DE69935547T2 - Mit Vertiefungen versehner, optischer Verteiler für Fahrzeug-Beleuchtungssystem - Google Patents

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    • G02B6/0048—Tapered light guide, e.g. wedge-shaped light guide with stepwise taper

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches Element für ein Fahrzeugbeleuchtungssystem und insbesondere auf einen mit Einbuchtungen versehenen Lichtsammler für derartige optische Elemente.
  • Herkömmliche Lichtübertragungssysteme für Fahrzeugbug- oder -Heckleuchten beinhalten typischerweise eine Birne und ein Reflektorsystem. In einem Birne-und-Reflektorsystem ist der Glühdraht der Birne im oder nahe dem Brennpunkt eines Parabolreflektors angeordnet. Das von dem Glühdraht der Birne abgegebene Licht wird vom Reflektor gesammelt und unter Bildung eines Lichtstrahles nach außen abgestrahlt. Eine Linse wird dazu eingesetzt, den Lichtstrahl zu einem vorgegebenen Muster in Form zu bringen, das den Fahrzeugbeleuchtungsvorgaben entspricht. In einem typischen Anwendungsfall im Kraftfahrzeug sammelt und reflektiert ein herkömmliches Birne-und-Reflektorsystem nur ca. dreißig Prozent des vom Glühdraht der Birne erzeugten Lichtes auf den nutzbaren Beleuchtungsbereich.
  • Systeme aus Glühbirne und Reflektor haben mehrere Nachteile, einschließlich der mit der Aerodynamik und dem ästhetischen Design verbundenen Nachteile. So ergeben sich z.B. durch die Tiefe eines Reflektors entlang seiner Brennachse sowie die Höhe des Reflektors in den zur Brennachse rechtwinkligen Richtungen starke Einschränkungen bei dem Versuch, die Fahrzeugkonturen stromlinienförmiger zu gestalten. Zusätzlich dazu muß die von der Glühbirne im Betrieb abgegebene Wärmeenergie berücksichtigt werden. Die Größe des Reflektors sowie der Werkstoff, der zu seiner Herstellung eingesetzt wird, variieren sehr stark je nach dem Grad der vom Glühdraht in der Birne erzeugten Wärmeenergie. Eine Verringerung der Reflektorgröße erfordert den Einsatz von Werkstoffen mit hoher Wärmebeständigkeit für den Reflektor.
  • Ein Ansatz, ein Kraftfahrzeugbeleuchtungssystem für den Einsatz in Verbindung mit neueren stromlinienförmigeren Karosseriekonstruktionen zu entwickeln, ist in der U.S.-Patentschrift Nr. 5,434,754 vorgeschlagen worden, die der Anmelderin der vorliegenden Erfindung erteilt worden ist, und welche die Kombination eines Licht von einer entfernten Lichtquelle übertragenden faseroptischen Lichtleiters mit einem optischen Element offenbart, welches einen parabolischen Reflektor, einen Lichtsammler und einen Abstrahler aufweist. Ein Lichtsammler ist erforderlich, um das einströmende Licht aufzubrechen, so daß es über bzw. durch den Abstrahler verteilt werden kann. Ein Problem bei einer derartigen Anordnung ist, daß der Sammler etwa ein drittel des Gesamt-Bauraumes oder "Fußabdruckes" des optischen Elements in Anspruch nimmt. Der vom Sammler beanspruchte, nicht beleuchtete Bereich stellt für den Konstrukteur bei der Betrachtung der begrenzten Packungs- und Bauraumbedingungen, die mit der Konstruktion eines Fahrzeuges verbunden sind, einen zusätzlichen Zwang dar.
  • Es ist daher wünschenswert, ein mittels Laser beleuchtetes Beleuchtungssystem mit gleichförmig starker Dünnschichtoptik für ein Fahrzeug zu stellen, das sowohl den Herstellungs- und thermischen Anforderungen gerecht wird als auch mit den durch die Anforderung der Aerodynamik und der Formgestaltung von Fahrzeugen gegebenen Einschränkungen vereinbar ist.
