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Die Erfindung betrifft ein refraktives optisches Element zur Formung eines Lichtbündels und ein Leuchtmodul mit einem refraktivem optischen Element.
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Refraktive optische Elemente dienen dazu, Licht zu kollimieren beziehungsweise Lichtbündel zu formen. Sie finden beispielsweise in Leuchtmodulen, Scheinwerfern oder sonstigen Beleuchtungseinrichtungen Verwendung.
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Bekannte, konventionelle refraktive optische Elemente sind beispielsweise Linsen, welche einen Linsenkörper und in der Regel eine optische Achse aufweisen. Sammellinsen weisen dabei die wesentliche Eigenschaft auf, Lichtbündel parallel zur optischen Achse auf einen Brennpunkt auf der optischen Achse zu konstruieren. Zerstreuungslinsen formen ein Parallellichtbündel in ein divergierendes Lichtbündel um.
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Für manche Anwendungen kann es jedoch wünschenswert sein, ein Lichtbündel parallel zu einer optischen Achse in einen Bereich zu konzentrieren, welcher nicht auf der optischen Achse liegt (also keinen Brennpunkt formt), jedoch ebenfalls eine wohldefinierte Begrenzung aufweist. Solche im Folgenden nichttrivial genannte Lichtverteilungen ermöglichen beispielsweise neuartige Beleuchtungskonzepte und maßgeschneiderte Spot-Formen.
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Um dies mit konventionellen Linsen zu erzielen, sind meist vergleichsweise aufwändige Anordnungen mit mehreren Linsen, mit Lichtleitern, mit Prismen und/oder mit Spiegeln beziehungsweise Reflektoren erforderlich. Solche Lösungen sind aufgrund der Vielzahl der Komponenten und der Komplexität des Aufbaus oftmals teuer. Ferner weisen solche Anordnungen in der Regel eine unerwünschte Dämpfung für das durchtretende Licht auf und können daher die optische Effizienz einer Beleuchtungseinrichtung mit einer solchen Anordnung verringern.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, auf einfache Weise die oben angesprochenen nichttrivialen Lichtverteilungen zu erzeugen und nutzbar zu machen.
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Diese Aufgabe wird durch ein refraktives optisches Element nach Anspruch 1, sowie durch ein Leuchtmodul nach Anspruch 9 gelöst.
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Dabei ist die Rotationsbasisfläche derart ausgebildet, dass von dem Grundkörper eine von einer gedachten, im optischen Zentrum angeordneten, annähernd punktförmigen Lichtquelle ausgestrahlte Lichtverteilung in ein von gedachten Randstrahlen begrenztes Ausgangslichtbündel abbildbar sind, dessen Randstrahlen eine Mehrzahl von Kegelmantelflächen bilden und sich in drei voneinander abweichenden Brennlinien schneiden.
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Dieses erfindungsgemäße optische Element ermöglicht es, ein divergierendes Lichtbündel in eine „konzentrierte“ Lichtverteilung, insbesondere in einen begrenzten Raumwinkelbereich abzubilden. Grundsätzlich wird dabei jedes von dem optischen Zentrum ausgestrahlte Lichtbündel, insbesondere auch ein divergierendes Lichtbündel, in einen definierten, von Kegelmantelflächen begrenzten Raumwinkelbereich abgelenkt. Es handelt sich insofern um ein unkonventionelles refraktives optisches Element der eingangs angesprochenen Art, welches entsprechend definierte Abbildungseigenschaften aufweist und so die eingangs genannte Aufgabe auf einfache Weise löst.
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Bei dem erfindungsgemäßen optischen Element ist das Bild einer Punktlichtquelle durch mehrere Kegelmantelflächen begrenzt. Insbesondere kann eine im Wesentlichen homogene Lichtabstrahlung in einen Halbraum (wie sie beispielsweise von einer LED abgegeben wird) in eine „konzentrierte“ Lichtverteilung, das heißt eine auf einen bestimmten Raumwinkelbereich begrenzte Lichtverteilung abgebildet werden.
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Mit dem optischen Element ist es möglich, den Lichtstrom einer gedachten, im optischen Zentrum angeordneten Lichtquelle, zwischen verschiedenen Kegelmantelflächen aufzuteilen. Außerdem ist es möglich, dass verschiedene gedachte Teillichtbündel des Ausgangslichtbündels zwischen verschiedenen Kegelmantelflächen von verschiedenen Lichtströmen gespeist werden.
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Im vorliegenden Sinne kann eine „konzentrierte“ Lichtverteilung zwar als Ganzes in Bezug auf die optische Achse des optischen Elements divergent sein, jedoch in sich, insbesondere bezüglich der Basissymmetrieachse, konvergente Teillichtbündel aufweisen. Dabei ist es nicht ausgeschlossen, dass neben den genannten, durch Kegelmantelflächen begrenzten Bündeln auch noch andere Ausgangslichtbündel entstehen. Beispielsweise können je nach Ausgestaltung des Grundkörpers auch noch Zentrallichtbündel um die optische Achse ausgebildet werden.
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Unter einem Rotationskörper werden im vorliegenden Fall Körper verstanden, die durch Rotation einer erzeugenden Kurve - hier die Rotationsbasisfläche - um eine Rotationsachse - hier die optische Achse - gebildet werden. Die erzeugende Kurve liegt dabei ebenso wie die Rotationsachse in einer gemeinsamen Ebene. Das refraktive optische Element weist einen rotationssymmetrischen Grundkörper auf. Damit ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass das optische Element als Ganzes zusätzlich weitere optisch aktive, das heißt refraktiv wirksame Materialbereiche, aufweist, welche die Rotationssymmetrie der Gesamtheit des refraktiven optischen Elements brechen.
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Aufgrund ihrer Spiegelsymmetrie ist die Rotationsbasisfläche derart ausgebildet, dass ein durch Rotation der Rotationsbasisfläche um ihre Basissymmetrieachse erzeugter Rotationskörper (im Folgenden „Basislinse“ genannt) selbst definierte, refraktive optische Eigenschaften aufweist und insbesondere Linseneigenschaften hat.
