DE4342928C2 - Relflektoranordnung mit einer darin angeordneten Lichtquelle für eine Fahrzeugleuchte - Google Patents

Relflektoranordnung mit einer darin angeordneten Lichtquelle für eine Fahrzeugleuchte

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Reflektoranordnung mit einer darin angeordneten Lichtquelle für eine Fahrzeug­ leuchte gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
2. Beschreibung des zugehörigen Standes der Technik
Herkömmliche Fahrzeugbeleuchtungsanordnungen verwenden im ty­ pischen Fall eine Kombination aus einer Glühbirne und einem Reflektor. Bei einer Kombination aus Glühbirne und Reflektor wird der Glühfaden der Glühbirne in den Brennpunkt des Re­ flektors oder in dessen Nähe gelegt. Der Brennpunkt eines Re­ flektors ist derjenige Punkt, an dem sich parallele Licht­ strahlen nach einer Reflexion an einer reflektierenden Ober­ fläche treffen. Umgekehrt werden vom Brennpunkt ausgehende Lichtstrahlen als parallele Lichtstrahlen reflektiert. Die dem Glühfaden zugeführte Energie wird als Licht über einen räumlichen Winkel von 4π abgestrahlt. Ein Teil des abge­ strahlten Lichtes wird vom, Reflektor gesammelt und nach au­ ßen reflektiert. Das nach außen reflektierte Licht setzt sich unter Bildung eines Lichtstrahls mit dem unmittelbar vom Glühfaden nach außen abgestrahlten Licht zusammen. Zum Umformen des Lichtstrahls in ein bestimmtes und von den Fahr­ zeugbeleuchtungsvorschriften vorgegebenes Muster wird eine Linse verwendet.
Die Kombination aus Glühbirne und Reflektor weist mehrere Nachteile auf. Hierzu gehören Fragen aus der Aerodynamik und ästhetische Stilfragen. Zum Beispiel haben die Tiefe des Re­ flektors entlang seiner Brennachse und die Abmessungen des Reflektors in Richtungen senkrecht zur Brennachse Versuche zur stromlinienförmigen Ausbildung des Fahrzeugs stark einge­ schränkt. Die während des Betriebes der Glühbirne entstehen­ de Wärme muß abgeführt werden und bildet damit einen beim Entwurf der Fahrzeugbeleuchtungsanordnung zu berücksichtigen­ den Faktor. Glühbirnen brennen auch aus und müssen ersetzt werden. Das Einsetzen einer Glühbirne an einer schwer zu er­ reichenden Stelle bringt Schwierigkeiten bei der Wartung und begrenzt die Freiheiten bei der Konstruktion.
Mit dem Aufkommen der Lichtleiter, wie der Faseroptik, ergab sich die Möglichkeit der Verwendung einer entfernt liegenden Lichtquelle und eines Lichtleiters zum Übertragen des an ei­ ner abgelegenen Lichtquelle erzeugten Lichtes an einen fer­ nen Ort. Andere Lichtquellen, wie zum Beispiel Licht emittie­ rende Dioden (LED), sind auch als Ersatz für eine Standard­ glühbirne verwendet worden. Licht emittierende Dioden werden verwendet, da sie weniger kosten und eine größere Lichtmenge als typische Glühbirnenanordnungen ausstrahlen.
Eine Beleuchtungsanordnung mit der Darstellung oder Verwen­ dung einer LED wird in der US 5 001 609 dargestellt. Die­ se Patentschrift offenbart eine LED-Beleuchtungslampe, die über einem vorgewählten Bildwinkel ein helles Licht mit zwei Brennweitenstufen zum Bündeln des von der Diode emittierten Lichtes auf einen endgültigen gewünschten Bildwinkel er­ zeugt. Ein wesentlicher Anteil des verwendbaren Lichtes be­ steht in unmittelbar von der Lichtquelle ausgehenden Licht­ strahlen. Die Vorrichtung reflektiert nur einen bestimmten Teil des von der Diode ausgehenden Lichtes. Dies begrenzt die Fähigkeit der Vorrichtung, das Licht auf die erforderli­ chen fotometrischen Zonen zu beschränken.