  • Die vorliegende Erfindung liefert ein Fahrzeugbeleuchtungssystem mit einer Lichtquelle zur Erzeugung von Licht, und ein einteiliges optisches Element mit einer an die Lichtquelle angrenzenden Licht-Kollimatorfläche; mehreren, von der Kollimatorfläche aus vorstehenden Stufenflächen, wovon jede Stufenfläche eine Reflektorfläche aufweist, welche in einem Winkel in Bezug auf die Kollimatorfläche angeordnet ist, zur Aufnahme des parallel gebündelten Lichts; einer im Winkel in bezug auf die Stufenflächen angeordnete Fläche, welche Fläche mehrere, in bezug auf die Stufenflächen ausgerichtete Einbuchtungen zur Streuung des von dieser empfangenen parallel gebündelten Lichtes aufweist, und eine Abstrahlscheibe unmittelbar angrenzend an diese Fläche, mit mehreren reflektierenden Facetten, welche ausgelegt sind, gestreutes Licht aufzunehmen und durch die Frontfläche hindurch abzulenken.
  • Die besagten mehreren Einbuchtungen sind in ihrer Form vorzugsweise im wesentlichen sphärisch oder zylindrisch.
  • Ein die vorliegende Erfindung verkörperndes optisches Dünnschichtelement kann als Heckleuchte mit verringerten Gesamtabmessungen oder "Fußabdruck" ausgebildet sein. Die mit Einbuchtungen versehene Oberfläche erfüllt die Lichtstreufunktion bisheriger Lichtsammlerkonstruktionen, nimmt aber nur einen Bruchteil der Größe in Anspruch, so daß der Gesamtraumbedarf der Heckleuchte reduziert wird, und eine größere Flexibilität in der Fahrzeugkonstruktion erzielt wird.
  • Die Erfindung soll nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beispielartig näher erläutert werden; dabei zeigt:
  • 1: eine perspektivische Ansicht eines Kraftfahrzeuges mit einem Fahrzeugbeleuchtungssystem;
  • 2: eine perspektivische Ansicht eines die vorliegende Erfindung verkörpernden optischen Elements für ein Fahrzeugbeleuchtungssystem;
  • 3: eine vergrößerte perspektivische Darstellung des eingekreisten Abschnittes 3 in 2, welcher die vorliegende Erfindung verkörpert;
  • 4: eine Frontansicht eines die vorliegende Erfindung verkörpernden Dünnschicht-Optikelements mit gleichförmiger Stärke;
  • 5: eine vergrößerte Frontansicht des eingekreisten Bereiches 5 in 4, welcher die vorliegende Erfindung verkörpert;
  • 6: eine Seitenansicht des Sammlerteils des die vorliegende Erfindung verkörpernden optischen Elements; und
  • 7: eine vergrößerte Seitenansicht des eingekreisten Bereiches 7 in 6, welcher die vorliegende Erfindung verkörpert.
  • Es sei nun Bezug genommen auf die Zeichnungen und insbesondere auf die 1 und 2 darunter, wo ein Kraftfahrzeug 10 mit einem Fahrzeugbeleuchtungssystem dargestellt ist, welches in Kombination eine entfernt gelegene Lichtquelle 12, einen faseroptischen Lichtleiter 14 und ein optisches Element 16 aufweist. Das optische Element 16 der vorliegenden Erfindung ist als Heckleuchte ausgebildet, es kann aber auch als Bugleuchte ausgebildet sein oder für andere Fahrzeugbeleuchtungseinsätze verwendet werden, wie der Fachmann auf dem Gebiet der Fahrzeugbeleuchtung leicht erkennen wird. Die in 1 gezeigte Ausbildung ist daher nur zur Veranschaulichung gedacht und ist nicht einschränkend zu verstehen.
  • Wie 1 zeigt, ist die entfernte Lichtquelle 12 vorzugsweise ein Diodenlaser. Die entfernte Laserlichtquelle 12 wird unter Berücksichtigung der Anforderungen der Fahrzeugkonstruktion und der leichten Herstellbarkeit mit besonderem Bezug auf die spezifischen beleuchtungstechnischen Ziele im Kraftfahrzeug 10 untergebracht. Eine mögliche Anbringung für die entfernte Laserlichtquelle 12 ist der (nicht dargestellte) Motorraum. Es wird vorzugsweise eine einzelne Diodenlaserlichtquelle verwendet, es können aber auch andere Typen von entfernten Lichtquellen eingesetzt werden, ohne sich dadurch von dem Bereich der vorliegenden Erfindung zu entfernen. Alternativ dazu können auch mehrere Laserlichtquellen oder LED mit hoher Lichtintensität direkt am optischen Element 16 angrenzend positioniert werden.