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Der Grundkörper weist um die optische Achse- je nach Form der Rotationsgrundfläche - eine mehr oder weniger kegelförmige Zentralausnehmungen auf. Diese kegelartige Zentralausnehmung hat einen Öffnungswinkel, welcher im Wesentlichen durch den Basiskippwinkel φ bestimmt wird.
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Dies gilt insbesondere dann, wenn die Rotationsgrundfläche eine dem optischen Zentrum zugewandte gerade Begrenzungslinie aufweist.
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Aufgrund der Zentralausnehmung ist es möglich, das erfindungsgemäße optische Element über einer beispielsweise im optischen Zentrum angeordneten Lichtquelle derart anzuordnen, dass ein Großteil des von der gedachten Lichtquelle ausgesandten Lichtes mit dem optischen Element aufgefangen werden kann. Somit ermöglicht das erfindungsgemäße optische Element die Konstruktion von Beleuchtungseinrichtungen mit hoher optischer Effizienz.
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Ein als Rotationskörper ausgestalteter Grundkörper kann außerdem vorteilhaft im Spritzgussverfahren hergestellt werden. Insofern ist nur darauf zu achten, dass ein aus der Rotationsbasisfläche gebildeter Rotationskörper die dem Fachmann bekannten Anforderungen an beispielsweise Wandstärke erfüllt. Ist dies der Fall, so erfüllen auch die Wandstärken des erfindungsgemäßen optischen Elements diese Anforderungen, da eine Rotation um die optische Achse die Wandstärken beeinflussen lässt.
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Zumindest der Grundkörper, oder aber auch das gesamte refraktive optische Element, sind aus einem optischen Linsenmaterial ausgebildet, beispielsweise ein transparentes Material mit größerer optischer Dichte (größerem Brechungsindex) als Luft, beispielsweise Glas oder Kunststoffe wie Acrylglas oder Polycarbonat.
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Zur weiteren Ausgestaltung des optischen Elementes ist die Rotationsbasisfläche in Richtung senkrecht zur Basissymmetrieachse von wenigstens einem Lateralgrenzpunkt derart begrenzt, dass eine gedachte Verbindungslinie von dem Lateralgrenzpunkt zum optischen Zentrum mit der Basissymmetrieachse einen Erfassungswinkel (α) einschließt, welcher kleiner oder gleich oder größer als der Basiskippwinkel ausgebildet ist.
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Der Erfassungswinkel hat dabei die anschauliche Bedeutung, dass eine durch Rotation der Rotationsbasisfläche um die Basissymmetrieachse (anstelle der optischen Achse) erzeugte Basislinse (beziehungsweise eine Linse mit einem derartig definierten Linsengrundkörper) nur solche von dem optischen Zentrum ausgehenden rotationssymmetrischen Lichtbündel erfassen kann, welche einen Öffnungswinkel von kleiner oder gleich dem Erfassungswinkel zur Basissymmetrieachse einschließt. Der Grundkörper des hieraus gebildeten erfindungsgemäßen optischen Elements erfasst insofern nur Licht, das ausgehend vom optischen Zentrum zwischen zwei Kegelmantelflächen ausgestrahlt wird, welche mit einer durch Rotation der Basissymmetrieachse um die optische Achse gebildeten Kegelmantelfläche den Erfassungswinkel (α) einschließen.
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Mit anderen Worten weist die Rotationsbasisfläche eine Lateralausdehnung (nämlich den Abstand des Lateralgrenzpunktes von der Basissymmetrieachse) in Richtung senkrecht zur Basissymmetrieachse derart auf, dass ein Erfassungswinkel α derart definiert ist, dass ein von dem optischen Zentrum ausgehendes gedachtes Lichtbündel nur durch das Linsenmaterial des Grundkörpers tritt, wenn es unter einem Winkel kleiner oder gleich dem Erfassungswinkel α zur Basissymmetrieachse ausgestrahlt wird, wobei der Erfassungswinkel kleiner oder gleich oder größer als der Basiswinkel (φ) gewählt ist.
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Je nach Wahl des Erfassungswinkels im Verhältnis zum Basiskippwinkel können unterschiedliche, je nach Situation vorteilhafte Effekte bereitgestellt werden. Wird der Erfassungswinkel kleiner als der Basiskippwinkel gewählt, so weist der durch Rotation gebildete Grundkörper eine materialfreie Durchtrittsöffnung um die optische Achse auf. Ausgehend vom optischen Zentrum verläuft daher ein Lichtstrahl, welcher in einem Winkel kleiner als die Differenz aus dem Basiskippwinkel (φ) und dem Erfassungswinkel (α) zur optischen Achse ausgestrahlt wird, ohne Durchtritt durch Linsenmaterial. Dies kann vorteilhaft sein, wenn ein von einer auf der optischen Achse angeordneten Lichtquelle ausgesandtes Zentrallichtbündel das optische Element ungehindert passieren können soll.
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Wird der Erfassungswinkel gleich dem Basiskippwinkel gewählt, so weist der durch Rotation gebildete Grundkörper einen auf der optischen Achse liegenden Dünnbereich mit einer nahezu verschwindenden Dicke an Linsenmaterial auf. Dies gilt insbesondere, wenn als Rotationsbasisfläche von Begrenzungslinien berandet wird, welche in einem Lateralgrenzpunkt (siehe oben) zusammenlaufen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn ein Sammellinsenquerschnitt gewählt wird. Damit lässt sich mit dem erfindungsgemäßen optischen Element Material einsparen im Vergleich zu beispielsweise einem Axikon.
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Wird der Erfassungswinkel größer als der Basiskippwinkel gewählt, so hat das hieraus gebildete erfindungsgemäße optische Element einen Materialüberstand im Bereich der optischen Achse. Mit einem so gebildeten optischen Element ist eine Strahlformung auch für auf der optischen Achse verlaufende Strahlen möglich.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung ergibt sich dadurch, dass die Rotationsbasisfläche derart ausgebildet ist, dass von dem Grundkörper eine von einer im optischen Zentrum angeordneten gedachten, annähernd punktförmigen Lichtquelle ausgestrahlte Lichtverteilung in ein rotationssymmetrisches gedachtes Ausgangslichtbündel abbildbar ist. Denkbar ist aber auch, dass die Rotationssymmetrie des Ausgangslichtbündels durch eine innere Struktur des optischen Elements, beispielsweise durch Einschlüsse, Material Inhomogenitäten oder durch gezielte Variationen des Brechungsindexes gebrochen ist.
