläche VI-VI mit solchen Kreisbogenabschnitten 42.1. An diese Kreisbogenabschnitte sind tangential Geraden 42.2, 42.3 angefügt. In der Mitte zwischen den gestrichelten Kurven 34.2, 34.3 in 5 berührt die Facettenfläche die Trägerfläche tangential in einem Berührpunkt 59 in 6, so dass die beiden Flächen dort eine gemeinsame Flächennormale 44 besitzen. Die Punkte jeder Facette, die diese Bedingung erfüllen, ergeben zusammen eine zusammenhängende Linie. 6a zeigt insbesondere die gemeinsame Normale 44 der Facette 42 und der Trägerfläche 40. Die Krümmung der Facette 42 ist dabei stark überhöht dargestellt. 6a zeigt insbesondere gewölbte Reflexionsflächen aufweisende Facetten 42. Die Reflexionsflächen, die hier die der Trägerfläche 40 zugewandten Seiten der Facetten 42 sind, weisen erste Punkte 59 auf, an denen die Normale 44 der jeweiligen Reflexionsfläche mit einer Winkelhalbierenden (Bezugszeichen 64 in 11) eines Winkels identisch ist, der von einem von der Lichtquelle (24) her auf diesen Punkt einfallenden Lichtstrahl und einer Hauptabstrahlrichtung (0°/0°) des Reflektors 32 gebildet wird. Siehe dazu auch 11.
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Die sich an den Kreisausschnitt 42.1 der Facette 42 anschließenden geraden Bereiche 42.2, 42.3 garantieren, dass sich die ineinander angeordneten Facetten schneiden, ohne dabei jedoch zu große Reflexionswinkel zu erzeugen, wie dies der Fall wäre, wenn der zentrale Kreisbereich 42.1 fortgeführt würde. Die gemeinsame Flächennormale 44 ist auch ein Radius r des Kreisausschnitts. Die Punkte jeder Facette, die diese Bedingung erfüllen, ergeben zusammen eine zusammenhängende Linie. Eine solche Linie erstreckt sich bei der 6a senkrecht zur Zeichnungsebene. Sämtliche solche Linien des Reflektors 32 zusammen ergeben in einem Ausführungsbeispiel ein Raster, wie es als Beispiel in der 12 dargestellt ist. Die Linien können dabei einen vom Verlauf nach 12 abweichenden Verlauf aufweisen. Bevorzugt ist, dass sich bei bestimmungsgemäßer Verwendung sowohl horizontal als auch vertikal verlaufende Richtungskomponenten der Linien ergeben, damit die für regelkonforme Lichtverteilungen erforderliche Streuung sowohl in vertikaler Richtung als auch in horizontaler Richtung erfolgt.
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6b zeigt oben einen horizontalen Schnitt VI-VI durch die Mitte des Reflektors 32 aus 4, darunter einen vergrößerten Ausschnitt z. Der Ort der Lichtquelle 24 ist durch einen Kreis gekennzeichnet. Die Krümmung des Kreisausschnitts 42.1 ist erheblich geringer als in 6a.
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7 zeigt links die Leuchtstärkeverteilung einer Leuchte mit einem Reflektor gemäß 4 bei zur Hauptabstrahlrichtung (0°/0°) des Reflektors entgegengesetzter Blickrichtung des Betrachters und rechts bei einer Blickrichtung, die mit der Hauptabstrahlrichtung einen Winkel von 15° einschließt. Die Form der sichtbaren hellen Bereiche 41 hängt vom Betrachtungswinkel ab.
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8 zeigt den Einfluss der Größe der leuchtenden Fläche der Lichtquelle 24 und der Position (obere Reihe) der Lichtquelle 24 auf die Lichtstärkeverteilung (mittlere Reihe) und die Leuchtstärkeverteilung (untere Reihe). Der Kreuzungspunkt in der oberen Reihe ist jeweils der Brennpunkt des Reflektors. Der Reflektor entspricht dabei dem in den 4 bis 6 dargestellten Beispielen. Der eine Punktlichtquelle repräsentierende Kreis, bzw. die reale und damit nicht punktförmige Lichtquellen repräsentierenden Quadrate geben jeweils die Position der Lichtquelle 24 in Bezug auf den Brennpunkt des Reflektors an. Eine in der Realität nicht existierende Punktlichtquelle erzeugt sowohl bei Lage im Fokus als auch bei defokussierter Position eine aus einem sehr schlanken Kreuz (schmale Balken) bestehende Lichtstärkeverteilung. Bei Betrachtung der Leuchte aus der 0°/0° Richtung erscheinen die linienförmigen Facetten des Reflektors als Rechtecke bildende schmale Lichtbänder 46, 48, 50, 52.