Obwohl dieser Versuch eine gewisse beschränkte Anwendung ha­ ben kann, wird ein Beleuchtungskörper gewünscht, der im we­ sentlichen das gesamte von einer Lichtquelle ausgehende Licht sammelt und verteilt und damit die Anzahl der zum Ent­ wickeln der erforderlichen Lumen notwendigen Lichtquellen, LED oder Lichtführungen auf ein Minimum herabsetzt. Zusätz­ lich bringt das Beschränken der Lichtabgabe ausschließlich auf die erforderlichen fotometrischen Zonen den Wirkungsgrad des Beleuchtungskörpers auf ein Maximum und führt in Bezug auf Größe und Wirkungsgrad zu einem optimalen Beleuchtungs­ körper.
Aus der US 50 93 768 ist eine von Leuchtdioden betriebene Leuchtvorrichtung bekannt, bei der zum Zweck des Maximierens des von der Leuchtvorrichtung ausgesandten Lichtstroms jede Leuchtdiode im Brennpunkt eines konkaven Reflexionsspiegels angeordnet ist.
Aus der US 25 92 075 ist eine Lichtprojektorvorrichtung bekannt, bei der zum Zweck des Erhöhens der Lichtintensität eine Mehrzahl einzelner Projektoren in eine integierte Einheit zusammengefaßt ist, wobei die Mehrzahl von einzelnen Projektoren aus mit in ihren Brennpunkten mit Lichtquellen versehenen Reflektoren gebildet ist, die so angeordnet sind, daß das von ihnen ausgehende Licht auf auf eine Seite jenseits der Brennlinie eines zylindrischen Reflektors fällt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Reflektoranordnung mit ei­ ner darin angeordneten Lichtquelle so auszubilden, daß annä­ hernd der gesamte von der Lichtquelle emittierte Lichtstrom von einem zugeordneten Reflektor erfaßt und in einem festge­ legten Raumwinkel aus dem Beleuchtungskörper austritt.
Für eine Reflektoranordnung mit den Merkmalen aus dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1 wird diese Aufgabe durch die Merkmale aus dem kennzeichnenden Teil dieses Anspruchs gelöst.
Im allgemeinen enthält die Fahrzeugleuchte eine Lichtquel­ le und ein Mittel zum Sammeln und Verteilen im wesentlichen des gesamten von der Lichtquelle abgegebenen Lichtes. Das Mittel zum Sammeln und Verteilen von im wesentlichen dem ge­ samten abgegebenen Licht enthält einen paraboloid oder ellip­ soid geformten Reflektor mit einem Brennpunkt und einer Brennachse. Die Lichtquelle ist im Brennpunkt des Reflektors angeordnet und gegenüber der Brennachse geneigt.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß im wesentlichen das gesamte abgegebene Licht gesammelt und ver­ teilt wird. Durch Sammeln des im wesentlichen gesamten von der Lichtquelle abgegebenen Lichtes wird kein unmittelbares Licht von der Lichtquelle zum Ausbilden des gewünschten Strahlmusters verwendet und damit das Licht auf die notwendi­ gen fotometrischen Zonen beschränkt. Zu weiteren Vorteilen gehören das Herabsetzen der Anzahl der verwendeten Lichtquel­ len und das Ausbilden einer neuartigen und wirksamen Beleuch­ tungsquelle zum Erzeugen des für die Beleuchtung eines Fahr­ zeugs geeigneten Lichtes. Dies führt zu einer einfach herzustellenden und einfach unterzubringenden Fahrzeugleuchte.