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Zur weiteren Ausgestaltung des optischen Elementes kann die Rotationsbasisfläche derart ausgebildet werden, dass von dem Grundkörper eine von einer gedachten, im optischen Zentrum angeordneten, annähernd punktförmigen Lichtquelle ausgestrahlte Lichtverteilung in ein von Randstrahlen begrenztes Ausgangslichtbündel abbildbar ist, dessen Randstrahlen wenigstens eine erste und eine zweite Kegelmantelfläche bilden, wobei die erste und die zweite Kegelmantelfläche parallel verlaufen. Insofern schließt die erste Kegelmantelfläche mit der zweiten Kegelmantelfläche einen Ausgangsbündelwinkel (φ*) von 0° ein.
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Dies kann insbesondere dadurch erzielt werden, dass als Rotationsbasisfläche ein Sammellinsenquerschnitt gewählt wird, welchem eine Brennweite derart zugeordnet ist, dass der zugehörige Brennpunkt im optischen Zentrum liegt.
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Die Rotationsbasisfläche ist insbesondere derart ausgestaltet, dass die genannte Brennlinie als Kegelschnitt in Bezug auf die optische Achse, insbesondere als Brennkreis, um die optische Achse ausgebildet ist.
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Demgegenüber kann es auch vorteilhaft sein, wenn die Rotationsbasisfläche derart ausgebildet ist, dass von dem Grundkörper eine von einer gedachten, im optischen Zentrum angeordneten, annähernd punktförmigen Lichtquelle ausgestrahlte Lichtverteilung in ein von Randstrahlen begrenztes Ausgangslichtbündeln abbildbar ist, dessen Randstrahlen wenigstens eine erste und eine zweite Kegelmantelfläche bilden, wobei die erste Kegelmantelfläche und die zweite Kegelmantelfläche unter einem Ausgangsbündelwinkel (φ*) divergieren. Hierzu kann die Rotationsbasisfläche beispielsweise einen Sammellinsenquerschnitt aufweisen, welchem eine Brennweite derart zugeordnet ist, dass der Brennpunkt relativ zum optischen Zentrum in der gedachten Ausstrahlrichtung, das heißt in Richtung des Ausgangslichtbündels, versetzt liegt.
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In den vorgenannten Fällen ist der Ausgangsbündelwinkel (φ*) vorzugsweise kleiner als der Erfassungswinkel und/oder der Basiskippwinkel (φ) gewählt. Dabei ist der Ausgangsbündelwinkel gleich Null für parallele Ausgangslichtbündel, und der Ausgangsbündelwinkel kleiner als Null zur Erzeugung der genannten Brennlinie beziehungsweise Brennkreise. Für divergierende Ausgangslichtbündel wird jedoch vorzugsweise ein Ausgangsbündelwinkel größer Null gewählt, wobei jedoch der Ausgangsbündelwinkel kleiner als der Erfassungswinkel ist, da andernfalls das Ausgangslichtbündel den gesamten Halbraum nach dem optischen Element ausfüllen würde.
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Bei dem optischen Element können die verschiedenen Brennlinien in unterschiedlichem Abstand entlang der optischen Achse vom optischen Zentrum angeordnet sein, das heißt die unterschiedlichen Brennlinien entsprechen Abschnitten des Grundkörpers mit abweichenden effektiven Brennweiten. Insbesondere können die Brennlinien, in der vorstehend erläuterten Art verlaufen, das heißt in der Art eines Kegelschnittes oder Brennkreises ausgebildet sein.
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Ein Schneiden der verschiedenen Kegelmantelflächen in verschiedenen Brennlinien kann zum Beispiel dadurch erzielt werden, dass die verschiedenen Kegelmantelflächen verschiedene, insbesondere nicht verschwindende Ausgangsbündelwinkel (φ1, φ2, φ3, ...) derart einschließen, dass sich die Kegelmantelflächen schneiden.
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Vorzugsweise ist die Rotationsbasisfläche dabei derart ausgebildet, dass das genannte, gedachte Ausgangslichtbündel eine Mehrzahl konzentrischer Fokuskreise aufweist.
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Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen optischen Elements ergibt sich dadurch, dass außerdem eine Facette und/oder Streustruktur vorgesehen ist, welche an dem Grundkörper angeordnet oder in dem Grundkörper eingebracht ist. Eine solche Struktur ist insbesondere als Einbuchtung oder Auftragung, beispielsweise als domförmige oder prismenartige Ausbuchtung des Grundkörpers ausgebildet. Die Facette beziehungsweise Streustruktur ist vorzugsweise aus dem Material des Grundkörpers ausgebildet und insbesondere einstückig mit diesem verbunden. Betrachtet man daher die Gesamtheit aus Facette beziehungsweise Streustruktur und Grundkörper, so kann durch die Facette beziehungsweise Streustruktur die Rotationssymmetrie des optischen Elements als Ganzes gebrochen sein.
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Bevorzugterweise weist der Grundkörper eine beispielsweise kegelförmige, kegelähnliche oder torusförmige Zentralausnehmung auf, in welcher die optische Achse verläuft. Insofern kann durch das erfindungsgemäße refraktive optische Element ein Halbraum in Bezug auf das optische Zentrum zu einem großen Teil überdeckt werden. Dies ist vorteilhafterweise auch dann möglich, wenn die Rotationsbasisfläche selbst nur einen vergleichsweise kleinen Erfassungswinkel definiert (wie oben erläutert). Dadurch ist es möglich, durch das optische Element einen Großteil des von einer Lichtquelle im optischen Zentrum abgegebenen Lichts aufzufangen und entsprechend zu formen. Somit ermöglicht das optische Element die Konstruktion von Beleuchtungseinrichtungen mit hoher optischer Effizienz.
