DE69800971T2 - Optik zur trennung von hoch- und scwachintensivem licht - Google Patents

Optik zur trennung von hoch- und scwachintensivem licht

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Description

    Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Trennoptikeinrichtung zum Trennen und Verteilen von hoch- und schwachintensivem Licht auf eine Beleuchtungsfläche.[0001]
    • Hintergrund der Erfindung
  • Konventionelle Lichtverwaltungssysteme für Scheinwerfer bzw. Vorderlichter, Seitenlichter und Rücklichter von Kraftfahrzeugen umfassen typischerweise einen in ein Reflektorgehäuse hinter einer Abdecklinse eingelassenen Glühfaden. Das von dem Glühfaden emittierte Licht wird von dem Reflektorgehäuse durch die Abdecklinse nach außen reflektiert, um einen Strahl oder ein ebenes Lichtbild zu erzeugen. Die Abdecklinse formt das Licht in ein gewünschtes Muster, d. h. fokussierten Scheinwerferstrahl oder gemustertes Seiten- oder Rücksignal. Konventionelle Glühlampen und Reflektorlichtsysteme sind jedoch in Bezug auf die Flexibilität bei der Gestaltung und der Größe nachteilig. Die Glühlampe und der Reflektor benötigen eine beträchtliche Tiefe und Breite, um einen gewünschten Brennpunkt und eine gewünschte Lichtstreuung durch die Abdecklinse zu erzielen, wodurch die Möglichkeiten, das Lichtsystem stromlinienförmig zu gestalten und zu konturieren, beschränkt sind.[0002]
  • Es wurden andere Systeme entwickelt, um Alternativen zu den konventionellen Glühfaden-Reflektor-Systemen bereitzustellen, die einen Lichtleiter verwenden und einen Kohlmator, um das Licht auf einen reflektierenden Strahler mit einer Vielzahl von Linsenfacetten (Abschrägungen) zum Rückleiten des Lichts in den gewünschten Pfad und das gewünschte Muster. Diese Systeme sind veranschaulicht in der US-PS 5 434 754 von Li et al. vom 18. Juli 1995 und der US-PS 5 197 792 von Jiao et al. vom 30. März 1993.[0003]
  • Diese Alternativen sind jedoch beim Separieren von hohen und niedrigen Lichtintensitäten durch die Linse unzureichend.[0004]
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Trennoptikeinerichtung mit einem transparenten bzw. lichtdurchlässigen einteiligen Körperabschnitt, der sich zwischen einem ersten und einem zweiten Ende erstreckt. Der Körperabschnitt weist einen vorderen Abschnitt auf, der eine vordere Beleuchtungsfläche bildet, einen hinteren Abschnitt mit einer Vielzahl von schrägen umlenkenden Facetten bzw. Abschrägungen, die durch Zwischenbereiche getrennt sind, und ein optisches Element, das innerhalb mindestens einem der Zwischenbereiche angeordnet ist. Von dem ersten oder dem zweiten Ende empfangenes Licht wird von den Facetten bzw. Abschrägungen in Richtung der vorderen Beleuchtungsfläche umgelenkt und gestreut, und das optische Element leitet von dem Zwischenbereich empfangenes Licht direkt in Richtung der vorderen Beleuchtungsfläche.[0005]
  • Die Abschrägungen leiten das Licht durch den Körperabschnitt zu der vorderen Beleuchtungsfläche um und verursachen eine Verteilung von schwachintensivem Licht, während das optische Element nicht direkt zu der vorderen Beleuchtungsfläche leitet und eine Verteilung von hochintensivem Licht verursacht.[0006]
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Andere Vorteile der vorliegenden Erfindung sind ohne weiteres erkennbar, da die Erfindung unter Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung besser verstanden wird.[0007]
  • Fig. 1 ist eine perspektivische: Rückansicht einer Trennoptikeinrichtung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung,
  • Fig. 2 ist ein Teilquerschnitt einer Trennoptikeinrichtung gemäß Prinzipien der vorliegenden Erfindung, gesehen in der Richtung II-II der Fig. 1 mit eingezeichneten orthogonalen Lichtquellen,
  • Fig. 3 ist ein Querschnitt einer Ausgestaltung einer Trennoptikeinrichtung mit einer Reihe von schrägen umlenkenden Facetten (Abschrägungen) und einer Vielzahl von direkt durchlassenden konkaven Zwischenabschnitten,
  • Fig. 4 ist ein Querschnitt einer Ausgestaltung einer Trennoptikeinrichtung mit einer Reihe von schrägen umlenkenden Facetten (Abschrägungen) und einer Vielzahl von direkt durchlassenden konvexen Zwischenabschnitten,
  • Fig. 5 ist ein Querschnitt einer Ausgestaltung einer Trennoptikeinrichtung mit einer Reihe von schrägen umlenkenden Facetten (Abschrägungen) und einer Vielzahl von direktdurchlassenden kombiniert konvex-konkaven Zwischenabschnitten und
  • Fig. 6 ist ein Querschnitt einer Ausgestaltung einer Trennoptikeinrichtung mit einer Reihe von schrägen umlenkenden Facetten (Abschrägungen) und einer Vielzahl von direkttransmittierenden Fresnel-Zwischenabschnitten.