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Bei defokussierter Lage der Lichtquelle (zweite Spalte von links) fallen Teile dieser Rechtecke weg. Auf die nichtleuchtenden Bereiche fallen keine Strahlen, die durch die Facette in 0°0°-Richtung gelenkt werden können. Bei Verwendung einer Leuchtdiode mit (Chipgröße 1 mm2) im Brennpunkt des Reflektors (dritte Spalte in 8) weist das Kreuz in der Lichtstärkeverteilung eine endliche (größere) Breite auf, das heißt, es besteht aus breiteren Balken als bei der Punktlichtquelle. Die Defokussierung der als Lichtquelle 24 dienenden Leuchtdiode (vierte Spalte in 8) führt zu einer Verschiebung der Lichtstärkeverteilung.
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Die Leuchtdichteverteilungen ähneln stark den Verteilungen bei der Punktlichtquelle, wobei der leuchtende Bereich im defokussierten Fall etwas kleiner ist (untere Zeile in 8, zweite und vierte Spalte). In der ganz rechten Spalte der 8 wird gezeigt, wie man aus drei LEDs mit 1 mm2-Chip eine vergleichsweise große Lichtquelle 24 zusammensetzen kann. Die Lichtstärkeverteilung erfüllt dann die gesetzlichen Vorgaben, was bei den vier links von der ganz rechten Spalte liegenden Lichtstärkeverteilungen nicht der Fall ist.
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In 9 wurde eine relativ zur Brennweite der paraboloiden Trägerfläche großflächige Lichtquelle in zwei Stellungen verwendet: links liegen zwei Chipgrenzen parallel zur Paraboloidachse 43, rechts liegt eine Chipdiagonale parallel zur Paraboloidachse 43. Die jeweils darüber dargestellten Lichtstärkeverteilungen unterscheiden sich deutlich: Jeder Reflektorpunkt bildet das achsparallel angeordnete Leuchtmittel achsparallel ab und das um 45° gedrehte Leuchtmittel wird um 45° gedreht abgebildet. Die Summe aller Abbildungen aller Reflektorpunkte ergibt im Fall der zur Paraboloidachse ausgerichteten Diagonale der Lichtquelle 24 (oben rechts) eine stärkere Lichtkonzentration auf den Achsen H, V des Messschirms als Fall der zur Paraboloidachse ausgerichteten Chipgrenzen der Lichtquelle 24 (oben links). Die geschlossenen Kurven sind jeweils Linien, längs derer die Lichtstärke konstant ist. Die Lichtstärke nimmt von innen nach außen ab.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel weist eine Lichtquelle mit einer Vorsatzoptik auf. Die Aufgabe einer Vorsatzoptik besteht darin, das von einer Lichtquelle 24, die zum Beispiel eine Leuchtdiode ist, in einen Halbraum abgegebene Licht in einen engeren Winkelbereich zu bündeln. 10 zeigt beispielhaft Anordnungen von Lichtquellen 24 und Reflektoren für eine Ausgestaltung mit einem Reflektor 33 als Vorsatzoptik (10, links) sowie für zwei Ausgestaltungen mit lichtleitenden und/oder lichtbrechenden Vorsatzoptiken.
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Die ganze linke Ausgestaltung ist nicht sehr vorteilhaft, da nur ein Bruchteil des von der Lichtquelle 24 abgegebenen Lichtstroms vom Vorsatzoptikreflektor 33 erfasst wird und dieser Bruchteil vom Vorsatzoptikreflektor 33 nur mit einem gewissen Reflexionsgrad reflektiert wird. Die Effizienz ist daher suboptimal. Bei der in 10 mittig dargestellten Ausgestaltung wird eine Vorsatzoptik in Form eines Lichtleiters 35 verwendet, bei der eine Bündelung des Lichtstroms der Lichtquelle durch Querschnittserweiterung des Lichtleiters eintritt. Diese Ausgestaltung verbessert die Effizienz. Sie erlaubt, da der Lichtleiter 35 eine kleinere Lichtaustrittsfläche als der Vorsatzoptikreflektor 33 aufweist, eine Anpassung an den zur Verfügung stehenden Bauraum. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Lichtaustrittsfläche des Vorsatzoptik-Lichtleiters im Vergleich zur Lichtaustrittsfläche der Lichtquelle 24, die typischerweise eine Leuchtdiode ist, groß ausgeführt und mit großer Gestaltungsfreiheit geformt werden kann. Dies ist von Vorteil, da, wie unter Bezug auf die 9 erläutert worden ist, die Form der Lichtquelle die Form der Lichtstärkeverteilung beeinflusst.