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Grundsätzlich kann eine Rotationsbasisfläche mit den vorstehend beschriebenen Eigenschaften als Freiformfläche ausgebildet sein, welche aus dem gewünschten Ausgangslichtbündel einer im optischen Zentrum angeordneten Punktlichtquelle berechenbar ist.
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Die vorstehend beschriebene Ausbildung der Rotationsbasisfläche derart, dass von dem Grundkörper eine von einer im optischen Zentrum angeordneten gedachten Punktlichtquelle ausgestrahlte Lichtverteilung in ein von wenigstens zwei abweichenden Kegelmantelflächen begrenztes Ausgangslichtbündel abbildbar ist, kann insbesondere durch die nachfolgend beschriebenen, konkreten Ausgestaltungen der Rotationsbasisfläche in vorteilhafter Weise erreicht werden.
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So kann die Rotationsbasisfläche beispielsweise linsenartig oder linsenförmig ausgebildet sein, insbesondere zumindest abschnittsweise konvex gekrümmte Begrenzungslinien haben. Durch Rotation einer solchen Rotationsbasisfläche wird ein Grundkörper für das optische Element erzeugt, welcher torusartige Abschnitte mit lichtbündelnden Eigenschaften aufweist.
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Denkbar ist es jedoch auch, dass die Rotationsbasisfläche zumindest abschnittweise linear verlaufende Begrenzungslinien aufweist. Insbesondere weist die Rotationsbasisfläche abschnittsweise aneinander stoßende lineare und konvex gekrümmte Begrenzungslinien auf.
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Die Rotationsbasisfläche wird vorzugsweise zumindest abschnittsweise von einem Kreisbogen begrenzt. Dieser Kreisbogen ist insbesondere als Kreisbogen mit einem Basisradius um ein Basiskreiszentrum ausgebildet, wobei das Basiskreiszentrum im optischen Zentrum oder zwischen dem optischen Zentrum und der Rotationsbasisfläche liegt.
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Denkbar ist auch, dass das Basiskreiszentrum auf der der Rotationsbasisfläche gegenüberliegenden Seite relativ zum optischen Zentrum liegt. Eine Rotation einer solchen Rotationsbasisfläche um die Basissymmetrieachse würde dann eine Kugellinse liefern.
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Charakteristisch für das erfindungsgemäße refraktive optische Element ist, dass die Rotationsbasisfläche derart ausgebildet ist, dass der durch Rotation der Rotationsbasisfläche um ihre Basissymmetrieachse erzeugte Rotationskörper (Basislinse) ebenfalls definierte refraktive optische Eigenschaften aufweist (sofern die Basislinse aus einem optischen Linsenmaterial gefertigt werden würde), insbesondere Linseneigenschaften hat. Insofern kann der Grundkörper des optischen Elements als Rotationskörper der Basislinse angesehen werden, der dadurch erhalten wird, dass die Basislinse derart um die optische Achse rotiert wird, dass die optische Achse mit der Basissymmetrieachse den Basiskippwinkel (φ) einschließt.
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Insofern ist es möglich, die Eigenschaften des erfindungsgemäßen refraktiven optischen Elements über die optischen Eigenschaften der gedachten Basislinse sowie dem Basiskippwinkel und gegebenenfalls die Lage des optischen Zentrums festzulegen.
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Demzufolge ergibt sich eine vorteilhafte Ausgestaltung des optischen Elementes dadurch, dass die Rotationsbasisfläche derart ausgebildet ist, dass ein gedachter Rotationskörper der Rotationsbasisfläche um die Basissymmetrieachse optische Linseneigenschaften einer Basissammellinse, insbesondere einen plankonvexen oder bikonvexen Sammellinse aufweist.
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Vorzugsweise weist die gedachte Basissammellinse dabei eine Brennweite derart auf, dass der Brennpunkt im optischen Zentrum oder zwischen der gedachten Basissammellinse und dem optischen Zentrum oder auf einer gedachten Basissammellinse gegenüberliegenden Seite in Bezug auf das optische Zentrum liegt.
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Je nach Wahl der Brennweite der angesprochenen gedachten Basissammellinse können daher die vorstehend angesprochenen Verläufe von gedachten Kegelmantelflächen realisiert werden, welche das erzeugte Ausgangslichtbündel einer Punktlichtquelle im optischen Zentrum begrenzen. Liegt beispielsweise der Brennpunkt im optischen Zentrum, so ist eine von einer im optischen Zentrum angeordneten Punktlichtquelle ausgestrahlte Lichtverteilung in ein von Randstrahlen begrenztes Ausgangslichtbündel abbildbar, dessen Randstrahlen wenigstens eine erste und eine zweite Kegelmantelfläche bilden, wobei die erste und die zweite Kegelmantelfläche parallel verlaufen. Liegt der Brennpunkt hingegen zwischen Basissammellinse und optischem Zentrum, so können Kegelmantelflächen realisiert werden, die sich in Brennkreisen schneiden.
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Eine weitere Ausgestaltung des optischen Elements ergibt sich dadurch, dass die Rotationsbasisfläche derart ausgebildet ist, dass ein gedachter Rotationskörper der Rotationsbasisfläche um die Basissymmetrieachse optische Linseneigenschaften einer Basissammellinse aufweist, wobei mit der Basissammellinse ein von dem optischen Zentrum ausgehendes, divergierendes Lichtbündel auf einen, insbesondere konzentrisch um die Basissymmetrieachse angeordneten, Brennkreis bündelbar ist. Dies gilt insbesondere für das ausgestrahlte Licht einer nahezu punktförmigen Lichtquelle, die auf der Basissymmetrieachse angeordnet ist. Ein durch Rotation einer solchen Basislinse wie erläutert erzeugter Grundkörper ist in der Lage, eine Punktlichtquelle im optischen Zentrum in ein Ausgangslichtbündel abzubilden, welches zwei von Kegelmantelflächen begrenzte Teillichtbündel aufweist, die in zwei konzentrisch um die optische Achse angeordnete Brennkreisen konvergieren.