    • Ausführliche Beschreibung der Erfindung
  • [0008] Unter Bezugnahme auf die Zeichnung zeigt Fig. 1 eine allgemein mit 10 bezeichnete Trennoptikeinrichtung, die Prinzipien der vorliegenden Erfindung verkörpert. Die Trennoptikeinrichtung 10 umfaßt einen transparenten einteiligen Körperabschnitt, der sich zwischen einem ersten breiten Ende 23 und einem zweiten distalen Ende 25 erstreckt. Der Körperabschnitt umfaßt einen hinteren Abschnitt 12 mit einer Vielzahl von umlenkenden Abschrägungen 20 und darauf ausgebildeten Zwischenbereichen 18 und einen vorderen Abschnitt 14 mit einer vorderen Beleuchtungsfläche 22. Die Optikeinrichtung 10 trennt Licht, das von orthogonal gerichteten Lichtquellen, die schematisch durch Pfeile "A" und "B" dargestellt sind, emittiert wird in relativ schwachintensives Licht, das von den umlenkenden Abschrägungen 20 und durch die vordere Fläche 22 reflektiert wird, und relativ hochintensives Licht, das direkt durch die vordere Fläche 22 der Einrichtung 10 im Zwischenbereich 18 geleitet wird.
  • [0009] Die Trennoptikeinrichtung 10 ist vorzugsweise aus einem transparenten Kunststoff spritzgegossen. Die Gesamthöhe, -länge und -dicke der Trennoptikeinrichtung sind unterschiedlich je nach Lichtdesignanforderungen und/oder Einschränkungen der Unterbringung des Lichtsystems.
  • [0010] Wie insbesondere in Fig. 1 dargestellt ist, umfaßt der hintere Abschnitt 12 der Optikeinrichtung 10 eine Mehrzahl von schrägen umlenkenden Facetten (Abschrägungen) 20 mit zwischen benachbarten Abschrägungen 20 angeordneten Zwischenbereichen 18. Der vordere Abschnitt 14 umfaßt eine vordere Beleuchtungsfläche 22, die vorzugsweise eben ist, und kann auch eine Abdecklinse 24 umfassen, die direkt auf die vordere Fläche 22 aufgesetzt ist. Die Dicke der Optikeinrichtung 10 wie sie sich in Fig. 1 von links nach rechts erstreckt und zwischen vorderer Fläche 22 und hinterem Abschnitt 12 definiert ist, geht progressiv zurück. Das bedeutet, daß sich die Zwischenbereiche 18 von einer Vorderkante einer der Abschrägungen 20 zu einer Hinterkante einer angrenzenden Abschrägung 20 erstrecken, um einen keilförmigen Körperabschnitt zu definieren, der sich longitudinal von dem ersten breiten Ende 23 zu dem zweiten distalen Ende 25 erstreckt.
  • [0011] Die grundlegende Wirkungsweise der Trennoptikeinrichtung 10 ist in Fig. 2 dargestellt. Eine Lichtquelle 26, wie eine Lumineszenzdiode (LED) oder andere konventionelle Lichtquelle, ist an dem breiten Enden der Trennoptikeinrichtung 10 angekoppelt, so daß von der Quelle 26 emittiertes Licht 28 im wesentlichen longitudinal durch die Optikeinrichtung 10 zu den umlenkenden Abschrägungen 20 geleitet wird. Das übertragene Licht verläuft im wesentlichen unbeeinflußt longitudinal durch die Optikeinrichtung 10, bis es auf eine umlenkende Abschrägung 20 trifft. Die umlenkenden Abschrägungen 20 definieren Innenflächen 30, die auftreffendes Licht reflektieren, so daß longitudinal übermitteltes Licht 28, das auf eine umlenkende Abschrägung 20 trifft, von der reflektierenden Fläche 30 wegreflektiert wird und quer in Richtung der vorderen Beleuchtungsfläche 22 der Trennoptikeinrichtung 10 und durch diese umgelenkt wird.