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Bei der in 10 rechts dargestellten Ausgestaltung wird eine dünne Linse 37 als Vorsatzoptik verwendet, die zwischen der Lichtquelle 24 und dem Reflektor 32 angeordnet ist. Die Linse weist 37 bevorzugt eine im Wesentlichen ebene Lichteintrittsfläche auf, die der Lichtquelle 24 zugewandt und so angeordnet ist, dass eine Hauptabstrahlrichtung der Lichtquelle durch das Zentrum der Eintrittsfläche verläuft. Die der Eintrittsfläche gegenüberliegende Austrittsfläche ist konvex gewölbt. Die Wölbung ist derart erzeugt, dass in einer senkrecht zur Eintrittsfläche verlaufenden Mittelschnittebene von der Lichtquelle ausgehende und über die Eintrittsfläche in die Linse eingekoppelte Lichtstrahlen die Linse über eine Schnittkurve zwischen der Mittelschnittebene und der Austrittsfläche im Wesentlichen ohne eine Richtungsänderung verlassen.
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Die gewölbte Austrittsfläche ist durch eine Rotation der Schnittkurve um eine Rotationsachse erzeugt, die parallel zu der Mittelschnittebene und senkrecht zu der Eintrittsfläche verläuft. Alternativ weist die Austrittsfläche eine Wölbung auf, die durch Skalieren der auf die zuvor beschriebene Weise erzeugten gewölbten Fläche mit einem Skalierungsfaktor, der größer 0 und kleiner 1 ist, über die gesamte Fläche der Eintrittsfläche erzeugt ist. Diese Ausgestaltung zeichnet sich ebenfalls durch eine hohe Effizienz aus. Der Reflektor kann an jedem Punkt mit annähernd demselben Lichtstrom beaufschlagt werden. Vorteilhaft sind auch der geringe Bauraumbedarf und die geringen Kosten, da die Linse ein nur sehr kleines Kunststoffteil ist.
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Welche Art von Vorsatzoptik verwendet und wie die Vorsatzoptik im Einzelfall ausgestaltet ist, hängt von den Gegebenheiten (Bauraum, Temperaturverteilung im Scheinwerfer, Kosten....) des Einzelfalls ab.
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11 zeigt einen Schnitt durch eine Anordnung, bei der als Vorsatzoptik die oben beschriebene dünne Linse 37 gewählt wurde. Möglichst nahe an der Eintrittsfläche der Linse 37, jedoch so weit entfernt, dass die Linse 37 nicht durch Hitze zerstört wird ist hier eine Leuchtdiode als Lichtquelle 24 angeordnet. Die gestrichelte Linie bei der Leuchtdiode entspricht der Hauptabstrahlrichtung der gesamten Anordnung (horizontal = vertikal = 0°). Die gepunktet dargestellte Trägerfläche 40 des Reflektors 32 ist so gestaltet, dass sie, wenn sie als Spiegel ausgebildet wäre, alle von der Linse 37 kommenden Strahlen in die 0°/0°-Richtung lenken würde.
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Weiterhin sind die Querschnitte durch zwei Facettenflächen 42 dargestellt. Diese weisen einen zentralen Kreisabschnitt 54 und zwei weitere Kreisabschnitte 56, 58 auf, die sich an den zentralen Kreisabschnitt 54 anschließen. Der Anschluss erfolgt dabei so, dass die Tangenten der weiteren, seitlichen Kreisabschnitte 56, 58 am Beginn der seitlichen Kreisabschnitte parallel zur Tangente am Berührpunkt des mittleren Kreisabschnitts 54 mit der Trägerfläche 40 sind,
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Die weiteren Kreisabschnitte 56, 58 weisen einen im Vergleich zum Radius r des zentralen Kreisabschnittes 54 größeren Radius R auf. Der zum zentralen Kreisabschnitt 54 zugehörige Flächenbereich streut also stärker als die zu den weiteren Kreisabschnitten 56, 58 gehörenden weiteren Flächenbereiche. Jeweils an die dem zentralen Kreisabschnitt 54 abgewandten Enden der weiteren Kreisabschnitte 56, 58 schließen sich gerade Stücke 60, 62 an, deren Sinn darin besteht, mit den jeweiligen Nachbarfacetten Schnittkurven zu ergeben. Dies könnte auch dadurch erreicht werden, dass man die weiteren Kreisabschnitte 56, 58 nach außen hin erweitert. Dies würde jedoch zu Streuwinkeln führen, die für eine gesetzliche Lichtstärkeverteilung nicht mehr benötigt werden, was die Effizienz unerwünscht verringern würde. Alternativ könnte der Abstand zwischen den Facetten 42 verringert werden, was wiederum eine unerwünschte Veränderung des Erscheinungsbildes des Reflektors ergeben würde.