Kurze Beschreibung eines Ausführungsbei­ spieles der Erfindung
In den Zeichnungen ist:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsge­ mäßen Fahrzeugleuchte dargestellt als Heckleuchte an einem Fahrzeug,
Fig. 2 ein Schnitt entlang der Schnittlinie 2-2 in Fig. 1,
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung der Fahrzeugleuchte von Fig. 1,
Fig. 4 eine schematische Seitenansicht der Fahrzeugleuchte von Fig. 3,
Fig. 5 eine schematische Seitenansicht einer ersten alterna­ tiven Ausführungsform von Fig. 1 mit Verwendung ei­ nes ellipsoiden Reflektors,
Fig. 6 eine zweite alternative Ausführungsform der Fahrzeugleuchte nach Fig. 1,
Fig. 7A eine perspektivische Darstellung einer halbparabo­ loid geformten Reflektoroberfläche,
Fig. 7B eine Seitenansicht des halbparaboloid geformten Re­ flektors nach Fig. 7A,
Fig. 7C eine Aufsicht auf den halbparaboloid geformten Re­ flektor von Fig. 7A,
Fig. 7D eine Vorderansicht des halbparaboloid geformten Re­ flektors nach Fig. 7A,
Fig. 7E eine Vorderansicht mit Darstellung des Schnittes ei­ nes Lichtkonus mit einer halbparaboloiden Oberflä­ che,
Fig. 8A eine perspektivische Darstellung einer halbellipsoid geformten Reflektoroberfläche,
Fig. 8B eine Seitenansicht des halbellipsoid geformten Re­ flektors von Fig. 8A,
Fig. 8C eine Aufsicht auf den halbellipsoid geformten Reflek­ tor von Fig. 8A,
Fig. 8D eine Vorderansicht des halbellipsoid geformten Re­ flektors von Fig. 8A und
Fig. 8E eine Vorderansicht mit Darstellung des Schnittes ei­ nes Lichtkonus mit einer halbellipsoiden Oberfläche.
In den Zeichnungen und insbesondere in Fig. 1 wird eine Fahrzeugleuchte 10 in ihrer Verwendung als eine Fahrzeugheckleuchte 11 eines Kraftfahrzeugs gezeigt.
Gemäß der Darstellung in den Fig. 2, 3 und 7A-D enthält eine erfindungsgemäße Fahrzeugleuchte 10 einen halbparabo­ loiden Reflektor 12 und eine Lichtquelle 14. Die Lichtquelle 14, wie zum Beispiel eine Licht emittierende Diode (LED) oder das Licht von einer abgelegenen Lichtquelle auf einen NIO(non-imagining optics| das Bild nicht darstellenden)-Kon­ zentrator übertragende Lichtführung, wird im Brennpunkt 16 des halbparaboloiden Reflektors 12 angeordnet und gegenüber der Brennachse 18 des halbparaboloiden Reflektors 12 um ei­ nen Winkel (α) geneigt. Es leuchtet ein, daß die das Bild nicht darstellende Optik nicht verlangt, daß die das Licht abgebende Oberfläche in der Bildebene abgebildet wird und da­ mit zu einer größeren Freiheit bei der Konstruktion führt.
Der Neigungswinkel (α) der Lichtquelle 14 hängt von dem Strahlungsmuster oder dem von einer besonderen Lichtquelle entwickelten Konuswinkel 2Θ ab. Typische Konuswinkel liegen im Bereich von 2Θ = 70° für eine Lichtführung und 2Θ = 135° für eine Licht emittierende Diode. Für eine einen Lichtkonus mit einem Konuswinkel von 26 abgebende Lichtquelle 14 be­ trägt der Neigungswinkel (α) 90 - Θ von der Vertikalen und in Richtung auf den Scheitel 20 des halbparaboloiden Reflek­ tors 12. Es leuchtet ein, daß der Beleuchtungskörper 10 im wesentlichen sämtliches von der Lichtquelle 14 abgegebene Licht sammelt und verteilt.