  • [0012] Somit wird von der an der Kante angeordneten Quelle 26 emittiertes Licht 28 von der Mehrzahl von Abschrägungen 20 umgelenkt und durch die vordere Fläche 22 der Optikeinrichtung 10 über einen relativ großen Bereich davon emittiert. Da das Licht 28 von der Mehrzahl von Abschrägungen 20 gestreut wird, entfaltet das von der vorderen Fläche 22 emittierte Licht eine Lichtverteilung relativ schwacher Intensität.
  • [0013] Die reflektierenden Flächen 30 der umlenkenden Abschrägungen 20 reflektieren einfallendes Licht vorzugsweise durch vollständige innere Reflexion. Alternativ oder zusätzlich können die umlenkenden Abschrägungen 20 mit einer reflektierenden Beschichtung beschichtet sein, wie eine im Vakuum abgeschiedene Aluminiumbeschichtung, um die Reflexionseigenschaften der Abschrägung zu verstärken.
  • [0014] Die in den Fig. 1 und. 2 dargestellten umlenkenden Abschrägungen 20 umfassen kontinuierliche gleichförmig beabstandete und parallele Abschrägungen gleicher Größe und Winkelorientierung, die sich kontinuierlich von oben nach unten über den hinteren Abschnitt 12 der Trennoptikeinrichtung 10 erstrecken. Die umlenkenden Abschnitte können jedoch unterschiedlicher Größe und Winkelausrichtung sein und müssen nicht parallel oder gleichförmig beabstandet sein oder müssen sich auch nicht kontinuierlich über den hinteren Abschnitt der Optikeinrichtung erstrecken. Einige Abschrägungen können mit einer reflektierenden Beschichtung beschichtet sein und manche nicht. Die Größe, der Abstand, die Ausrichtung usw. der Abschrägungen kann variiert werden, um die Trennoptikeinrichtung so zurechtzuschneiden, daß die gewünschten Lichteigenschaften in bestem Maße erreicht werden.
  • [0015] Wie schematisch bei 33 dargestellt, kann die Lichtquelle 26 mit der Kante der Trennoptikeinrichtung 10 mittels einer Koppeloptik 32, wie einem kollimierenden Fresnel-Linsenelement und/oder einem lichtsammelnden reflektierenden Konus, gekoppelt sein, um in die Trennoptikeinrichtung 10 gerichtetes Licht zu konditionieren.
  • [0016] Eine andere Lichtquelle 34 kann hinter dem Zwischenbereich 18 der Trennoptikeinrichtung 10 angeordnet sein. Der Zwischenbereich 18, wie er durch die gestrichelten Linien 36 definiert ist, stellt den verfügbaren Flächenbereich für Durchstrahlungsoptik, wie die optischen Elemente 60 der Fig. 1, dar. Selbstverständlich können zusätzliche Lichtquellen hinter einer Vielzahl von Zwischenbereichen 18 angeordnet werden, oder mehr als eine Lichtquelle zwischen zwei benachbarten umlenkenden Abschrägungen 20 angeordnet werden.
  • [0017] Von der Lichtquelle emittiertes Licht 38 wird direkt durch den Zwischenbereich 18 der Trennoptikeinrichtung 10 geleitet. Eine optische Behandlung, wie ein schematisch bei 35 dargestellter reflektierender Konus/Kegel zum Sammeln und Fokussieren von Licht, kann in Verbindung mit der Quelle 34 verwendet werden.
  • [0018] Da in dem Zwischenbereich 18 relativ wenig Lichtstreuung auftritt, weist das durch den Zwischenbereich 18 geleitete Licht 38 bei Betrachtung durch die vordere Fläche 22 der Optikeinrichtung 10 relativ helle hochintensiv beleuchtete Regionen auf. Diese Regionen hoher Intensität können orientiert und ausgerichtet werden, um gewünschte Flächenlichtmuster wie Designs, Logos, Text für Schilder/Zeichen oder Stop- und/oder Abbiegesignale für Automobilsignalleuchten, zu erzeugen.
  • [0019] Wie bereits erwähnt, kann ein Abdeckelement 24 über der vorderen Fläche 22 angeordnet sein. Das Abdeckelement 24 kann eine farbige lichtdurchlässige Linse zum Bewirken einer farbigen Lichtausgabe aus der Optikeinrichtung 10 umfassen. Die Abdecklinse 24 kann auch Diffusorelemente zum weiteren Streuen des durch die vordere Fläche 22 geleiteten Lichts, wie bei 25 dargestellt, umfassen und so einen großen wirksam beleuchteten Bereich bereitstellen.
