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Scheinwerfer
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Scheinwerfer, wie er für allgemeine
Beleuchtungszwecke und auch für Kraftfahrzeuge üblich ist und der aus einer Lampe,
einem hinter diesen angeordneten Reflektor und einer vor der Lampe und dem Reflektor
angeordneten Rasteranordnung besteht.
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Lichtquellen, insbesondere solche mit hoher Lichtausbeute besitzen
auch bei Betrachtung ihrer Lichtaustrittsöffnung aus einem Winkel außerhalb desjenigen
Bereiches, welcher eine gebündelte und gerichtete Lichtstrahlung aufweisen soll,
eine Blendwirkung für den Betrachter. Dies rührt teilweise von dem optischen System
als solchem her, da die verwendeten Lampen keine genaue punktförmige Lichtquelle
darstellen.
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Außerdem tritt an den Abdeckscheiben solcher Scheinwerfer eine Lichtstreuung
auf, die ihre Ursache in der Profilierung solcher Abdeckscheiben besitzt,
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die dazu vorgesehen sind, den Strahlengang des Lichtes beim Austritt aus dem Scheinwerfer
zu korrigieren.
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Um das Austreten von gestreutem Licht und von ungenau gerichtetem
Licht aus einem Scheinwerfer zu verhindern, sind verhältnismäßig lange rohrförmige,
innen geschwärzte Blenden welche -verwendet worden,ydie von der gewünschten Austrittsrichtung
abweichende Lichtstrahlung ausblenden. Eine Sonderform einer solchen Blende besteht
in einem vor einem Scheinwerfer angeordneten Raster aus vielen sich kreuzenden Lamellen.
Essind »s solche Anordnungen bekannt geworden, bei denen die Oberfläche der Lamellen
geschwärzt oder auch metallisch verspiegelt sind. Beide Maßnahmen sollen eine Abstrahlung
von gestreutem bzw. ungenau gerichteten Licht verhindern bzw. korrigieren.
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Diese bekannten Anordnungen arbeiten jedoch noch nicht optimal. Dazu
kommt, daß derartige Blenden oder Hasteranordnungen an Scheinwerfern von Kraftfahrzeugen
nicht zulassigsind, wenn sie nach vorn gerichtete scharfe Kanten aufweisen oder
eine bestimmte Länge überschreiten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Scheinwerfer der eingangs
genannten Art so auszugestalten, daß nur in einem Bündel mit geringen Üffnungswinkel
gerichtete Lichtstrahlungaus einem Scheinwerfer austritt und dabei gleichwohl eine
hohe Lichtausbeute erzielt werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabenstellung sieht die Erfindung bei einem Scheinwerfer
der eingangs genannten Art vor, daß die Rasteranordnung aus Lichtleitelementen besteht,
die achsparallel un dichtgepackt angeordnet sind.
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Die Verwendung solcher Lichtleitelemente ermöglicht es, die der optischen
Geometrie des Systems entsprechenden Lichtstrahlen genau parallel zueinander austreten
zu lassen und nur wenig von den Idealbedingungen abweichende Lichtstrahlen durch
Ausnutzung der Totalreflexion innerhalb der Lichtleitelemente noch voll auszunutzen.
Auf der Eintrittsseite des Lichtes in diese erfindungsgemäße Rasteranordnung aus
Lichtleitelementen wird somit unter der vorhandenen gesamten Lichtstrahlung innerhalb
des Scheinwerfers bereits eine Auswahl getroffen.
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Die Dicke dieser Rasteranorndung, d.h. ihre Erstreckung in Richtung
der optischen Achse kann bei einer Ausgestaltung der Erfindung mehr als das achtfache
des Durchmessers eines einzelnen Lichtleitelementes betragen.
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Zweckmäßig wird die Dicke so gewählt, daß innerhalb der Länge eines
einzelnen Lichtleitelementes zweimal eine Totalreflexion eines Lichtatrahles eintreten
kann.
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Der Durchmesser der Lichtleitelemente läßt sich aus dem Grenzwinkel
der Totalreflexion für den jeweiligen Werkstoff und der gewünschten Streuung bzw.
Öffnung des austretenden Lichtstrahlbündels berechnen. Entsprechende vorteilhafte
und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Ansprüchen.
Dabei sind diejenigen Merkmale, die sich mit der optischen Geometrie und dem Werkstoff
der Lichtleitelemente befassen, maßgebend für die Wirksamkeit der Bündelung des
Lichtes, den Öffnungswinkel der auStretenden Lichtstrahlen, der erforderlichen Materialmenge,
d.h. insgesamt für die Kosten und die Lichtausbeute.