Gemäß der Darstellung in Fig. 2 wird ein Lichtstrahl 15 von der Lichtquelle 14 abgegeben und trifft auf den halbparabolo­ iden Reflektor 12. Der Lichtstrahl 15 wird von dem halbpara­ boloiden Reflektor 12 in einer Richtung parallel zu der Brennachse 18 reflektiert. Der Lichtstrahl 18 trifft dann auf einen sekundären Reflektor 17 auf, der den Lichtstrahl 15 als nutzbares Licht nach außen richtet. Eine Linse 19 kann zum weiteren Formen oder Richten des Lichtstrahls 15, wie notwendig, verwendet werden. Es sollte darauf geachtet werden, daß jeder von dem halbparaboloiden Reflektor 12 re­ flektierte Lichtstrahl in einer Richtung parallel zu der Brennachse 18 des Reflektors 12 reflektiert wird.
Die Richtung jedes vom sekundären Reflektor 17 reflektierten Lichtstrahls 15 wird von der Form oder Konfiguration des se­ kundären Reflektors 17 bestimmt. Damit wirken der sekundäre Reflektor 17 und die Linse 19 (falls notwendig) zum Richten im wesentlichen sämtlichen von der Lichtquelle 14 emittier­ ten Lichtes in die erforderlichen fotometrischen Zonen zusam­ men. Gemäß der Darstellung in Fig. 3 können mehrere halbpara­ boloide reflektierende Oberflächen 12, die sämtlich eine ge­ trennte Lichtquelle 14 aufweisen, zum Bilden eines Licht­ strahls verwendet werden.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines halbparaboloi­ den Reflektors 12 mit einem Beleuchtungskörper mit gegebener Höhe (H). Bei gegebener Höhe (H) des Beleuchtungskörpers kön­ nen die Brennweite (F) und die Tiefe (D) des halbparaboloi­ den Reflektors 12 bestimmt werden. Es leuchtet ein, daß eine Änderung in dem Konuswinkel 2Θ der Lichtquelle zu einer Ände­ rung in der Lage des Brennpunktes bei konstanter Höhe (H) des Beleuchtungskörpers 10 führt. Die Breite des halbparabo­ loiden Reflektors 12 wird durch Auflösen für die Schnittflä­ che des halbparaboloiden Reflektors 12 mit dem von der Licht­ quelle 14 (siehe Fig. 7E) ausgestrahlten Lichtkonus 24 er­ zielt. Man erkennt, daß im wesentlichen das gesamte von je­ der Lichtquelle 14 abgegebene Licht mit einem Konuswinkel 2Θ von weniger als 2π räumlicher Winkel von dem halbparaboloi­ den Reflektor 12 gesammelt und verteilt wird.
Für eine gegebene Höhe (H) des Beleuchtungskörpers 10 und ei­ ne Lichtquelle 14 mit einem Konuswinkel 2Θ, wobei π/2 < 2Θ < π ist, werden die Brennweite (F) und die Tiefe (D) des para­ boloiden Reflektors 12 mit den folgenden Formeln errechnet:
und
Die Gleichung für eine Parabel mit einem Ursprung im Schei­ tel lautet:
Beim Ersatz des oben genannten X ergibt sich
Für Y = H
und
(4 TAN 2Θ) F2 - (4H) F - H2 TAN 2Θ = 0
Deshalb
und
Unter Verwendung der vorstehenden Formeln und einer bekann­ ten Höhe (H) des Beleuchtungskörpers und eines Konuswinkels 2Θ der Lichtquelle kann die Form des halbparaboloiden Ab­ schnittes 12 errechnet werden.
In Fig. 7E wird der Schnitt 26 des halbparaboloiden Reflek­ tors 12 und des von der Lichtquelle 14 abgestrahlten Lichtko­ nus 24 gezeigt. Der Konuswinkel 2Θ der Lichtquelle 14 verhin­ dert, daß diese den gesamten halbparaboloiden Reflektor 12 ausleuchtet. Es versteht sich, daß die Breite (W) (siehe Fig. 7D) des halbparaboloiden Reflektors 12 von der Oberflä­ che des halbparaboloiden Reflektors 12, der von der Licht­ quelle 14 ausgeleuchtet wird, begrenzt wird. Zum Erzielen der Breite (W) des halbparaboloiden Reflektors 12 muß der Schnitt des Lichtkonus 24 und des halbparaboloiden Reflek­ tors 12 bestimmt werden. Der halbparaboloide Reflektor 12 wird mit der Gleichung
und der Lichtkonus wird mit der Gleichung
[(X - F) sinΘ + Y cosΘ]2 + Z2 = [-(X - F) cosΘ + Y sinΘ]2tan2Θ
bestimmt.