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Die Orientierung der Schnitte durch die Facetten 42 ist dadurch gegeben, dass die Mitte des zentralen Kreisabschnitts 54 am Berührpunkt zur Trägerfläche 40 senkrecht auf der Winkelhalbierenden 64 zwischen dem Strahl 66, der an dieser Stelle von der Linse 37 kommend auftrifft, und der 0°/0°-Richtung steht. Dieses Vorgehen bewirkt, dass die Mitte des zentralen Kreisabschnitts 54 der Facettenfläche in die Richtung 0°/0° strahlt. Der zentrale Kreisabschnitt ist so angeordnet, dass sein Mittelpunkt auf einer Verlängerung der genannten Winkelhalbierenden liegt.
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Die seitlichen Kreisabschnitte 56, 58 sind so angeordnet, dass die Mittelpunkte ihrer zugehörigen Kreise auf Linien liegen, die parallel zu der genannten Winkelhalbierenden sind. Da die Tangenten am Beginn der seitlichen Kreisabschnitte 56, 58 parallel zur Tangente am Berührpunkt des mittleren Kreisabschnitts mit der Trägerfläche sind, strahlen diese Bereiche der seitlichen Kreisabschnitte (annähernd) in dieselbe Richtung (0°/0°). Alle benachbarten Bereiche dieser drei Stellen strahlen in zur Richtung 0°/0° benachbarte Richtungen.
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12 zeigt das Muster 67, das letztendlich bei Betrachtung des Reflektors entgegen der 0°/0°-Richtung leuchten soll, und das durch den linienhaften Verlauf der Facetten erzeugt wird.
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13 zeigt, dass dies in einer Ebene gestaltet (rechts) und dann in Richtung der 0°/0°-Richtung auf die Trägerfläche (links) projiziert wird. Natürlich kann die Projektion auch in eine andere Richtung erfolgen; man sieht das Muster in diesem Fall aus dieser anderen Richtung unverzerrt leuchten. Dagegen sieht man dann aus der 0°/0°-Richtung ein verzerrtes Bild des Musters. Wenn die beiden Richtungen nicht allzu weit auseinanderfallen, wird die gesetzliche Lichtstärkeverteilung trotzdem erzeugt, falls nicht, können die in 11 sichtbaren Radien der Facetten 42 nachjustiert werden.
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13 zeigt damit insbesondere ein Raster von Linien, von denen jede aus ersten Punkten besteht, an denen die Normale der jeweiligen Reflexionsfläche mit einer Winkelhalbierenden eines Winkels identisch ist, der von einem von der Lichtquelle her auf diesen Punkt einfallenden Lichtstrahl und einer Hauptabstrahlrichtung des Reflektors 32 gebildet wird. Die ersten Punkte jeder Facette ergeben dabei jeweils eine zusammenhängende Linie.
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Die Facettenflächen 42 wurden nach zwei Konstruktionsprinzipien a), b) konstruiert: Schnitte wie in 11 wurden so entlang der auf die Trägerfläche 40 projizierten Rasterkurven 14, 16 derart gezogen, dass a): der Mittelpunkt des zentralen Kreisbereichs immer auf der Rasterkurve lag, und b) der Schnitt selbst immer senkrecht zur Rasterkurve lag.
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Sowohl das Konstruktionsprinzip a) als auch b) sind nicht die einzigen Möglichkeiten, die Flächen aufzubauen: Abweichen von a) führt zu einer anderen Leuchtfigur, und statt des Befolgens des Konstruktionsprinzips b) könnten beispielsweise horizontal und vertikal angeordnete Schnitte über die Rasterkurven 14, 16 gezogen werden. Dies würde ein leicht verändertes Erscheinungsbild und ein anderes Streubild ergeben, was durch Verändern der Kreisradien in 11 korrigiert werden könnte.
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14 zeigt die Vorder- und die Seitenansicht des wie oben beschrieben aufgebauten Reflektors 32. Die Trägerfläche tritt nicht mehr in Erscheinung; sie diente lediglich als Konstruktionshilfe. Eine Offsetfläche 70 der Trägerfläche bildet die glatte Rückseite des Reflektors. In der Vorderansicht erkennt man das in 12 gezeigte Raster wieder. Die Facetten begrenzen sich gegenseitig und die Summe aller Facettengrenzen bilden ein um etwa 45° rotiertes (sehr grob genähert!) Rechteckmuster. Rechts oben ist ein vergrößerter Ausschnitt y dargestellt.