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Definiert die Basislinse darüber hinaus auch einen Brennpunkt auf der Basissymmetrieachse, so wird durch das hieraus wie erläutert gewonnene optische Element eine Punktlichtquelle im optischen Zentrum in ein Ausgangslichtbündel abgebildet, welches drei von Kegelmantelflächen begrenzte Teillichtbündel aufweist, die in zwei konzentrischen Brennkreisen konvergieren.
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Zur Lösung der eingangs gestellten Aufgabe wird auch ein Leuchtmodul vorgeschlagen, welches insbesondere in Kfz-Scheinwerfern Verwendung finden kann. Dieses Leuchtmodul weist ein refraktives optisches Element wie vorstehend erläutert auf. Insbesondere weist das Leuchtmodul außerdem eine Lichtquelle auf, welche vorzugsweise in dem optischen Zentrum angeordnet ist.
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Vorzugsweise ist außerdem ein Zonenreflektor vorgesehen, welcher derart angeordnet ist, dass ein Ausgangslichtbündel des optischen Elements in eine Abstrahllichtverteilung des Leuchtmoduls umlenkbar ist, und welcher derart ausgebildet ist, dass der Zonenreflektor nur solche räumlichen Bereiche überdeckt, in welche das Ausgangslichtbündel abstrahlbar ist. Dadurch ist es insbesondere möglich, den Zonenreflektor auf Bereiche zwischen den das gedachte Ausgangslichtbündel begrenzenden Kegelmantelflächen zu beschränken. Der Zonenreflektor weist insbesondere bandartige oder streifenartige oder halbmondartige Abschnitte auf, welche einem Verlauf eines Kegelschnittes folgen. Dadurch kann der Zonenreflektor an die zwischen Kegelmantelflächen konzentrierten Lichtbündel nach dem erfindungsgemäßen optischen Element angepasst werden.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, anhand derer die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen der Erfindung näher beschrieben und erläutert sind.
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Es zeigen:
- 1 und 2 schematische Darstellungen zur Erläuterung der Konstruktion eines erfindungsgemäßen refraktiven optischen Elements;
- 3 schematische Darstellung eines refraktiven optischen Elements;
- 4 Abhängigkeit der erfassten Strahlungsleistung in Abhängigkeit vom Erfassungswinkel für eine Basislinse;
- 5 Verhältnis der erfassten Strahlungsleistung eines erfindungsgemäßen optischen Elements und einer zugehörigen Basislinse in Abhängigkeit des Basiskippwinkels;
- 6 schematische Darstellung zur Ausgestaltung der Rotationsbasisfläche;
- 7 schematische Darstellung zur Erläuterung des Ausgangslichtbündels eines optischen Elements;
- 8 schematische Darstellung zur Erläuterung des Ausgangslichtbündels eines optischen Elements;
- 9 schematische Darstellung zur Erläuterung einer Rotationsbasisfläche für eine Ausführungsform der Erfindung;
- 10 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Elements mit einer Rotationsbasisfläche gemäß 9;
- 11 ein erfindungsgemäßes Leuchtmodul;
- 12 bis 15 schematische Darstellungen zur Erläuterung des Leuchtmoduls gemäß 11; und
- 16 Darstellung der Abstrahlcharakteristik des Leuchtmoduls gemäß 11.
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In der folgenden Beschreibung sind gleiche oder einander entsprechende Merkmale mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In den 1 bis 3 ist der Aufbau eines optischen Elements 10 (vergleiche 3) schrittweise erläutert. Zur Verdeutlichung wird in diesen Figuren ein kartesisches Koordinatensystem mit einer X-, Y- und Z-Achse verwendet. Der Ursprung des kartesischen Koordinatensystems bildet ein optisches Zentrum 12, und die Z-Achse bildet eine optische Achse 14.
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In den 1 und 2 ist zunächst eine Rotationsbasisfläche 16 dargestellt. Diese Rotationsbasisfläche 16 ist spiegelsymmetrisch ausgebildet.
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1 zeigt zunächst die Rotationsbasisfläche 16, welche derart in dem kartesischen Koordinatensystem angeordnet ist, dass die Z-Achse (optische Achse 14) eine Symmetrieachse für die Rotationsbasisfläche 16 bildet.
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Die Rotationsbasisfläche 16 weist einen bikonvexen Sammellinsenquerschnitt auf. Dementsprechend ist die Rotationsbasisfläche 16 von konvex gekrümmten Begrenzungslinien 18 und 19 begrenzt. Die Begrenzungslinien 18 und 19 schneiden sich in einem Lateralgrenzpunkt 20. Dieser hat von der optischen Achse 14 einen Abstand derart, dass eine Verbindungslinie von dem Lateralgrenzpunkt 20 zu dem optischen Zentrum 12 mit der optischen Achse 14 einen Erfassungswinkel α einschließt.
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Eine ausgehend von der Darstellung in 1 durch Rotation der Rotationsbasisfläche 16 um die Z-Achse gebildete Basissammellinse kann daher Licht, das von einer gedachten, im optischen Zentrum 12 angeordneten Lichtquelle ausgestrahlt wird, nur dann erfassen, wenn der Lichtstrahl zur optischen Achse 14 einen Winkel kleiner dem Erfassungswinkel α einschließt.
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In der 2 ist die Rotationsbasisfläche 16 derart gegenüber der Darstellung in 1 versetzt angeordnet, dass die Rotationsbasisfläche 16 eine Basissymmetrieachse 22 aufweist, welche zu der optischen Achse 14 einen Basiskippwinkel φ aufweist. Die Rotationsbasisfläche 16 ist daher spiegelsymmetrisch in Bezug auf die Basissymmetrieachse 22, nicht mehr zur optischen Achse 14. In dem dargestellten Beispiel ist der Basiskippwinkel φ nahezu gleich dem Erfassungswinkel α gewählt.
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In der 3 ist dargestellt, wie durch Rotation der Rotationsbasisfläche 16 um die optische Achse 14 ein als Rotationskörper ausgebildeter Grundkörper 24 des optischen Elements 10 entsteht. Andererseits kann der Grundkörper 24 als ein Rotationskörper veranschaulicht werden, welcher durch Rotation einer „Basislinse“ entsteht, wobei sich die Basislinse wiederum als Rotationskörper der Rotationsbasisfläche 16 um die Basissymmetrieachse 22 ergibt.