Die Lösung für den Schnitt 26 dieser beiden Gleichungen er­ gibt die Breite des halbparaboloiden Reflektors 12. Es er­ gibt sich, daß ein Beleuchtungskörper mit einem gemäß den vorstehenden Formeln konstruierten halbparaboloiden Reflek­ tor 12 im wesentlichen das gesamte von einer Lichtquelle 14 abgegebene Licht sammelt und kollimiert.
In den Fig. 5 und 8A-E wird ein Beleuchtungskörper 110 ge­ mäß einer alternativen Ausführungsform des Beleuchtungskör­ pers 10 der vorliegenden Erfindung gezeigt. Gleiche Teile des Beleuchtungskörpers 110 weisen die gleichen, um hundert (100) erhöhten Bezugszeichen auf. Der Beleuchtungskörper 10 enthält einen halbellipsoiden Reflektor 32. Der halbellipsoi­ de Reflektor 32 sammelt und verteilt Licht von einer Licht­ quelle 114 auf dem fotometrischen Feld entweder nach links, nach rechts, nach oben oder nach unten. Zusätzlich kann die Größe der Streuung (σ) durch Verändern der Abmessungen der ellipsoiden Form gesteuert werden. Wie bei dem halbparaboloi­ den Reflektor 12 wird die Lichtquelle 114 in den Brennpunkt 34 des halbellipsoiden Reflektors 32 eingesetzt und gegen­ über der Brennachse 36 um einen Winkel (α) geneigt. Wieder hängt der Neigungswinkel (α) vom Strahlungsmuster und dem Ko­ nuswinkel 2Θ der gerade verwendeten Lichtquelle 114 ab. Für einen Beleuchtungskörper 110 mit einer vorgegebenen Höhe (H) und einem gewünschten Streuwinkel (σ) können die Brennweite (F) eines Ellipsoids und die Längen (L1, L2) wie folgt er­ rechnet werden:
Dabei ist die Tiefe (D) des Beleuchtungskörpers 10:
D = F + L1
Es leuchtet ein, daß ein unter Verwendung der vorstehenden Formeln konstruierter Beleuchtungskörper 10 im wesentlichen das gesamte von der Lichtquelle 114 ausgehende Licht sammelt und verteilt. Die Breite (W) (siehe Fig. 8D) des halbellip­ soiden Reflektors 32 wird durch den Schnitt 38 des Lichtko­ nus 124 mit dem halbellipsoiden Reflektor 32 bestimmt. Es leuchtet auch ein, daß zum Entwickeln eines bestimmten Strahlmusters mehrere halbellipsoide Reflektoren 32 kombi­ niert werden können.