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Die verschiedenen innerhalb eines Rechtecks auftretenden Flächenbereiche 54, 58, 62, 64 entsprechen den in 11 mit gleichen Bezugszeichen dargestellten Merkmalen Die Form des Flächenbereichs 54 wird also durch Ziehen des zentralen Kreisabschnitts 54 entlang den Kurven aus 12 erzeugt. Analog werden die Formen der Flächenbereich 56, 58 und die Flächenbereiche 62, 64 durch Ziehen des zentralen Kreisabschnitts 54 entlang den Kurven aus 12 erzeugt.
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15 zeigt die sehr homogene Leuchtdichteverteilung über dem Reflektor 32. Dabei stellt die linke Seite die Leuchtdichteverteilung für eine entgegen der 0°/0°-Richtung erfolgende Betrachtung dar. Die rechte Seite stellt die Leuchtdichteverteilung für eine entgegen der Richtung horizontal 15°, vertikal 5° erfolgende Betrachtung dar. Das Erscheinungsbild ist neu und ungewöhnlich.
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16 zeigt die vom Reflektor abgestrahlte Lichtstärkeverteilung. Die Kurven sind auch jeweils Linien, längs derer die Lichtstärke konstant ist. Die Lichtstärke nimmt von innen nach außen ab. Sie nähert sich sehr gut an die gesetzlich vorgegebene Lichtverteilung an.
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17 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung 76. Die Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung weist ein Gehäuse 78 auf, dessen Lichtaustrittsöffnung durch eine transparente Abdeckscheibe 80 abgedeckt wird. Im Inneren befindet sich ein Lichtmodul 82, dass insbesondere einen der in dieser Anmeldung erläuterten Reflektoren 32 sowie eine zugehörige Lichtquelle 24 und gegebenenfalls noch eine zugehörige Vorsatzoptik aufweist. Die Kombination aus Lichtquelle, ggf. Vorsatzoptik und Reflektor ist dabei so angeordnet, dass die Hauptabstrahlrichtung des Reflektors der 0°/0°-Richtung entspricht.
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Die Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung kann zusätzlich weitere Lichtmodule, sei es ein weiteres Signalleuchtenmodul oder ein Scheinwerferlichtmodul aufweisen.
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Bei den bis hier beschriebenen Ausgestaltungen wurden alle Flächen mit denselben flächenerzeugenden Kurven generiert. Es sind sehr viele weitere Ausführungen vorstellbar, die über demselben Raster 12 unterschiedliche Leuchtdichte- und Lichtstärkeverteilungen erzeugen. Die kann dadurch erfolgen, dass über verschiedene Rasterkurven verschieden Schnitte gezogen werden oder dass entlang einer Rasterkurve ein ortsabhängiger Schnitt gezogen wird. Statt der bisher ausschließlich zur Schnittdefinition benutzten Kreise und Geraden können Ellipsen, Hyperbeln, Sinuskurven, irgendwelche namenlosen Kurven oder Freiformkurven (Beispiel Splines, Bezier-Splines) verwendet werden.
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Eine große Vielfalt an Erscheinungsformen erhält man auch, weil die Rastermuster sehr variabel gestaltet werden können. Als einzige Einschränkung ist die Forderung zu sehen, dass die das Raster definierenden Kurven sowohl horizontale als auch vertikale Bereiche umfassen müsse, da genau diese Bereich zu vertikaler und horizontaler Streuung führen, was wiederum zur Erzeugung einer gesetzlich gegebenen Lichtstärkeverteilung benötigt wird.
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Alle gängigen Leuchtmittel können verwendet werden, besonders geeignet sind ein oder mehrere LEDs, ein oder mehrere LED-Arrays, Chip(s) on Board oder (für Funktionen geringer geforderter Lichtstärken (Schlusslicht)) Oleds. Falls mehrere Leuchtmittel verwendet werden, können diese unterschiedliche Lichtfarben abstrahlen und somit die Möglichkeit eröffnen, mittels eines Reflektors mehrere Leuchtenfunktionen zu erzeugen.
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Anstatt den gesamten Reflektor hochglänzend zu verspiegeln können bestimmte Bereiche des Reflektors (bevorzugt solche, die nicht zur Erzeugung der gesetzlich vorgegebenen Lichtstärkeverteilung beitragen; Beispiel die Bereiche "c" in 14) mattiert ausgeführt werden. Bei hinreichend grober Mattierung sind diese Bereiche aus einem sehr großen Winkelbereich leuchtend sichtbar.