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Der so gebildete Grundkörper 24 weist eine in Richtung des optischen Zentrums 12 offene Zentralausnehmung 26 auf. In einem Schnitt durch die optische Achse 14 (beispielsweise in einem Schnitt in der X-,Z-Ebene) weist die Zentralausnehmung 26 einen Querschnitt auf, welcher durch die Begrenzungslinie 19 der Rotationsbasisfläche 16 sowie durch ein Spiegelbild der Begrenzungslinie 19 bezüglich der optischen Achse 14 begrenzt wird. Die dreidimensionale Begrenzungsfläche der Zentralausnehmung 26 ergibt sich dementsprechend durch Rotation der Begrenzungslinie 19 um die optische Achse 14. Insofern weist die Zentralausnehmung 26 eine torusähnliche Begrenzung auf. Im Falle einer geraden Begrenzungslinie 19 ergäbe sich eine kegelförmige Zentralausnehmung 26.
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Da die Begrenzungslinien 18, 19 der Rotationsbasisfläche 16 in dem Lateralgrenzpunkt 20 zusammenlaufen, weist der Grundkörper 24 in seinem Schnittpunkt mit der optischen Achse 14 einen Dünnbereich 28 bzw. eine Dünnstelle mit nahezu verschwindender Materialdicke auf. Dies ist der Fall, da als Basiskippwinkel φ gerade ein dem Erfassungswinkel α entsprechender Winkel gewählt wurde. Wird beispielsweise der Basiskippwinkel φ größer als der Erfassungswinkel α gewählt, so ergibt sich anstatt des Dünnbereiches 28 eine Öffnung um die optische Achse 14.
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In der 4 ist veranschaulicht, welcher Anteil eines von einer im optischen Zentrum 12 angeordneten LED ausgesandten gesamten Lichtstroms von einer Basislinse erfasst werden würde, wie sie beispielsweise im Falle der 1 durch Rotation der Rotationsbasisfläche 16 um die Z-Achse erhalten werden könnte. Hierfür wird für die LED eine dem Lambert'schen Gesetz folgende Abstrahlcharakteristik angenommen. Im Ergebnis zeigt der Anteil des von der genannten Basislinse erfassten Lichtstroms die in der 4 dargestellte Abhängigkeit (quadratisch mit dem Sinus des Erfassungswinkel α). Wird die Rotationsbasisfläche 16 beispielsweise derart gewählt, dass der Erfassungswinkel α gleich 30° beträgt, so erfasst die gemäß 1 wie oben erläutert gewonnene Basislinse einen Anteil von lediglich 25% des abgegebenen Lichtstroms.
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Demgegenüber erfasst das vorstehend zu 3 erläuterte, als Rotationskörper ausgebildete optische Element 10 effektiv Lichtstrahlen, welche in Bezug auf die optische Achse unter einem Winkel kleiner als das Doppelte des Basiskippwinkels abgegeben werden. Hierbei ist zu beachten, dass in dem vorstehenden Beispiel (2 und 3) der Basiskippwinkel jeweils gleich dem Erfassungswinkel gewählt wird.
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Somit ist klar, dass mit dem als Rotationskörper ausgebildeten optischen Element 10 ein größerer Anteil des von der beschriebenen im optischen Zentrum 12 angeordneten Leuchtdiode abgegebenen Lichts erfasst werden kann.
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Das Verhältnis des von dem optischen Element 10 erfassten Lichtstromes im zu dem von der im Zusammenhang mit der 1 erläuterten Basislinse erfassten Lichtstrom ist in der 5 in Abhängigkeit des Basiskippwinkels dargestellt, wobei hierfür jeweils angenommen wurde, dass der Basiskippwinkel gleich dem Erfassungswinkel gewählt ist (das heißt dass für zunehmenden Basiskippwinkel eine Rotationsbasisfläche gewählt wird, deren Lateralgrenzpunkt einen zunehmend größeren Abstand zur optischen Achse 14 aufweist).
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Wie aus der 5 erkennbar, kann mit dem optischen Element 10 ein Anteil des Lichtstromes erfasst werden, welcher sich zwischen dem Vierfachen (für Rotationsbasisflächen mit einer vergleichsweise kleinen lateralen Ausdehnung, das heißt Erfassungswinkel kleiner 10°) und dem Zweifachen des abgegebenen Lichtstromes (für eine Basislinse, welcher ein Erfassungswinkel von 45° zuzuordnen wäre) bewegt. Im Falle eines Erfassungswinkels von 45° und eines entsprechend gewählten Basiskippwinkels von 45° überdeckt der Grundkörper 24 des optischen Elements 10 in 3 den gesamten oberen Halbraum des kartesischen Koordinatensystems, welcher positiven Z-Werten entspricht.
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Das optische Element 10 ermöglicht daher eine Strahlformung mit hoher optischer Effizienz, ohne dass hierfür aufwändige optische Konstruktionen, beispielsweise mit dicken Linsen erforderlich wären. Vielmehr bleibt bei der Bildung des Grundkörpers 24 aus der Rotationsbasisfläche 16 die durch die Rotationsbasisfläche 16 vorgegebene Wandstärke unbeeinflusst. Das optische Element 10 hat keine größeren Wandstärken als die zugehörige Basislinse.
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Anhand der 6 werden drei mögliche Ausgestaltungen (6a bis 6c) der Rotationsbasisfläche 16 und ihre Lage relativ zum optischen Zentrum erläutert.
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In den drei dargestellten Fällen weist die Rotationsbasisfläche 16 einen Sammellinsenquerschnitt auf, und ist von zwei konvex verlaufenden Begrenzungslinien 18, 19 begrenzt. Dem Sammellinsenquerschnitt ist jeweils ein Brennpunkt 30 zugeordnet. Dieser Brennpunkt wäre der optische Brennpunkt einer Sammellinse, welche jeweils durch Rotation der in den 6a bis 6c dargestellten Rotationsbasisfläche um ihre Symmetrieachse erzielt werden würde.
