DE102015202541A1

DE102015202541A1 - Kraftfahrzeugleuchte

Info

Publication number: DE102015202541A1
Application number: DE102015202541.1A
Authority: DE
Inventors: Hubert Zwick
Original assignee: Automotive Lighting Reutlingen GmbH
Current assignee: Marelli Automotive Lighting Reutlingen Germany GmbH
Priority date: 2015-02-12
Filing date: 2015-02-12
Publication date: 2016-08-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeugleuchte (30) mit einem Leuchtmittel (2), einem Reflektor (5) und einem Licht brechenden Element zwischen dem Leuchtmittel (2) und dem Reflektor (5). Es wird vorgeschlagen, dass das Licht brechende Element eine transparente Vorsatzoptik (31) umfasst, die eine ebene Eintrittsfläche (36) und eine gegenüberliegende gewölbte Austrittsfläche (37) aufweist, deren Wölbung derart erzeugt ist, dass in einer vertikalen Mittelschnittebene betrachtet in die Vorsatzoptik (31) eingekoppelte Lichtstrahlen die Vorsatzoptik (31) über eine Schnittkurve (38) zwischen der Mittelschnittebene und der Austrittsfläche (37) ohne Richtungsänderung verlassen, und die Austrittsfläche (37) durch Rotation der Schnittkurve (38) um eine Rotationsachse (39) erzeugt ist, die senkrecht zu der Eintrittsfläche (36) verläuft. Die erzeugte Austrittsfläche (37) kann mit einem Faktor (> 0 und < 1) skaliert werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeugleuchte zur Realisierung einer gewünschten Lichtverteilung, mit

– einem Leuchtmittel zum Aussenden von Licht,
– mindestens einem paraboloidförmigen Reflektor zum Kollimieren zumindest eines Teils des Lichts des Leuchtmittels, wobei der mindestens eine Reflektor in einer das Leuchtmittel umfassenden Schnittebene betrachtet eine Parabelform aufweist, und
– mindestens einem Licht brechenden Element, das zwischen dem Leuchtmittel und dem mindestens einen Reflektor angeordnet ist.

Eine solche bekannte Kraftfahrzeugleuchte dient bspw. zur Erzeugung eines Tagfahrlichts oder einer beliebig anderen Leuchtenfunktion eines Kraftfahrzeugs, wie bspw. eines Standlichts/ Positionslichts, Blinklichts, Kurvenlichts, Rücklichts, Bremslichts einschließlich der Funktion einer dritten Bremsleuchte, Rückfahrlichts oder eines Seitenmarkierungslichts. Die Kraftfahrzeugleuchte erzeugt eine für die jeweilige Leuchtenfunktion gesetzlich vorgeschriebene Lichtverteilung, sowohl von der horizontalen und vertikalen Erstreckung als auch von der Lichtstärkeverteilung her. Die gesetzlich vorgeschriebene Lichtverteilung kann mit Unterstützung von Streuelementen einer im Strahlengang befindlichen Streuscheibe der Leuchte erzielt werden. Alternativ oder zusätzlich können aber auch Streuelemente auf der Reflexionsfläche des Reflektors und/oder auf einer Lichtaustrittsfläche des Licht brechenden Elements vorgesehen sein.
Ein Beispiel einer bekannten Kraftfahrzeugleuchte ist schematisch in den 1 (perspektivische Ansicht) und 2 (Seitenansicht) gezeigt. Ein Leuchtmittel, das bspw. eine oder mehrere Leuchtdioden umfasst und das im Brennpunkt eines streifenförmigen Paraboloidreflektors angeordnet ist, strahlt Licht aus, von dem ein Teil auf eine Reflexionsfläche des Reflektors fällt. Der Reflektor kollimiert das auf ihn treffende Licht, so dass es parallel zu einer 0°/0° (horizontal/ vertikal)-Richtung auf eine vorgelagerte Streuscheibe fällt. Streuelemente auf der Streuscheibe streuen das Licht gezielt, damit die vorgeschriebene Lichtverteilung erzielt wird.
Die gesetzlich vorgeschriebene Lichtverteilung wird bspw. durch vertikal streuende und horizontal liegende konkave Teile von Zylinderflächen auf der Innenseite und durch horizontal streuende und vertikal stehende konkave Teile von Zylinderflächen auf der Außenseite der Streuscheibe erzielt. Da die vertikalen Streuwinkel kleiner als die horizontalen Streuwinkel sind, weisen die horizontal liegenden Teilzylinderstreifen ein größeres Verhältnis R/T (R: Zylinderradius; T: Streifenhöhe) auf, d.h. die horizontalen Streifen sind weniger bauchig (weniger stark gewölbt). Die gesamt Leuchte kann um die 0°/0°-Richtung rotiert angeordnet werden, wobei nur die streuenden Elemente angepasst werden müssen (die einfachste Methode besteht darin, diese von der Rotation auszunehmen).