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Durch weitere Ausgestaltungen der Erfindung ist es möglich, die Lichtausbeute
und die Bündelung noch zu verbessern, insbesondere durch die Ausgestaltung und Anordnung
der Teile des Scheinwerfers und die Gestaltung der inneren Oberfläche der erfindungsgemäßen
Rasteranordnung aus Lichtleitelementen.
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Die diffuse Streuung an der äußeren Oberfläche dieser Lichtleitelemente
kann durch deren besondere Ausgestaltung weiter vermindert werden.
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Weiterhin sind Ausgestaltungen X der Erfindung vorgesehen, die die
besondere Anpassung eines Scheinwerfers an die -fordernisse
des
StraE)envcrkehrs ermöglichen.
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Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnungen beispielsweise
näher erläutert und zwar zeigt: Fig. 1 eine meridionale Schnittansicht eines erfindungsgemäßen
Scheinwerfers, Fig. 2 eine Stirnansicht, Fig. 3 eine schematische Schnittansicht
zur Erläuterung einiger Strahlengänge, Fig. 4 eine schematische Schnittansicht eines
abgewandelten Ausführungsbeispisl r der Erfindung, Fig. 5 eine sagitale Schnittansicht
nach der Linie V - V in Fig. 4; Fig. 6 eine sagitale Schnittansicht nach der Linie
VI - VI in Fig. 4 und Fig. 7 eine sagitale Schnittansicht nach der Linie VII - VII
in Fig. 4, Fig. 8 8chematisch den Strahlengang vor einem Kraftfahrzeugscheinwerfer
in Seitenansicht, Fig. 9 den gleichen Strahlengang in Draufsicht,
Fig.
1 zeigt eine Schnittansicht eines Scheinwerfers 1, bei welchem innerhalb eines Reflektors
2 eine Lampe 3 angeordnet ist, deren Sockel 4 durch den Reflektor hindurchragt.
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Die Lampe 3 besitzt eine Wendel 5 sowie eine Kappe 6, die den direkten
Austritt von Licht von der Wendel 5 verhindert und in dieser Richtung austretende
Lichtstrahlung zum Re-Reflektor 2 hin umlenkt.
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Auf der Frontseite ist der Scheinwerfer 1 durch eine Schutzscheibe
7 abgedeckt.
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Vor dem Reflektor 2 ist eine Rasteranordnung 8 angeordnet, deren
Ebene senkrecht auf der optischen Achse des von dem Reflektor und der Lampe gebildeten
optischen Systeas liegt.
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Die Rasteranordnung 8 besteht aus einer Vielzahl von Lichtleitelementen
9, die bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausfuhrungsbeispiel quadratische Querschnittsfläche
besitzen.
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DieseLiohtleitelenente bestehen vorzugsweise aus einem Kunststoff
und kennen auch runde oder sechseckige Querschnittaformen oder andere geeignete
Querschnitte besitzen.
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Die Lichtleitelemente sind dicht gepackt und achsparallel zueinander
angeordnet. Die LLE sind dabei in an sich bekanntor Weise optisch gegeneinander
isoliert. Dies kann durch ein Oberflächenbeschichtung ait einem Werkstoff anderen
rechnungsind x bewirkt werden. Eine andere Mßglichkeit besteht
darin,
die LLE in einen Grundwerkstoff einzubetten, der einen geringeren Brechungsindex
besitzt, z.B. auch in Luft, in eine Flüssigkeit oder in Glas- bzw. einen optisch
glasartigen Werkstoff.
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Die Dicke D der Rasteranordnung entspricht der Länge der ein zelnen
Lichtleiteleiente. Das Verhältnis dieser Dicke zum Durchmesser der Lichtleiteleiente
ergibt sich für eine bevorzugte Ausführungsfori der Erfindung aus der Formel D#2d
tg i, wobei D die Dicke der Rasteranordnung d der Durchmesser der LLE und 9 der
Winkel der inneren Totalreflexion des Werkstoffes der LLE ist.
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Bei praktischen Ausführungsformen der Erfindung wird man den Durchmesser
der Lichtleitelemente zweckmäßig zwischen 0,2 und 5 M wählen, wobei die Dicke des
Rasters D zwischen 0,4 n und 30 im betragen kann. Kostengtinstig sind Lichtleitelemente
mit Durchmessern bis zu 2 im herzustellen. Die Dicke der Rasteranordnung sollte
aus GrUnden der Stabilität ein bestimmtes Naß nicht unterschreiten, Jedoch aus Kostengründen
Jedoch nicht zu groß gewählt werden. Ein vorteilhefter Naß für diese Dicke beträgt
etwa 12 mm.