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In den 6a bis 6c ist jeweils das optische Zentrum 12 zur Konstruktion eines optischen Elements 10 angedeutet (vergleiche 1 bis 3). Ferner ist der durch den vorstehend erläuterten Lateralgrenzpunkt 20 definierte Erfassungswinkel α in den 6a bis 6c kenntlich gemacht.
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Im Falle der 6a ist die Rotationsbasisfläche 16 derart angeordnet, dass der Brennpunkt 30 mit dem optischen Zentrum 12 zusammenfällt. Dementsprechend wird eine von einer gedachten, im optischen Zentrum 12 angeordneten Lichtquelle ausgestrahlte Lichtverteilung in ein Ausgangslichtbündel abgelenkt, welches zwischen den in der 6a angedeuteten Randstrahlen 31 parallel verläuft.
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In der 6b liegt der Brennpunkt 30 zwischen dem optischen Zentrum 12 und der Rotationsbasisfläche 16. Daher wird eine von dem optischen Zentrum 12 abgestrahlte divergierende Lichtverteilung in ein Ausgangslichtbündel abgebildet, dessen Randstrahlen 31 unter einem Ausgangsbündelwinkel φ* konvergieren und sich in einem Ausgangsbrennpunkt 32 schneiden.
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Im Falle der 6c schließlich liegt der Brennpunkt 30 in Bezug auf das optische Zentrum 12 auf der der Rotationsbasisfläche 16 gegenüberliegenden Seite. Insofern liegt das optische Zentrum zwischen Brennpunkt 30 und Rotationsbasisfläche 16. Bei dieser Anordnung wird ein von dem optischen Zentrum 12 ausgestrahltes divergierendes Lichtbündel nicht mehr auf einen Brennpunkt konzentriert, sondern ist durch Randstrahlen 31 begrenzt, welche unter einem Ausgangsbündelwinkel φ* divergieren. Dabei ist jedoch der Ausgangsbündelwinkel φ* kleiner als der Erfassungswinkel α, das heißt das Ausgangslichtbündel ist im Vergleich zur im optischen Zentrum 12 ausgestrahlten Lichtverteilung eingeengt.
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Anhand der 7 wird schematisch der Verlauf des Ausgangslichtbündels für ein optisches Element 40 dargestellt, welches als Rotationskörper einer Rotationsbasisfläche 16 gewonnen wird, wobei die in der 6a gezeigte Anordnung der Rotationsbasisfläche 16 in Bezug auf das optische Zentrum 12 angenommen wird. Ferner wird ein Basiskippwinkel φ zwischen der optischen Achse und der Basissymmetrieachse 22 zugrunde gelegt.
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Eine von einer im optischen Zentrum 12 angeordneten (nicht dargestellten) nahezu punktförmigen Lichtquelle (z.B. LED) ausgestrahlte Lichtverteilung wird demnach in ein von den Randstrahlen 31 (siehe 6a) begrenztes Ausgangslichtbündel abgebildet, wobei die Randstrahlen 31 eine erste Kegelmantelfläche 42 und eine zweite Kegelmantelfläche 44 bilden. Dabei verlaufen die erste Kegelmantelfläche 42 und die zweite Kegelmantelfläche 44 parallel zueinander. Von dem optischen Element 40 wird daher Licht, das vom optischen Zentrum 12 ausgestrahlt wird, zwischen der ersten Kegelmantelfläche 42 und der zweiten Kegelmantelfläche 44 konzentriert. Die erste Kegelmantelfläche 42 hat dabei von der zweiten Kegelmantelfläche 44 gerade einen Abstand, welcher der lateralen Ausdehnung der Rotationsbasisfläche 16 entspricht.
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8 zeigt eine der 7 entsprechende Darstellung für eine Rotationsbasisfläche 16, welche entsprechend 6b ausgebildet und angeordnet ist. Das Ausgangslichtbündel ist wiederum von einer ersten Kegelmantelfläche 42 und einer zweiten Kegelmantelfläche 44 begrenzt, wobei diese beiden Kegelmantelflächen - wie sich aus der 6b ergibt - unter dem Ausgangsbündelwinkel φ* konvergieren. Dementsprechend schneidet die erste Kegelmantelfläche 42 die zweite Kegelmantelfläche 44 in einer Brennlinie 52. Die Brennlinie 52 ergibt sich durch Rotation des oben angesprochenen Ausgangsbrennpunktes 32 um die optische Achse 14. Demnach hat die Brennlinie 52 die Gestalt eines Brennkreises.
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Somit begrenzen die erste Kegelmantelfläche 42 und die zweite Kegelmantelfläche 44 im Falle der 8 einen Kegelmantel variabler Dicke. Die erste Kegelmantelfläche 42 ist gegenüber der zweiten Kegelmantelfläche 44 um den Ausgangsbündelwinkel φ* geneigt. Eine winkelhalbierende Kegelmantelfläche zwischen der ersten Kegelmantelfläche 42 und der zweiten Kegelmantelfläche 44 weist gegenüber der optischen Achse 14 gerade den Basiskippwinkel φ auf.
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In der 9 ist eine Rotationsbasisfläche 16 veranschaulicht, welche abschnittsweise konvex gekrümmte Begrenzungslinien 18 und 19 aufweist. Die Rotationsbasisfläche 16 ist dabei derart ausgebildet, dass ein gedachter Rotationskörper (Basislinse) der Rotationsbasisfläche 16 um ihre Basissymmetrieachse derart ausgebildet ist, dass diese Basislinse ein von dem optischen Zentrum 12 ausgehendes, divergierendes Lichtbündel auf einen Brennkreis 54 sowie auf einen Ausgangsbrennpunkt 30 bündelt.
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In der 10 ist zunächst ein optisches Element 60 dargestellt, welches sich wiederum durch Rotation der Rotationsbasisfläche 16 um die optische Achse 14 ergibt, wobei zwischen der Basissymmetrieachse 22 und der optischen Achse 14 der Basiskippwinkel φ eingeschlossen wird. In dem in der 10 dargestellten Fall ist der Basiskippwinkel φ gerade in der Größe von 45° gewählt.