  • [0020] Die optischen Elemente 60 auf den Zwischenbereichen 18 können in unterschiedlicher Weise oder in unterschiedlichen Kombinationen konfiguriert sein, um die gewünschten Hochintensitätseffekte zu erzielen. Konkreter, und wie in den Fig. 3 bis 6 dargestellt, können die Zwischenbereiche 18 als Teil der Trennoptikeinrichtung 10 konkav, konvex, Fresnel- oder holografische Optiken oder jede Kombination davon sein. Die Art der in den Zwischenbereichen bereitgestellten optischen Behandlung beeinflußt die konkrete Transmission von hochintensivem Licht 38 durch die Zwischenbereiche 18 der Optikeinrichtung 10, wodurch eine Vielfalt von Lichtmustern möglich gemacht wird.
  • [0021] Wie in Fig. 3 dargestellt, umfaßt der hintere Abschnitt 312 der Trennoptikeinrichtung 310 eine Reihe von konkaven Flächen 40, die zwischen benachbarten schrägen umlenkenden Facetten/Abschrägungen 20 angeordnet sind. Die konkaven Flächen 40 bewirken, daß durchgeleitetes Licht bei der Durchleitung gestreut wird.
  • [0022] Die konkaven Flächen 40 können einzelne kreisförmige konkave Linsenelemente umfassen oder können eine gekrümmte längliche Fläche, die einen Ausschnitt aus einer zylindrischen Fläche darstellt, umfassen. Zusätzlich kann der Radius der Krümmung der Fläche 40 so zugeschnitten sein, daß er Anforderungen an die Lichtausgabeverteilung und -intensität erfüllt.
  • [0023] Wie in Fig. 4 dargestellt, kann der hintere Abschnitt 412 der Trennoptikeinrichtung 410 eine Mehrzahl von konvexen Flächen 41 umfassen, die zwischen benachbarten umlenkenden Abschrägungen 20 angeordnet sind. Die konvexe Fläche 41 bewirkt, daß durchgeleitetes Licht bei der Durchleitung fokussiert wird.
  • [0024] Auch die konvexen Flächen 41 können einzelne kreisförmige konvexe Linsenelemente umfassen oder können eine gekrümmte längliche Fläche umfassen, die einen Ausschnitt aus einer zylindrischen Fläche darstellt. Zusätzlich kann der Krümmungsradius der Fläche so zugeschnitten sein, daß Anforderungen an die Lichtausgabeverteilung und -intensität erfüllt werden.
  • [0025] Wie in Fig. 5 dargestellt, kann der hintere Abschnitt 512 der Trennoptikeinrichtung 510 eine Mehrzahl von direktdurchlassenden optischen Flächen definiert durch Kombinationen von zwischen benachbarten umlenkenden Abschrägungen 20 angeordneten konvexen Flächen 42 und konkaven Flächen 44 umfassen. In der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform sind konkave Flächen 44 zentral innerhalb konvexer Flächen 42 angeordnet und jede konkave Fläche 44 hat einen kleineren Krümmungsradius als die konvexe Fläche 42, in der sie überlagert ist.
  • [0026] Die konkaven und konvexen Flächen 42 können, sofern es das gewünschte Beleuchtungsmuster erfordert, ausgetauscht werden. Das bedeutet, daß eine konvexe Fläche mit relativ kleinem Krümmungsradius innerhalb einer konkaven Fläche mit größerem Krümmungsradius angeordnet sein kann. Zusätzlich können zwei oder mehr konkave Flächen 44 mit der einzelnen konkaven Fläche 42 kombiniert werden (oder zwei oder mehr konvexe Flächen können mit einer einzelnen konkaven Fläche kombiniert werden).
  • [0027] Die konkave Fläche 44 streut durch sie geleitetes Licht und die konvexe Fläche 42 fokussiert durch sie geleitetes Licht.
  • [0028] Die konkave Fläche 44 und die konvexe Fläche 42 können einzelne kreisförmige Linsenelemente umfassen oder können gekrümmte längliche Flächen umfassen, die Ausschnitte aus zylindrischen Flächen darstellen.
  • [0029] Wie in Fig. 6 dargestellt ist, kann der hintere Abschnitt 612 der Trennoptikeinrichtung 610 eine Mehrzahl von zwischen benachbarten umlenkenden Abschrägunen 20 angeordneten, direktdurchlassenden Fresnel-Flächen 46 umfassen. Jede Fresnel-Fläche 46 umfaßt eine Mehrzahl von Facetten, die um eine gemeinsame Achse, d. h. die optische Achse der Fläche, gedreht sein können, oder kann parallele lineare Facetten umfassen, die sich durch den Zwischenbereich zwischen umlenkenden Abschrägungen 20 erstrecken.