Für die nachfolgenden Ausführungen wird beispielhaft eine Kraftfahrzeugleuchte betrachtet, die eine Streuscheibe mit den Maßen 50 mm × 50 mm aufweist und eine Tagfahrlichtverteilung erzeugt. Statt Tagfahrlicht kann natürlich auch jede andere in einem Fahrzeug benötigte Leuchtenfunktion erzeugt werden. Für die nachfolgenden Ausführungen werden einige Definitionen erläutert. Unter "Effizienz" wird das Verhältnis von (Lichtstrom, der zum Aufbau der Tagfahrlicht-Verteilung beiträgt) / (Lichtstrom, der von dem Leuchtmittel abgegeben wird) verstanden. Unter "Bautiefe" wird die Länge der Leuchte von der Streuscheibe bis zum weitest entfernten Reflektorpunkt verstanden. Unter "Bauraum" wird ein Quader (Bautiefe in mm) × (Fläche der Streuscheibe in mm²) verstanden. Als Qualitätsmerkmal Q1 dient der Quotient (Effizienz) / (Bauraum in cm³). Besonders vorteilhaft ist ein möglichst großes Q1, da dies aussagt, dass bei gegebenem Leuchtmittel-Lichtstrom wenig Bauraum benötigt wird, um eine Kraftfahrzeugleuchte zu verwirklichen. Als Qualitätsmerkmal Q2 dient der Quotient (maximale Leuchtdichte) / (minimale Leuchtdichte) gemessen an einer Lichtaustrittsfläche bzw. der Streuscheibe der Leuchte. Optimal ist Q2 = 1, da dann die Streuscheibe an jedem (leuchtenden) Punkt gleich hell und damit besonders homogen erscheint. Je größer Q2 ist, umso inhomogener ist das Erscheinungsbild der Leuchte. Ab etwa Q2 = 2 erkennt ein geübter Beobachter, dass unterschiedliche Punkte unterschiedlich hell leuchten.

Die Erzielung einer Streuung des Lichts in einer Leuchte ist aus dem Stand der Technik bekannt. Nachfolgend werden verschiedene an sich bekannte Möglichkeiten zur Streuung zusammengefasst:

Streuendes Bauteil	Streuende Struktur	Bemerkungen
Reflektor	Facetten auf der Reflexionsfläche	Erfordert verspiegelte Leuchtenkammer, da sonst ein Großteil des Lichtstroms an Austrittsöffnung vorbeigestreut wird. Streuscheibe nicht erforderlich
Streuscheibe	Facetten auf innerer Fläche, Facetten auf äußerer Fläche, gekreuzte Zylinder auf äußerer und innerer Fläche
Reflektor und Streuscheibe	Jeweils schwach streuende Struktur auf Reflektor und Streuscheibe	Erfordert verspiegelte Leuchtenkammer, da sonst ein Großteil des Lichtstroms an Austrittsöffnung vorbeigestreut wird.

Als "Facette" wird nachfolgend ein konvexes oder konkaves Flächenelement, vertikal oder horizontal gekrümmt, verstanden, z.B. eine Kugel, ein Ellipsoid, eine Freiformfläche, ein Torus o.ä. Ein "Zylinder" streut in einer senkrecht zur Zylinderachse verlaufenden Ebene, bspw. kann auf der inneren Fläche der Streuscheibe ein vertikaler Zylinder horizontal streuen und auf der äußeren Fläche ein horizontaler Zylinder vertikal streuen.
Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Kraftfahrzeugleuchte trifft das von einer Leuchtdiode abgegebene Licht (ein beispielhafter Lichtstrahl ist in den 1 und 2 gestrichelt eingezeichnet) zumindest teilweise auf einen Paraboloidreflektor, der es parallel zu seiner Achse (in 2 strichpunktiert eingezeichnet) in Richtung Streuscheibe richtet, wo es in dem gezeigten Beispiel mittels gekreuzter Zylinder gestreut wird, um die gewünschte Leuchtenfunktion mit der vorgeschriebenen oder vom Kunden gewünschten Lichtverteilung zu erzielen.