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Von dem optischen Element 60 wird eine von einer in dem optischen Zentrum 12 angeordneten Punktlichtquelle ausgestrahlte Lichtverteilung in ein Ausgangslichtbündel abgebildet, das von einer Mehrzahl von Kegelmantelflächen 64 bis 69 begrenzt wird. Dabei konvergieren die beiden zentralen Kegelmantelflächen 66 und 67, in dem in der 10 dargestellten Schnitt durch die optische Achse 14 auf der Basissymmetrieachse 22. Dementsprechend weist das Ausgangslichtbündel eine kreisförmig um die optische Achse 14 verlaufende Brennlinie 52 ähnlich wie in der Darstellung gemäß 8 auf. Diese Brennlinie 52 ergibt sich aus einem kreisförmigen Umlauf des Brennpunkts 30 (vergleiche 9) um die optische Achse 14.
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Darüber hinaus führt jedoch der sich für die zugeordnete Basislinse (vergleiche Erläuterungen zu 9) ergebende Brennkreis 54 dazu, dass sich die beiden jeweils außen liegenden Kegelmantelflächen 64 und 65 beziehungsweise 68 und 69 in zwei weiteren, jeweils die optische Achse 14 kreisförmig umgebenden Brennlinien 62 schneiden. Somit ist mit dem optischen Element 60 ein Ausgangslichtbündel erzeugbar, bei dem das Licht in drei von den Kegelmantelflächen 54 bis 59 begrenzten Kegelmänteln konzentriert ist. Dabei weist eine Winkelhalbierende des mittleren Kegelmantels gegenüber der optischen Achse 14 gerade den Basiskippwinkel φ auf.
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Die 11 zeigt ein Leuchtmodul 100, in welchem ein optisches Element 110 nach einer der vorstehend beschriebenen Arten zum Einsatz kommt. Das Leuchtmodul 100 weist außerdem eine nicht näher dargestellte Lichtquelle auf, welche in dem optischen Zentrum 12 des optischen Elements 110 angeordnet ist.
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Ferner weist das Leuchtmodul 100 einen ersten Teilreflektor 112 sowie einen zweiten Teilreflektor 114 auf. Beide Teilreflektoren bilden zusammen einen Zonenreflektor 120, mit welchem ein Ausgangslichtbündel 105 des optischen Elements 110 in eine Abstrahllichtverteilung 107 in Abstrahlrichtung 101 des Leuchtmoduls 100 umgelenkt werden kann.
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Die räumliche Anordnung des ersten Teilreflektors 112 sowie des zweiten Teilreflektors 114 in Bezug auf das optische Element 110 wird im Folgenden anhand der 12 bis 15 näher erläutert.
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Die 12 zeigt das Leuchtmodul 100 aus einer Ansicht von schräg vorne, das heißt unter einem Winkel kleiner 90° relativ zur Abstrahlrichtung 101.
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In der 13 ist das Leuchtmodul 100 in einer Seitenansicht dargestellt, welche einem Blick senkrecht zur Abstrahlrichtung 101 in einer im Vergleich zu der Darstellung in 11 entgegengesetzten Richtung entspricht.
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Die 14 zeigt das Leuchtmodul 100 in einer Ansicht von vorne entgegen der Abstrahlrichtung 101 betrachtet.
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Aus den vorgenannten drei Darstellungen ist erkennbar, dass sowohl der erste Teilreflektor 112 als auch der zweite Teilreflektor 114 als streifenartiger Bandreflektor ausgebildet sind, welche in ihrem räumlichen Verlauf Kegelschnitten folgen. Die Teilreflektoren 112, 114 ergeben sich durch Schnitte parabolischer Reflektoren mit den Kegelmantelflächen, welche die Ausgangslichtbündel des optischen Elements 110 begrenzen. Dabei kann der erste Teilreflektor 112 eine erste Brennweite, und der zweite Teilreflektor 114 eine zweite Brennweite aufweisen. Durch geeignete Orientierung und Anordnung der Teilreflektoren 112, 114 kann dann die gewünschte Abstrahllichtverteilung 107 erzielt werden.
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Die 15 schließlich zeigt die Anordnung des ersten Teilreflektors 112 und des zweiten Teilreflektors 114 in einer Ansicht von oben, das heißt entlang der optischen Achse 14 des optischen Elements 110. Da der zweite Teilreflektor 114 im Strahlengang eines von dem optischen Element 110 ausgehenden konvergierenden Ausgangslichtbündels 105 früher angeordnet ist als der erste Teilreflektor 112, weist der zweite Teilreflektor 114 einen größeren Querschnitt als der erste Teilreflektor auf.
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Die 16 zeigt die Lichtintensität der Abstrahllichtverteilung 107 in einer in Abstrahlrichtung 101 von dem Leuchtmodul 100 beabstandeten Ebene.
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Das optische Element 110 erzeugt eine Ausgangslichtbündel 105 mit durch Kegelmantelflächen begrenzten Lichtbündeln. Die Teilreflektoren 112 und 114 folgen in ihrem Verlauf Kegelschnitten. Daher kann ein definierter Bereich des Ausgangslichtbündels 105 umgelenkt werden. Der Zonenreflektor 120 ist nur für solche Raumbereiche wirksam, in welche tatsächlich Licht von der Lichtquelle im optischen Zentrum 12 (nach Strahlformung mit dem optischen Element 110) eingestrahlt wird.
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Die Ausgangslichtverteilung 107 zeigt daher leuchtende Bänder, deren Verlauf der Vorderansicht auf den Zonenreflektor 120 gemäß 14 folgt. Da das optische Element 110 Licht, welches von der (nicht dargestellten) im optischen Zentrum 12 angeordneten Lichtquelle ausgestrahlt wird, im Wesentlichen nur auf gerade die Bereiche konzentriert, in welchen der Zonenreflektor 120 angeordnet ist, kann die in der 16 dargestellte Abstrahllichtverteilung 107 mit hoher Effizienz aus dem Ausgangslichtbündel 105 gewonnen werden.