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Zweckiäßig wird ian die Dicke in Verhältnis zum Durchmesser der Lichtleitelemente
so wählen, daß mindestens zwei Totalreflexionen innerhalb eines Lichtleitelementes
erfolgen
können. Daraus ergibt sich, daß in Abhängigk.it von den
optischen Eigenschaften des Jeweiligen Werkstoffs diese Dicke bis zu dem achtfachen
des Durchmessers eines Lichtleitelementes betragen kann.
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In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind gleiche Teile mit gleichen
Bezugszeichen versehen. Hier ist lediglich die Rasteranordnung 8 mit dem Reflektor
2 über einen innenverspiegelten zylindrischen Zwischenring 10 verbunden. Hierdurch
soll die Richtcharakteristik des gesamten Scheinwerfers verbessert werden.
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Nachstehend sind die Eigenschaften eines erfindungsgemäßen Scheinwerfers
anhand einiger Strahlengänge näher erläutert.
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Ein Lichtstrahl a, der von der Wendel 5 innerhalb der optischen Achse
ausgeht, wird an dem parabolischen Reflektor 2 reflektiert und tritt parallel zur
optischen Achse durch die Rasteranordnung 8 hindurch nach außen.
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Ein Lichtstrahl b, der von einem äußeren Punkt und abseits der optischen
Achse ausgeht, wUrde normalerweise unter einem Winkel zur optischen Achse aus einem
Scheinwerfer austreten.
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Eine Vielzahl solcher Lichtstrahlen bewirken bei herköimlichen Scheinwerfern
eine Auffächerung des Strahlenbündels.
In dem in Fig. 3 dargestellten
Falle trifft dieser Lichtstrahl jedoch unter einem Winkel auf die Rasteranordngng
8 auf, unter dem er wegen der Politur der zum Reflektor hin gerichteten Oberfläche
der Lichtleitelemente nicht in diese eintreten kann, sondern wieder reflektiert
wird. Lichtstrahlen, die nicht innerhalb eines Grenzwinkels auf die Lichtleitelemente
auftreffen, werden nicht nach außen weitergeleitet, so daß eine unerwünschte Auffächerung
des Lichtstrahlenbündels vor dem Schwinwerfer verhindert wird.
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Ein Lichtstrahl c, der von der Wendel ausgeht und von der verspiegelten
Kalotte 6 zum Reflektor hin gerichtet wird, trifft unter einem Winkel auf die Lichtleitelemente
der Rasteranordnung 8 auf, der die Weiterleitung innerhalb derselben ermöglicht.
Dieser Winkel ist kleiner oder gleich dem Grenzwinkel der Totalreflexion innerhalb
der Lichtleitelemente. Der von der äußeren Oberfläche der Rasteranordnung wei.
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tergehende Lichtstrahl liegt zwischen den Grenzwerten ci und c2, die
einen Öffnungswinkel 24 einschließen. Der Winkel zu entspricht im Grenzfalle dem
Winkel e, d.h. dem Grenzwinkel der Totalreflexion.
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Ein Lichtstrahfin, der von der Wendel 5 ausgeht, wird innerhalb des
Scheinwerfers mehrfach reflekt5irt, bis er schließlich unter einem Winkel auf die
Rasteranordnung 8 auftrifft,
der innerhalb des Grenzwinkels liegt,
so daß seine Weiterleitung nach außen möglich ist.
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Aus der Betrachtung der unterschiedlichen Strahlengänge ist ersichtlich,
daß die Lichtausbeite der Rasteranordnung verbessert werden kann, wenn man ihre
innere Oberfläche ac gestaltet, daß der Grenzwinkel fUr einfallendes Licht vergrößert
wird. Dies kann durch eine Krümmung der gesamten inneren Oberfläche oder oder durch
gekrümmte Oberflächen der einzelnen Lichtleitelemente geschehen. Im letzteren Fall
wirken diese als Sammellinsen. Dabei ist ferner ersichtlich, daß man den Öffnungswinkel
g und die Lichtausbeute durch ein konkave oder konvexe Kreuzung der inneren Oberfläche
der Rasteranordnung in einem bestimmten Maße verändern kann.