In dem gezeigten Beispiel der bekannten Kraftfahrzeugleuchte beträgt die Bautiefe 75 mm und das Bauvolumen 187,5 cm³. Die Effizienz beträgt 63 %, so dass sich für Q1 = 63 / 187,5 = 0,34 %/cm³ ergibt. Dieser Wert könnte durch Variation der (hier zufällig zu 12 mm gewählten) Brennweite des Reflektors und der davon abhängigen Bautiefe optimiert werden. In einem Serienprojekt zur Entwicklung neuer Leuchten ist jedoch der Bauraum und damit auch die Bautiefe in aller Regel vorgegeben. Da ferner die gesamte Streuscheibe angestrahlt werden sollte, ist eine Optimierung nicht oder nur in sehr eingeschränktem Maße möglich. Der Wert Q1 = 0,34 gibt also lediglich eine Größenordnung an.
3 zeigt für die bekannte Leuchte aus den 1 und 2 die Verteilung der Leuchtdichte auf der Streuscheibe (3a) und zwei vertikale Schnitte durch die Verteilung, einen Schnitt in der Mitte der Streuscheibe bei horizontal = 0mm (3b), und einen Schnitt durch eine Punktereihe am Rand der Streuscheibe bspw. bei horizontal = –25mm (3c). Demnach liegt der hellste Wert bei 2,1 × Einheit, der dunkelste bei 0,1 × Einheit. Somit ergibt sich der Wert Q2 zu etwa 21 (2,1/0,1), was relativ schlecht ist, da er eine hohe Inhomogenität der leuchtenden Fläche bedeutet.
Um die beiden Qualitätsmerkmale Q1 und Q2 zu verbessern, wird in einer anderen Anmeldung, die am gleichen Tag wie die vorliegende Erfindung in Deutschland zum Patent angemeldet worden ist, vorgeschlagen, dass das Licht brechende Element eine Halbkugel aus einem für das von dem Leuchtmittel ausgesandte Licht transparenten Material umfasst, wobei eine Eintrittsfläche der Halbkugel zu dem Leuchtmittel gerichtet und derart angeordnet ist, dass das Leuchtmittel im Zentrum der Eintrittsfläche angeordnet ist und eine Hauptabstrahlrichtung des Leuchtmittels durch das Zentrum der Eintrittsfläche verläuft.
Die Halbkugel ist dabei vorzugsweise eine plankonvexe Linse. Die Position des Leuchtmittels befindet sich im Zentrum und vorzugsweise möglichst nahe an der Eintrittsfläche der Halbkugel. Als Leuchtmittel wird vorzugsweise eine Lichtquelle mit einer lambertschen Abstrahlcharakteristik verwendet, bspw. eine oder mehrere Leuchtdioden. Falls das Leuchtmittel mehrere Leuchtdioden umfasst, können diese Licht gleicher oder unterschiedlicher Farbe aussenden. Die Leuchte kann eine Streuscheibe mit Streuelementen aufweisen, auf die zumindest ein Teil des von dem mindestens einen Reflektor kollimierten Lichts fällt, zum Streuen des hindurchtretenden Lichts zur Realisierung der gewünschten Lichtverteilung. Die Streuelemente können als konkave oder konvexe Kugel-, Ellipsoid-, Torus- oder Freiformflächen ausgebildet sein.
Das als Halbkugel ausgebildete Licht brechende Element

– erfasst einen im Vergleich zu dem mindestens einen Reflektor alleine größeren Lichtstrom, und
– lenkt den erfassten Lichtstrom in einen im Vergleich zu dem Leuchtmittel alleine stärker eingeengten Raumwinkelbereich um.

Auf diese Weise gelangt ein größerer Anteil des von dem Leuchtmittel ausgesandten Lichts auf den Reflektor und steht zur Erzeugung der Leuchtenfunktion zur Verfügung.
Der Kern der anderen Anmeldung besteht somit darin, Licht durch eine aus einem glasklaren Material hergestellte Halbkugel zu leiten, bevor es auf den Reflektor trifft. Die Halbkugel bewirkt, dass sich das Licht nicht mehr in den gesamten durch die Hauptabstrahlrichtung vorgegebenen 180°-Halbraum, sondern nur noch in einem Kegel ausbreitet, dessen Achse senkrecht zur Ebene eines Leuchtdioden-Chips und der dazu parallelen Grundfläche (Lichteintrittsfläche) der Halbkugel steht und dessen Öffnungswinkel bis etwa 40° (entspricht abhängig vom Material der Halbkugel in etwa dem Grenzwinkel der Totalreflexion) betragen kann. Die Achse des Lichtkegels ist vorzugsweise parallel zu der Hauptabstrahlrichtung. Auf diese Weise können die Qualitätsmerkmale Q1 und Q2 gegenüber dem Stand der Technik aus den 1 bis 3 deutlich verbessert werden. Eine entsprechende, in der anderen Anmeldung vorgeschlagene Kraftfahrzeugleuchte mit einem als Halbkugel ausgebildeten Licht brechenden Element ist in 4 gezeigt.