In Fig. 6 wird ein Beleuchtungskörper 210 gemäß einer zwei­ ten alternativen Ausführungsform des Beleuchtungskörpers 10 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Gleiche Teile des Beleuchtungskörpers 210 weisen die gleichen, um einen Faktor zweihundert (200) erhöhten Bezugszeichen auf. Der Beleuch­ tungskörper 210 verwendet einen langgestreckten halbparabo­ loiden Zylinder 40 oder mehrere segmentierte halbparaboli­ sche Zylinder und mehrere das Licht innerhalb eines Konuswin­ kels 2Θ verteilende Lichtquellen 214. Wie vorstehend ausge­ führt wurde, ist die Lichtquelle 214 entweder eine LED oder eine Lichtführung mit einer Spitze, wie zum Beispiel einem NIO(non-imagining optics)-Konzentrator. Die Form des halbpa­ raboloiden Zylinders 40 wird gemäß den oben genannten Vorga­ ben bestimmt, so daß ein Einsetzen der Lichtquelle 214 auf der Brennachse 42 des halbparaboloiden Zylinders 40 die Lichtstrahlen 215 vom halbparabolischen Zylinder 40 in einem vertikal kollimierten, aber horizontal gestreuten Strahlungs­ muster reflektiert. Ein Verschieben der Lichtquelle 214 ent­ lang der Brennachse 42 und dichter an den Scheitel führt zu einer vertikalen Streuung des Strahls, und umgekehrt führt ein Verschieben der Lichtquelle weg vom Scheitel zu einem Schrumpfen oder Verengen des Lichtstrahls. Es leuchtet ein, daß eine Neonröhre statt der zahlreichen einzelnen Lichtquel­ len 214 als einzige Lichtquelle verwendet werden kann. Zu­ sätzlich kann der halbparaboloide Zylinder in der Ebene ei­ ner durch den Brennpunkt 46 und senkrecht zu der Brennachse 42 verlaufenden Achse 44 gekrümmt sein, um damit das Licht in der Horizontalrichtung zu konzentrieren oder zu streuen. Abhänig von der Anwendung kann die Linsenoptik 44 zum weite­ ren Bündeln oder Richten des Lichtstrahls verwendet werden.

Claims (11)

1. Reflektoranordnung mit einer darin angeordneten Licht­ quelle (14) für eine Fahrzeugleuchte, wobei die Reflekto­ ranordnung einen ersten, halbparaboloidförmig ausgebilde­ ten Reflektor (12) aufweist, in dessen Brennpunkt die Lichtquelle (14) angeordnet ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lichtquelle (14) länglich und das Licht in einen konusförmigen Raumwinkel emittierend ausgebildet, ist und mit ihrer Achse geneigt zur Hauptachse des ersten Reflektors (12) angeordnet ist, und daß ein zweiter Reflektor (17) zum ersten Reflektor (12) in der Weise angeordnet ist, daß das vom ersten Reflektor (12) auf den zweiten Reflektor (17) auftreffende Licht durch den zweiten Reflektor (17) eine Umlenkung in eine definierte Richtung erfährt und über eine im Strahlengang nach dem zweiten Reflektor (17) angeordnete Abdeckscheibe (19) aus der Fahrzeugleuchte austritt.
2. Reflektoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (14, 114, 214) als Spitze einer Licht­ führung ausgebildet ist.
3. Reflektoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Lichtquelle (14, 114, 214) als lichtemittie­ rende Diode ausgebildet ist.
4. Reflektoranordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der konusförmige Raumwinkel im Bereich von 2Θ = 70° für eine Lichtführung mit einer Spitze und 2Θ = 135° für eine lichtemittierende Diode beträgt, und daß die jeweilige Lichtquelle (14, 114) unter einem Winkel von 90° - Θ gegenüber der Brennachse geneigt ist.
5. Reflektoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Reflexionsoberfläche des ersten Reflektors (12) halbellipsoidförmig ausgebildet ist.
6. Reflektoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Reflexionsoberfläche des ersten Reflektors (12) als Zylinder ausgebildet ist, dessen eine Fläche (40) einen halbparabelförmigen Querschnitt aufweist.
7. Reflektoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Lichtquelle (14, 114, 214) entlang der Bren­ nachse verschiebbar angeordnet ist, um durch ein entspre­ chendes Verschieben der Lichtquelle (14, 114, 214) den Öffnungswinkel des austretenden Lichtstrahls zu verändern.
8. Reflektoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Lichtquelle (14, 114, 214) eine Neonröhre ist.
9. Reflektoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß anstelle des Zylinders ein Torus verwendet ist, dessen eine Fläche einen halbparabelförmigen Querschnitt aufweist.
10. Reflektoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß mehrere Lichtquellen (14) mit den entsprechenden ersten Reflektoren (12) zu einer Einheit zusammengefaßt sind.
11. Reflektoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Abdeckscheibe (19) mindestens eine Linse (44) zum Erzeugen eines vorherbestimmten Lichtkegels ent­ hält.
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