  • [0030] Die Erfindung wurde in anschaulicher Weise beschrieben, und es versteht sich, daß der Sinn der verwendeten Terminologie eher im Wesen der Worte der Beschreibung als in der Beschränkung liegt.
  • [0031] Für den Fachmann ist es nun offensichtlich, daß viele Modifikationen und Abwandlungen der vorliegenden Erfindung im Lichte der vorstehenden Lehren möglich sind. Es versteht sich daher, daß die Erfindung im Umfang der angefügten Ansprüche anders ausgeführt werden kann als konkret beschrieben.

Claims (10)

1. Trennoptikeinrichtung (10) mit einem transparenten einteiligen Körperabschnitt (14), der sich zwischen einem ersten und einem zweiten Ende (23, 25) erstreckt, wobei der Körperabschnitt einen vorderen Abschnitt, der eine vordere Beleuchtungsfläche (22) bildet, einen hinteren Abschnitt (12), der mehrere schräge umlenkende Abschrägungen (20) aufweist, die durch Zwischenbereiche (18) getrennt sind, und ein optisches Element (60) aufweist, das innerhalb wenigstens einem der Zwischenbereiche angeordnet ist, wobei die Abschrägungen von dem ersten oder dem zweiten Ende empfangenes Licht in Richtung der vorderen Beleuchtungsfläche umlenken und streuen und das optische Element von dem Zwischenbereich empfangenes Licht direkt in Richtung der vorderen Beleuchtungsfläche leitet.
2. Trennoptikeinrichtung (10) nach Anspruch 1, die außerdem mehrere optische Elemente (60) aufweist, die an jedem der Zwischenbereiche (18) angeordnet sind, um Licht zu der vorderen Beleuchtungsfläche (22) zu leiten.
3. Trennoptikeinrichtung (10) nach Anspruch 2, bei der die vordere Beleuchtungsfläche (22) insgesamt eben ist, die Zwischenbereiche (18) insgesamt parallel zu der ebenen vorderen Beleuchtungsfläche (22) im Abstand angeordnet sind, und die umlenkenden Abschrägunen (20) durch die Zwischenbereiche (18) im Abstand angeordnet sind und eine reflektive Fläche (30) aufweisen, die insgesamt schräg zu der vorderen Fläche und den Zwischenbereichen verläuft.
4. Trennoptikeinrichtung (10) nach Anspruch 3, bei der sich die Zwischenbereiche (18) zur Bildung eines keilförmigen Körperabschnitts, der sich in Längsrichtung von einem ersten breiten Ende (23) zu einem zweiten distalen Ende (25) erstreckt, von einer Vorderkante einer der Abschrägungen (20) zu einer Hinterkante der angrenzenden Abschrägung (20) erstrecken.
5. Trennoptikeinrichtung (10) nach Anspruch 4, bei der die vordere Beleuchtungsfläche (22) eine Abdecklinse (24) aufweist, um das von den Abschrägungen (20) und den optischen Elementen (60) gerichtete Licht in ein vorher bestimmtes Muster zu formen.
6. Trennoptikeinrichtung (10) nach Anspruch 4, bei der die umlenkenden Abschrägungen (20) eine im Vakuum abgeschiedene Aluminiumbeschichtung aufweisen.
7. Trennoptikeinrichtung (310) nach Anspruch 4, bei der die optischen Elemente (60) eine konkave Fläche (40) aufweisen, die sich zwischen den angrenzenden umlenkenden Abschrägungen (20) erstreckt.
8. Trennoptikeinrichtung (410) nach Anspruch 4, bei der die optischen Elemente (60) eine konvexe Fläche (41) aufweisen, die sich zwischen den angrenzenden umlenkenden Abschrägungen (20) erstreckt.
9. Trennoptikeinrichtung (510) nach Anspruch 4, bei der die optischen Elemente (60) einen konvexen Flächenabschnitt (42) und einen konkaven Flächenabschnitt (44) aufweisen, die sich zwischen den angrenzenden umlenkenden Abschrägungen (20) erstrecken.
10. Trennoptikeinrichtung (610) nach Anspruch 4, bei der die optischen Elemente (60) mehrere Abschrägungen (46) aufweisen, die schräg zu der ebenen vorderen Beleuchtungsfläche (22) zwischen angrenzenden umlenkenden Abschrägungen (20) angeordnet sind.
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