Damit der von der Halbkugel abgestrahlte Lichtkegel nach Möglichkeit den gesamten Reflektor bestrahlt, kann die Halbkugel samt Leuchtmittel in geeigneter Entfernung zum Reflektor angeordnet und in geeigneter Weise ausgerichtet (bspw. geneigt) werden. Um die Herstellbarkeit der Halbkugel im Spritzgussverfahren zu verbessern und um die Effizienz des Systems zu erhöhen, können Teile der Halbkugel, die nicht von Lichtstrahlen durchlaufen werden oder durch die Lichtstrahlen hindurchtreten, die nicht an der Erzeugung der Leuchtenfunktion teilhaben (bspw. weil sie nicht auf den Reflektor treffen), entfernt werden. Eine entsprechende, in der anderen Anmeldung vorgeschlagene Kraftfahrzeugleuchte mit einem als beschnittene Halbkugel ausgebildeten Licht brechenden Element ist in 5 gezeigt. In 6a ist die Verteilung der Leuchtdichte über der gesamten Streuscheibe der Leuchte aus 5 gezeigt. Die 6b und 6c zeigen vertikale Schnitte durch die Leuchtdichteverteilung aus 6a, in 6b einen Schnitt durch die Mitte bei horizontal = 0mm und in 6c einen Schnitt durch eine Punktereihe am Rand der Leuchtdichteverteilung.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Kraftfahrzeugleuchte der eingangs genannten Art dahingehend auszugestalten und weiterzubilden, dass die beiden Qualitätsmerkmale Q1 und Q2 weiter verbessert werden können.
In der anderen Anmeldung wird eine Halbkugel (4) oder ein Halbkugelbeschnitt (5) als Licht brechendes Element verwendet. Dies führt zu zwei Nachteilen:

1. Je nach Form der gewünschten leuchtenden Fläche der Leuchte können sehr große Bereiche der Halbkugel, u.U. sogar die gesamte Halbkugel, mit Licht durchstrahlt werden, das zur Erzeugung der resultierenden Lichtverteilung beiträgt. Dadurch ist es nicht mehr möglich, dieses Licht brechende Element durch Entfernen großer, nicht von Licht durchstrahlter oder nur von Licht durchstrahlter Bereiche, das nicht zur Erzeugung der Lichtverteilung beiträgt (da es nicht auf den Reflektor fällt), mit dem Ziel einer besseren Herstellbarkeit, bspw. in einem Spritzgussverfahren, zu verschlanken. Der Radius der Halbkugel einer Kraftfahrzeugleuchte liegt in der Regel zwischen 5 mm und 20 mm, insbesondere zwischen 8 mm und 15 mm. Die Abkühlzeit (und damit die Kosten) beim Spritzgießen steigt mit der Dicke des herzustellenden Teils stark an. Weiterhin besteht die Gefahr von Einfallstellen bei dicken Teilen während des Abkühl- und Aushärteprozesses. Eine Herstellung in einem Mehrschicht-Spritzgussverfahren (Spritzen des Teils in mehreren aufeinander folgenden Schritten) könnte Abhilfe schaffen, würde aber die Werkzeuge verteuern.
2. Die aus der Halbkugel austretende Strahlung bewegt sich in einem Lichtkegel mit einem halben Öffnungswinkel in der Größenordnung von 35°. Der Öffnungswinkel ist abhängig von der Brechzahl des Materials der Halbkugel und deshalb exemplarisch. Wenn die gewünschte leuchtende Fläche eine große Ausdehnung aufweist, muss der Reflektor einen entsprechend großen Abstand von der Halbkugel aufweisen, damit das Licht aus dem Lichtkegel den gesamten Reflektor anstrahlen kann. Das würde zwangsläufig zu einem größeren Bauraum führen, der für die Anordnung der Leuchte in dem Kraftfahrzeug erforderlich wäre.

Somit bestehen weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung darin, eine gute Herstellbarkeit des Licht brechenden Elements in einem Spritzgussverfahren zu ermöglichen und gleichzeitig den für die Leuchte erforderlichen Bauraum zu verkleinern.