  • Vorzugsweise wird ein faseroptischer Lichtleiter 14 eingesetzt, um Licht von der entfernten Laserlichtquelle 12 zum optischen Element 16 zu leiten, wie in 1 dargestellt ist. Der Lichtleiter hat ein erstes Ende 34 und ein zweites Ende 36. Durch die große Helligkeit (Candela pro Flächeneinheit) des Diodenlasers kann ein Lichtleiter mit nur kleinem Durchmesser (0,1–1,0 mm) verwendet werden, um Licht an jedes optische Element 16 weiterzuleiten.
  • Das optische Element 16, wie es in 2 dargestellt ist, ist vorzugsweise eine dünne Schicht mit gleichbleibender Stärke, es kann aber auch eine dünne Schicht mit zunehmender Stärke sein, ohne daß dadurch der Bereich der vorliegenden Erfindung verlassen wird. Element 16 ist vorzugsweise aus einem transparenten vollen Kunststoffteil hergestellt, z.B. aus Polycarbonat, und bringt das Prinzip der internen Totalreflexion (ITR) zum Einsatz, um Licht zu reflektieren. ITR wird weiter unten noch im einzelnen erläutert. Andere Transparentwerkstoffe wie Acrylkunststoffe können ebenfalls verwendet werden, ohne dabei den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Das optische Element 16 hat einen Lichtsammler 18 zur Expandierung des Laserlichtes und einen Abstrahler 20 zur Ableitung des Lichtes aus dem optischen Element 16 hinaus.
  • Wie die 3 bis 6 zeigen, ist der Lichtsammler 18 ein längliches Gebilde mit einer Kollimatorfläche 22, einem Lichtverteilerabschnitt 24 und einem Licht streuabschnitt 26. Die Kollimatorfläche 22, die an einem Ende des Sammlers 18 angeordnet ist, ist vorzugsweise eine parabolische Oberfläche mit einer Brennachse 27. Die Kollimatorfläche 22 kann auch ein Beugungsgitter sein, wie es in der Technik bekannt ist, oder jede andere Art von Licht-Kollimatorvorrichtung, ohne damit den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die Oberfläche 22 hat jeweils eine obere und eine untere Endkante 28 und 30, die eine vorgegebene Höhe der Fläche bestimmen. Die Fläche 22 ist ausgelegt, Lichtstrahlen 31 mit einem vorgegebenen Streuwinkel über die Höhe der Oberfläche zu empfangen, und die Lichtstrahlen 31 parallel zur Brennachse 27 zu bündeln.
  • Wie die 3–6 zeigen, besteht der Lichtverteilungsabschnitt 24 vorzugsweise aus mehreren ansteigenden Stufen, wobei jede Stufe eine ebene Stufenfläche 32 und eine Reflektorfläche 38 hat. Die erste Stufe steht von der unteren Endkante 30 ab, und die Gesamthöhe der Stufen ist vorzugsweise gleich der vorgegebenen Höhe der Kollimatorfläche 22. Jede ebene Stufenfläche 32 liegt vorzugsweise parallel zur Brennachse 27, und jede Reflektorfläche 38 steht vorzugsweise in einem Winkel in bezug auf die Brennachse 27. Es können eine Reihe von Winkeln für die Reflektorfläche 38 verwendet werden, je nach dem besonderen Einsatzfall, für die vorliegende Erfindung beträgt der Winkel jedoch vorzugsweise 45 Grad. Die Reflektorflächen 38 sind ausgelegt, parallel gebündeltes Licht zu empfangen, und das parallel gebündelte Licht in einem Winkel von 90 Grad abzulenken, so daß das Licht senkrecht zur Brennachse 27 abgelenkt wird.
  • Wie die 3–6 zeigen, hat der Lichtstreuabschnitt 26 vorzugsweise eine Streufläche 40 mit mehreren daran ein- bzw. angeformten Einbuchtungen oder Grübchen 42. Die Streuflächen 40 sind in einem Winkel in bezug auf die Stufenflächen 32 angeordnet. Ein bevorzugter Bereich von Winkeln für die Streuflächen 40 liegt bei 35–45 Grad. Der Winkel der Flächen wird mit Bezug auf die besonderen Konstruktionsanforderungen des optischen Elements 16 gewählt, und insbesondere auf einen solchen Winkel eingestellt, der die Ausleuchtung des Abstrahlers 20 optimiert.