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In Fig. 3.ist ein solcher gekrümmter Verlauf dieser inneren Oberfläche
durch eine unterbrochene Linie 11 angedeutet.
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In einer großen Entfernung E vor dem Scheinwerfer wird die Breite
B des Lichtstrahlenbündels stets größer sein als der Durchmesser des Scheinwerfers.
Diese Differenz ist durch den Oystemeigenen Öffnungswinkel zu bestimmt, unter dem
ein Lichtstrahl an der äußersten Grenze cn austritt . Durch Wahl des Werkstoffes
der Lichtleitelemente, deren Durchmesser und deren Länge sowie der Gestaltung der
inneren und/oder äußeren Oberfläche der Rasteranordnung hat man es
bei
einem Scheinwerfer in der Hand, diese Breite des StrahlMnbündels genau zu definieren.
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Wenn die äußere Oberfläche der Rasteranordnung einwandfrei poliert
ist, so wird auch an ihr Kein Streulicht entstehen, so daß man ein einwandfreies
Lichtstrahlenbündel ohne Dispersionserscheinungen vor einem solchen Scheinwerfer
erhält.
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Die Breite des Lichtstrahlenbündels, d.h. der Öffnungswinkel g kann
auch durch die Gestaltung der äußeren Oberfläche 13 der Rasteranordnung beeinflußt
werden, indem man diese - wie dies oben für die innere Oberfläche 14 beschrieben
wurde - konkav oder konvex gewölbt ausbildet.
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Im folgenden ist dies anhand der Figuren 4 bis 7 für ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben, welches sich insbesondere für die Verwendung als Kraftfahrzeug
-scheinwerfer eignen soll.
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Scheinwerfer von Kraftfahrzeugen dürfen keineswegs ein Lich1 ;-strahlenbündel
aus genau parallelen Lichtstrahlen aussenden Sie dienen dazu, die Straße vor dem
Fahrzeug in einer optimalen Breite auszuleuchten. Lediglich die Obergrenze des austretenden
Lichtstrahlenbündels soll scharf begrenzt sein!'
und horizontal,
aber auf keinen Fall schräg nach oben verlaufen.
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Um eine solche geielte Auffächezung des Strahlenbündels zu erzielen,
werden Streuscheiben vor die Scheinwerfer gesetzt. Diese Streuscheiben können als
System von Zylinderlinsen angesehen werden. Da ein optisch einwandfreies Bearbeiten
und eine Korrektur dieser Vielzahl von Zylinderlinsen praktisch nicht möglich ist,
werden die Streuscheiben mit einer bisher als annehmbar angesehenen Güte durch Gießen
und Pressen hergestellt. Durch die systembedingten optischen Fehler eines solchen
mit einer Streuscheibe versehenen Scheinwerfersystems verursacht, tritt aus ihm
außer gerichteter Strahlenbündel ein erheblicher Anteil an diffusem Licht aus. Dieses
ist eine der Hauptursachen der Blendung durch ein entgegenkoxmendes Fahrzeug mit
eingeschaltetem Licht. Die Streuscheibe selbst bildet dabei eine Fläche aus unendlich
vielen, diffus strahlenden Lichtquellen. Deshalb wird sie von dem Auge eines Betrachters
unter einen Wint kel bis zu mehr als 800 zu der optischen Achse als leuchtende Scheibe
aufgefaßt. Wegen des geringen optischen Wirkungsgrades, dessen Verschlechterung
durch die diffuse Abstrahlung bedingt ist, ist es erforderlich, besonders helle
Lampen in Kraftfahrzeugscheinwerfern zu verwenden. Hierdurch wird naturgemäß der
Effekt der Blendung eines Betrachters durch ein entgegenkommendes Kraftfahrzeug
beträchtlich erhöht.
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Ein erfindungsgemäßer Scheinwerfer arbeitet mit geringeren optischen
Verlusten, so daß sehr helle Lampen nicht benötigt werden. Wenn jedoch wegen gewünschter
höherer Licht -ausbeute helle Lampen benutzt werden müssen, so wird, wie die obigen
Ausführungen zeigen, die Blendgefahr durch diffuse Abstrahlung wesentlich verringert.
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Fig. 4 zeigt schematisch einen lotrechten Schnitt durch einen Scheinwerfer
20, dessen erfindungsgemäße Rasteranordnung 18 eine konvex gekrümmte äußere Oberfläche
21 aufweist. Diese Krüümung verläuft asymetrisch und bewirkt eine Auffächerung der
Lichtstrahlung in der lotrechten Ebene nach unten Damit wird erreicht, daß auch
gerichtete Lichtstrablung unmittelbar vor dem Fahrzeug auf die Straßenoberfläche
trifft.