Diese Aufgaben werden durch eine Kraftfahrzeugleuchte der eingangs genannten Art gelöst, bei der das Licht brechende Element eine Vorsatzoptik aus einem für das von dem Leuchtmittel ausgesandte Licht transparenten Material umfasst, wobei eine im Wesentlichen ebene Eintrittsfläche der Vorsatzoptik zu dem Leuchtmittel gerichtet und derart angeordnet ist, dass das Leuchtmittel im Zentrum der Eintrittsfläche angeordnet ist und eine Hauptabstrahlrichtung des Leuchtmittels durch das Zentrum der Eintrittsfläche verläuft, und wobei die Vorsatzoptik eine der Eintrittsfläche gegenüberliegende gewölbte Austrittsfläche aufweist,

– deren Wölbung derart erzeugt ist, dass in einer senkrecht zur Eintrittsfläche verlaufenden Mittelschnittebene betrachtet von dem Leuchtmittel ausgesandte und über die Eintrittsfläche in die Vorsatzoptik eingekoppelte Lichtstrahlen die Vorsatzoptik über eine Schnittkurve zwischen der Mittelschnittebene und der Austrittsfläche im Wesentlichen ohne eine Richtungsänderung verlassen, und die gewölbte Austrittsfläche durch eine Rotation der Schnittkurve um eine Rotationsachse erzeugt ist, die parallel zu der Mittelschnittebene und senkrecht zu der Eintrittsfläche verläuft, oder
– die Austrittsfläche eine Wölbung aufweist, die durch Skalieren der auf die zuvor beschriebene Weise erzeugten gewölbten Fläche mit einem Skalierungsfaktor, der größer 0 und kleiner 1 ist, über die gesamte Fläche der Eintrittsfläche erzeugt ist.

Bei einem als Halbkugel ausgebildeten Licht brechenden Element kann das Leuchtmittel nicht genau im Mittelpunkt der Halbkugel auf der Lichteintrittsfläche angeordnet werden, da es aufgrund der Wärmeentwicklung des Leuchtmittels zu einer übermäßigen Erhitzung und sogar zu einer Beschädigung der Eintrittsfläche kommen könnte. Deshalb ist das Leuchtmittel immer in einem Abstand zu der Eintrittsfläche angeordnet. Das führt jedoch dazu, dass bei einer Halbkugel die eingekoppelten Lichtstrahlen nicht ohne Richtungsänderung durch die sphärische Austrittsfläche hindurchtreten. Dies ist bei der hier verwendeten Vorsatzoptik anders, da die Wölbung der Austrittsfläche gezielt so gewählt ist, dass die hindurchtretenden Lichtstrahlen keine Richtungsänderung erfahren.
Ob die eingekoppelten Lichtstrahlen beim Verlassen der Vorsatzoptik über die Lichtaustrittsfläche eine Richtungsänderung erfahren oder nicht, kann von vielen weiteren Faktoren abhängen. So haben verschiedene Randbedingungen, bspw. die Form (Wölbung) der Eintrittsfläche und die Position des Leuchtmittels relativ zur Eintrittsfläche, Auswirkungen auf eine mögliche Richtungsänderung der Lichtstrahlen an der Austrittsfläche. Die Form der Lichtaustrittsfläche bzw. deren Wölbung wird gemäß der Erfindung also immer für gegebene Randbedingungen bestimmt.
Wenn die Wölbung der Lichtaustrittsfläche durch Skalieren der auf die im Anspruch 1 zuvor als Alternative beschriebene Weise erzeugten gewölbten Fläche mit einem Skalierungsfaktor erzeugt ist, ist der Skalierungsfaktor über die gesamte Eintrittsfläche konstant. Selbstverständlich wäre es auch denkbar, den Skalierungsfaktor für einen bestimmten Punkt der gewölbten Austrittsfläche in Abhängigkeit von der Position des entsprechenden auf die Eintrittsfläche projizierten Punktes zu variieren. So wäre es bspw. denkbar, im Zentrum der Eintrittsfläche einen anderen Skalierungsfaktor für die Austrittsfläche zu verwenden als am Rand der Eintrittsfläche. Außerdem wäre es denkbar, oben und unten auf der Eintrittsfläche andere Skalierungsfaktoren als links und rechts auf der Eintrittsfläche zu verwenden.