  • Der Streuabschnitt 26 hat eine Länge, die im wesentlichen gleich der Gesamtlänge aller Stufenflächen 32 ist. Wie 6 zeigt, sind die entlang der Länge der Streufläche 40 angeordneten Einbuchtungen oder Grübchen 42 so positioniert, daß sie mit einer entsprechenden Reflektorfläche 38 korrespondieren. Insbesondere sind die Einbuchtungen 42 so in bezug auf die Reflektorflächen 38 positioniert, daß eine Achse 44, vorzugsweise rechtwinklig zur Brennachse 27, sowohl die Einbuchtungen 42 als auch die Reflektorflächen 38 schneidet, wie die 6 und 7 zeigen. Die Einbuchtungen 42 sind mit ihrer gekrümmten Einbuchtungsfläche 43 so ausgelegt, daß sie parallel gebündeltes Licht an verschiedenen Stellen entlang der Einbuchtungsfläche 43 empfangen. Wie am deutlichsten aus der 7 zu erkennen ist, reflektiert die gekrümmte Einbuchtungsfläche 43 Licht unter einem für jede Lichteinfallsstelle entlang der Einbuchtungsfläche 43 spezifischen Winkel. Der Einfalls- bzw. Schnittpunkt zwischen dem parallel gebündelten Licht und der Einbuchtungsfläche 43 wirkt auf diese Weise so, daß das Licht in die Abstrahlscheibe 20 hinein gestreut wird. Die gekrümmten Einbuchtungen 42 sind in ihrer Form vorzugsweise sphärisch ausgebildet, sie können aber auch zylindrisch sein oder irgendeine andere gekrümmte Gestalt aufweisen, um die Lichtstreufunktion zu erfüllen.
  • Die Abstrahlscheibe 20 hat, wie es in den 2 und 4 veranschaulicht ist, eine Frontfläche 46, eine Rückenfläche 48 und eine Seitenumfangsfläche 50. Die Frontfläche 46 verläuft vorzugsweise allgemein parallel zur Rückenfläche 48. Die Seitenumfangsfläche 50 steht allgemein senkrecht sowohl zur Front- als auch zur Rückenfläche 46, 48 und hat eine vorgegebene Seitenflächenlänge. An der Rückenfläche 48 sind mehrere mikrooptische Keilformen 52 ausgebildet. Die mikrooptischen Keile 52 können auch an der Frontfläche 46 ausgebildet sein, ohne daß dadurch der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen würde. Jeder mikrooptische Keil 52 hat eine Mikroreflektorfläche 54 mit einem vorgegebenen Winkel gegenüber der Frontfläche 46. Der vorgegebene Winkel kann von einem mikrooptischen Keil 52 zum anderen variieren, je nach dem gewünschten Strahlengangmuster. Die Abstrahlfläche 20 hat vorzugsweise ein gekrümmtes Profil und reicht in ihrer Stärke von 10 μm bis 6 mm. Für den Abstrahler 20 können verschiedene gekrümmte Profile verwendet werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Das erste Ende 34 jedes faseroptischen Lichtleiters ist über eine (nicht dargestellte) Lichtkupplung, wie sie in der Technik bekannt sind, an der entfernten Laserlichtquelle 12 angeschlossen. Das zweite Ende 36 jedes faseroptischen Lichtleiters ist vorzugsweise unmittelbar angrenzend an der Kollimatorfläche 22 des Lichtsammlers 18 angeordnet. Der Lichtsammler 18 ist vorzugsweise einteilig mit dem Abstrahler 20 geformt. Ein Teil der Umfangsseitenfläche 50 liegt angrenzend an der Streufläche 40 des Sammlers 18. Die Laserlichtquelle 12 kann auch unmittelbar am Sammler 18 anliegend angeordnet werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu sprengen.
  • Im Betrieb wird Licht von der entfernten Laserlichtquelle 12 ausgestrahlt, durch den faseroptischen Lichtleiter 14 über die Lichtkupplungen empfangen, durch ITR in dem faseroptischen Lichtleiterbündel 14 weitergeleitet und am zweiten Ende 36 ausgestrahlt, so daß es auf die Kollimatorfläche 22 trifft; diese Kombination ist in 1 dargestellt. Wie die 2, 3 und 6 zeigen, bündelt die Kollimatorfläche 22 das Licht parallel in mehreren Lichtstrahlen 31 parallel zur Brennachse 27. Die derart parallel gebündelten Lichtstrahlen 31 werden auf den Lichtstreuabschnitt 24 übertragen. Die Reflektorflächen 38 leiten das Licht senkrecht zur Brennachse 27 um in Richtung auf die Einbuchtungen 42 der Streufläche 40. Wie 7 zeigt, wird das parallel gebündelte Licht von den Einbuchtungen 42 zum Abstrahler 20 hin gestreut. Wie 2 zeigt, wird das Licht wenigstens einmal von der Frontfläche 46 reflektiert und auf die besagten mehreren mikrooptischen Keile 52 der Rückenfläche 48 abgelenkt. Das auf die mikrooptischen Keile 52 treffende Licht wird durch ITR durch die Frontfläche 46 hindurch aus dem optischen Element 16 hinaus abgelenkt.