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Um eine Auffächerung nach der Breite zu erhalten, ist die äußere Oberfläche
21 in der waagerechten Ebene betrachtet ebenfalls konvex gekrümmt. Da in dem Bereich,
der annähernd parallel zur Straßenoberfläche Licht abstrahlt nur eine geringe Auffächerung
nach der Breite erforderlich ist, ist hier diese konvexe Krümmung nur gering, wie
Fig. 5 zeigt.
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In einem mittleren Entiernungsbereich muß, um die gleiche Breite des
Lichtstrahlenbündels zu erhalten die Auffächerung stärker sein. Zu diesem Zweck
wird hier eine stärkere konvexe Krümmung der Oberfläche 21 verwendet, wie Fig. 6
darstellt.
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In dem ...
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Bereich unmittelbar vor dem Kraftfahrzeug ist jedoch eine sehr starke
Auffächerung nach der Breite erforderlich, deshalb wird in der Ebene VII der Fig.
4 eine sehr starke konvexe Krümmung der äußeren Oberfläche 21 verwendet, wie sie
in Fig. 7 beispielsweise dargestellt ist. Diese Verhältnisse sind in den Figuren
8 und 9 schematsich angedeutet. Der obere Grenzstrahl eines Scheinwerfers 20 ist
mit S bezeichnet und verläuft annähernd parallel zur Straßenebene 22.
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In einer großen Entfernung b vor dem Fahrzeug, z.B. einer Entfernung
von 100 m soll die Breite der Lichtstrahlung N etwa 20 m betragen. Die seitlichen
Grenzstrahlen des Licht.
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strahlenbündels sind mit M bezeichnet. Die hierzu wirksamen Lichtstrahlen
treten in dem Bereich der Ebene V der Fig. 4 aus.
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In einem mittleren Bereich vor dem Kraftfahrzeug , also z.B. 30 m
vor diesem soll die Breite der Ausleuchtung die gleiche sein also auch etwa 20 m.
Die Grenzstrahlen für diese Entfernung F sind mit L bezeichnet. Diese Strahlung
etwa aus dem Bereich der Ebene VI der Fig. 4 aus.
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Im Nahbereich, also 5 bis 10 m vor dem Kraftfahrzeug soll die Breite
der Ausleuchtung größer sein, um den Straßenrand besser zu beleuchten und um dort
vorhandene Hindernisse
besser erkennen zu können. Die Grenzstrahlen
dieses Bereiches sind mit K bezeichnet. Das in diesen Bereich fallende Licht tritt
aus dem Bereich der Ebene VII in Fig. 4 aus.
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Es ist ersichtlich, daß bei einer solchen Gestaltung eines erfindungsgemäßen
Scheinwerfers die Umschaltung von Nahauf Fernlicht vermieden werden kann. Dies gilt
insbesondere deshalb, weil die von den bisher üblichen Scheinwerfern ausgehende
Blendgefahr infolge der beschriebenen optischen Eigenschaften eines erfindungsgemäßen
Scheinwerfers wesentlich verringert ist und durch die weitere Ausgestaltung der
Rasteranordnung, wie die vorstehenden Beispiele zeigen, noch weiter verringert werden
kann.
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Eine besondere Erkenntnis der Erfindung liegt darin, den Grenzwinkel
des freien Durchtritt eines Lichtstrahles durch eine Rasteranordnung mit dem Grenzwinkel
der Totalreflexion in Zusammenhang zu bringen, und zwar derart, daß der Öffnunsswinkel
der Strahlung vor dem Scheinwerfer im Grenzfalle dieu sem Winkel der Totalreflexion
entspricht. Damit kann ein migimaler Öffnungswinkel erreicht werden, der eine optimale
Licht ausbeute bei geringstsöglicher Blendung ermöglicht. Eine gewollte Änderung
des Öffnungswinkels ist dann dadurch zu erzielen, daß man die geouetrisch-optischen
Bedingungen des Systems, vor allem der srfindungsgemaßen Rasteranordnung
beispielsweise
im Rahmen der vorstehenden Ausführungen ändert. Dabei besteht bei allen Ausführungsbeispielen
der Vorteil, daß eine diffuse Abstrahlung mit der dadurch bewirkten Blendung weitestgehend
oder ganz vermieden wird.