Die Kraftfahrzeugleuchte soll insbesondere zur homogenen Ausleuchtung großflächiger leuchtender Flächen ausgebildet sein. In diesem Zusammenhang wird vorgeschlagen, dass die Eintrittsfläche der Vorsatzoptik eine quadratische Form aufweist. Die Austrittsfläche hat dann in der Draufsicht ebenfalls eine in etwa quadratische Form. Auf diese Weise können relativ großflächige Reflektoren problemlos ausgeleuchtet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass an seitlichen Abschnitten der Vorsatzoptik, durch die keine von dem Leuchtmittel ausgesandten Lichtstrahlen oder nur solche Lichtstrahlen hindurchtreten, die nicht zur Erzeugung der Lichtverteilung beitragen, Abstandselemente über die Eintrittsfläche hinaus ragen, über welche die Vorsatzoptik an einer Platine, die auch das Leuchtmittel trägt, in einem definierten Abstand zu dem Leuchtmittel angeordnet ist. Über die Abstandselemente kann die Vorsatzoptik an der Platine, die auch das Leuchtmittel trägt, in einem definierten Abstand zu dem Leuchtmittel (bspw. zu einer Licht aussendenden Fläche einer Leuchtdiode) angeordnet werden. Zur lagegenauen Positionierung der Vorsatzoptik relativ zu dem Leuchtmittel können auf oder an der Platine Positionierungselemente (bspw. in Form von Vorsprüngen oder Vertiefungen) vorgesehen werden, die mit entsprechenden Positionierungselementen (bspw. in Form von Vertiefungen oder Vorsprüngen) auf oder an den Abstandselementen zusammenwirken und einfach und schnell eine eindeutige Positionierung der Vorsatzoptik relativ zu dem Leuchtmittel ermöglichen.
Der Reflektor hat vorteilhafterweise die Form eines Rotationsparaboloids oder eines Abschnitts eines Rotationsparaboloids. Ein Brennpunkt des Reflektors liegt vorzugsweise auf dem Leuchtmittel, insbesondere auf einer Licht aussendenden Fläche eines Leuchtdioden-Chips einer Leuchtdiode. Eine Rotationsachse des Reflektors verläuft vorzugsweise durch einen Scheitel und den Brennpunkt des Reflektors. Der Reflektor weist entgegen einer Hauptabstrahlrichtung vorzugsweise eine quadratische Form auf.
Im Strahlengang des reflektierten Lichts ist vorteilhafterweise eine Streuscheibe mit optisch wirksamen Streuelementen angeordnet, die eine horizontale und/oder vertikale Streuung des hindurchtretenden Lichts zur Erzielung der Lichtverteilung bewirken. Die Streuelemente umfassen vorzugsweise auf einer Innenseite der Streuscheibe erste längliche Ausformungen mit parallel zueinander verlaufenden Längsachsen und/oder auf einer Außenseite der Streuscheibe andere längliche Ausformungen mit parallel zueinander und senkrecht zu den Längsachsen der ersten Ausformungen verlaufenden Längsachsen. Vertikale Ausformungen bewirken eine Streuung des hindurchtretenden Lichts in horizontaler Richtung und horizontale Ausformungen eine Streuung des Lichts in vertikaler Richtung. Die Ausformungen können verschieden stark geformt (z.B. gewölbt) sein, um die gewünschte Lichtverteilung möglichst gut erzielen zu können. Die Ausformungen sind vorzugsweise Zylinderlinsen oder Abschnitte von Zylinderlinsen.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Figuren und der dazugehörigen Figurenbeschreibung. Es zeigen:
1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Kraftfahrzeugleuchte in einer perspektivischen Ansicht;
2 die bekannte Kraftfahrzeugleuchte aus 1 in einer Seitenansicht;
3a eine Leuchtdichteverteilung auf einer Streuscheibe der bekannten Kraftfahrzeugleuchte aus den 1 und 2;
3b einen vertikalen Schnitt durch die Mitte der Leuchtdichteverteilung aus 3a bei horizontal = 0mm;
3c einen vertikalen Schnitt durch eine Punktereihe am Rand der Leuchtdichteverteilung aus 3a;
4 eine Kraftfahrzeugleuchte mit einer Halbkugel als lichtbrechendes Element in perspektivischer Ansicht;
5 eine Seitensicht einer Kraftfahrzeugleuchte mit einem Halbkugelbeschnitt als lichtbrechendes Element;
6a eine Leuchtdichteverteilung auf der Streuscheibe der Kraftfahrzeugleuchte aus 5;