  • Interne Totalreflexion (ITR) des Lichtes tritt dann auf, wenn ein Einfallswinkel Π des Lichtes auf eine Oberfläche einen kritischen Winkel Πc überschreitet, der durch die Gleichung Πc = sin–1(n1/n2) gegeben ist, worin n1 die Brechungszahl der Luft ist, und n2 ist die Brechungszahl des Kunststoffes. Die Kunststoff-Luft-Grenzfläche kann bei Bedarf metallbeschichtet werden, um die Reflexion von Licht aus dem Kunststoffmedium hinaus zu verhindern.

Claims (9)

  1. Beleuchtungssystem für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug, folgendes aufweisend: eine Lichtquelle (12) zur Erzeugung von Licht; und ein einteiliges optisches Element (16) mit: einer an die Lichtquelle angrenzenden Licht-Kollimatorfläche (22); mehreren, von der Kollimatorfläche (22) aus vorstehenden Stufenflächen (32), wovon jede Stufenfläche (32) eine Reflektorfläche (38) aufweist, welche in einem Winkel in bezug auf die Kollimatorfläche (22) angeordnet ist, zur Aufnahme des parallel gebündelten Lichts; und eine Abstrahlscheibe (20) mit einer Frontfläche (46) und einer Rückenfläche (48) mit mehreren reflektierenden Facetten (52, 54), welche ausgelegt sind, gestreutes Licht aufzunehmen und durch die Frontfläche hindurch abzulenken, dadurch gekennzeichnet, daß es des weiteren eine Streufläche (40) aufweist, welche in einem Winkel in bezug auf die Stufenflächen (32) angeordnet ist, wobei die Streufläche mehrere Einbuchtungen (42) aufweist, die gegenüber den Reflektorflächen (38) so ausgerichtet sind, daß sie das von den Reflektorflächen (38) empfangene parallel gebündelte Licht streuen.
  2. Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, worin das gestreute Licht von der Frontfläche (46) zurückgestrahlt wird, bevor es auf die mehreren reflektierenden Facetten (52, 54) gelenkt wird.
  3. Beleuchtungssystem nach Anspruch 1 oder 2, worin das einteilige optische Element (16) aus einem optisch transparenten Polymermaterial besteht.
  4. Beleuchtungssystem nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, worin die Abstrahlscheibe (20) eine Stärke zwischen 10 μm und 6 mm aufweist.
  5. Beleuchtungssystem nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, worin besagte Lichtquelle (12) ein Diodenlaser ist.
  6. Beleuchtungssystem nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, worin besagte mehrere Einbuchtungen (42) im wesentlichen sphärisch oder zylindrisch ausgebildet sind.
  7. Beleuchtungssystem nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, worin das einteilige optische Element (16) eine äußere Linse für eine Fahrzeugleuchte ist.
  8. Beleuchtungssystem nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, worin die Licht-Kollimatorfläche (22) eine gekrümmte Fläche ist, mit einer Brennachse (27), die in unmittelbarer Nähe der Lichtquelle (12) liegt, so daß das Licht parallel gebündelt wird.
  9. Beleuchtungssystem nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche mit wenigstens einem Lichtleiter (14) zur Übertragung von Licht von der entfernten Lichtquelle (12) aus, wobei der Lichtleiter (14) ein erstes Ende (34) und ein zweites Ende (36) aufweist, wobei das erste Ende (34) mit der entfernten Lichtquelle (12) verbunden ist.
DE69935547T 1998-03-03 1999-02-22 Mit Vertiefungen versehner, optischer Verteiler für Fahrzeug-Beleuchtungssystem Expired - Lifetime DE69935547T2 (de)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
US33757 1998-03-03
US09/033,757 US6036340A (en) 1998-03-03 1998-03-03 Dimpled manifold optical element for a vehicle lighting system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE69935547D1 DE69935547D1 (de) 2007-05-03
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US (1) US6036340A (de)
EP (1) EP0940625B1 (de)
DE (1) DE69935547T2 (de)

Cited By (1)

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