6b einen vertikalen Schnitt durch die Mitte der Leuchtdichteverteilung aus 6a bei horizontal = 0mm;
6c einen vertikalen Schnitt durch eine Punktereihe am Rand der Leuchtdichteverteilung aus 6a;
7a eine erfindungsgemäße Kraftfahrzeugleuchte in einer perspektivischen Ansicht;
7b die erfindungsgemäße Kraftfahrzeugleuchte aus 7a in einer Seitenansicht;
8 eine Seitenansicht einer Vorsatzoptik einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte aus 7;
9 eine perspektivische Ansicht der Vorsatzoptik aus 8;
10 eine Schnittansicht durch einen von Licht durchströmten Abschnitt einer Vorsatzoptik einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte in einer ersten Ausführungsform;
11a eine Lichtstärkeverteilung eines durch eine erfindungsgemäße Kraftfahrzeugleuchte mit einer Vorsatzoptik aus 10 erzeugten Lichtkegels;
11b einen Vertikalschnitt bei horizontal = 0° durch die Lichtstärkeverteilung aus 11a;
12 eine Schnittansicht durch einen von Licht durchströmten Abschnitt einer Vorsatzoptik einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte in einer zweiten Ausführungsform;
13a eine Lichtstärkeverteilung eines durch eine erfindungsgemäße Kraftfahrzeugleuchte mit einer Vorsatzoptik aus 12 erzeugten Lichtkegels;
13b einen Vertikalschnitt bei horizontal = 0° durch die Lichtstärkeverteilung auf 13a;
14 eine Schnittansicht durch einen von Licht durchströmten Abschnitt einer Vorsatzoptik einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte in einer dritten Ausführungsform;
15a eine Lichtstärkeverteilung eines durch eine erfindungsgemäße Kraftfahrzeugleuchte mit einer Vorsatzoptik aus 14 erzeugten Lichtkegels;
15b einen Vertikalschnitt bei horizontal = 0° durch die Lichtstärkeverteilung auf 15a;
16a einen Strahlengang durch eine als Halbkugel ausgebildete Vorsatzoptik aus PMMA;
16b einen Strahlengang durch eine als Halbkugel ausgebildete Vorsatzoptik aus PC;
17a eine Kraftfahrzeugleuchte mit einer als Halbkugel ausgebildeten Vorsatzoptik in einer Blickrichtung entgegen einer Hauptaustrittsrichtung der Leuchte;
17b eine erfindungsgemäße Kraftfahrzeugleuchte mit einer Vorsatzoptik gemäß 10, 12 oder 14 in einer Blickrichtung entgegen einer Hauptaustrittsrichtung der Leuchte;
18a eine Kraftfahrzeugleuchte mit einer als Halbkugel ausgebildeten Vorsatzoptik gemäß 17a in einer Ansicht von oben;
18b eine erfindungsgemäße Kraftfahrzeugleuchte gemäß 17b mit einer Vorsatzoptik gemäß 10, 12 oder 14 in einer Ansicht von oben;
19a eine Kraftfahrzeugleuchte mit einer als Halbkugel ausgebildeten Vorsatzoptik gemäß 17a in einer perspektivischen Ansicht;
19b eine erfindungsgemäße Kraftfahrzeugleuchte gemäß 17b mit einer Vorsatzoptik gemäß 10, 12 oder 14 in einer perspektivischen Ansicht;
20a eine Leuchtdichteverteilung auf einer Streuscheibe der erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte aus den 17b, 18b und 19b;
20b einen vertikalen Schnitt durch die Mitte der Leuchtdichteverteilung aus 20a bei horizontal = 0mm; und
20c einen vertikalen Schnitt durch eine Punktereihe am Rand der Leuchtdichteverteilung aus 20a.
Die 1 und 2 zeigen eine aus dem Stand der Technik bekannte Kraftfahrzeugleuchte 1 zur Erzeugung einer Leuchtenfunktion, beispielsweise eines Tagfahrlichts. Die Leuchte 1 umfasst ein Leuchtmittel 2, das Licht aussendet. Das Leuchtmittel 2 ist beispielsweise als eine Leuchtdiode ausgebildet, die Licht in einer Hauptabstrahlrichtung 3 in den entsprechenden 180°-Halbraum (in diesem Fall oberhalb einer die Licht erzeugende Fläche der Leuchtdiode umfassenden Horizontalebene) aussendet. In 1 ist ein beispielhafter Lichtstrahl 4 gestrichelt eingezeichnet. Das von dem Leuchtmittel 2 abgegebene Licht trifft zum Teil auf einen Paraboloidreflektor 5, der das Licht parallel zu seiner Achse 6 (vgl. 2) in Richtung einer Streuscheibe 7 richtet. Die Achse 6 verläuft durch einen geometrischen Brennpunkt F des Reflektors 5. In 2 ist das Leuchtmittel 2 bzw. eine Licht emittierende Fläche eines als Leuchtdiode ausgebildeten Leuchtmittels 2 auf dem Brennpunkt F angeordnet.
Die Streuscheibe 7 weist auf ihrer Innenseite Streuelemente 7a in Form von horizontalen Zylindern auf, die eine vertikale Streuung des hindurchtretenden Lichts bewirken. Auf einer Außenseite der Streuscheibe 7 sind Streuelemente 7b in Form von vertikalen Zylindern angeordnet, die eine horizontale Streuung des hindurchtretenden Lichts bewirken. Das Zusammenwirken der Streuelemente 7a, 7b führt zur Erzeugung der resultierenden Leuchtenfunktion der Kraftfahrzeugleuchte 1 mit einer gesetzlich vorgegebenen oder gewünschten Lichtverteilung.
Eine Bautiefe der bekannten Kraftfahrzeugleuchte aus den 1 und 2 beträgt beispielsweise 75 mm und das Bauvolumen 187,5 cm³. Die Effizienz der Leuchte 1 beträgt in dem gezeigten Beispiel 63 %, so dass sich für ein Qualitätsmerkmal Q1 (Quotient aus Effizienz und Bauraum) 363/187,5 = 0,34 %/cm ergibt. Dieser Wert könnte durch Variation der (hier zufällig) zu 12 mm gewählten Brennweite des Paraboloidreflektors 5 und der davon abhängigen Bautiefe optimiert werden. In einem Serienprojekt zur Entwicklung einer neuen Leuchte 1 ist jedoch der Bauraum und damit auch die maximale Bautiefe in aller Regel vorgegeben. Da ferner nach Möglichkeit die gesamte Streuscheibe 7 angestrahlt werden soll, ist eine Optimierung nicht oder allenfalls in sehr engen Grenzen möglich.
3 zeigt ein weiteres Problem der aus dem Stand der Technik bekannten Kraftfahrzeugleuchte 1. In 3a ist eine Verteilung der Leuchtdichte über der Streuscheibe 7 gezeigt, wie sie von einem Betrachter der Leuchte 1 wahrgenommen wird. Anhand der zwei vertikalen Schnitte durch die Leuchtdichteverteilung in den 3b und 3c erkennt man, dass der hellste Wert der Leuchtdichte bei etwa 2,1 × Einheit, der dunkelste Wert bei etwa 0,1 × Einheit liegt. Somit ergibt sich das Qualitätsmerkmal Q2 (Quotient aus maximaler Leuchtdichte und minimaler Leuchtdichte) zu etwa 21, was relativ schlecht ist und von einem Betrachter als sehr inhomogene Ausleuchtung der Streuscheibe 7 wahrgenommen wird.
In einer anderen Anmeldung, die am gleichen Tag wie die vorliegende Erfindung in Deutschland zum Patent angemeldet worden ist, wird eine Kraftfahrzeugleuchte 10 vorgeschlagen, wie sie in einer perspektivischen Ansicht bspw. in 4 gezeigt ist. Dabei ist zwischen dem Leuchtmittel 2 und dem Reflektor 5 ein Licht brechendes Element in Form einer Halbkugel 11 aus einem für das von dem Leuchtmittel ausgesandte Licht transparenten Material angeordnet. Eine Eintrittsfläche 11a der Halbkugel 11 ist zu dem Leuchtmittel 2 gerichtet und derart angeordnet, dass das Leuchtmittel 2 im Zentrum der Eintrittsfläche 11a angeordnet ist und eine Hauptabstrahlrichtung 3 des Leuchtmittels 2 durch das Zentrum der Eintrittsfläche 11a verläuft. Dadurch können die beiden Qualitätsmerkmale Q1 und Q2 verbessert werden. Eine kugelförmig gewölbte Austrittsfläche der Halbkugel 11 ist mit dem Bezugszeichen 11b bezeichnet.
Das Licht wird durch die aus glasklarem Material hergestellte Halbkugel 11 geleitet, bevor es auf den Reflektor 5 trifft. Die Halbkugel 11 bewirkt, dass sich das Licht nicht mehr in den gesamten 180°-Halbraum, sondern nur noch in einem Lichtkegel ausbreitet, dessen Achse senkrecht zu einer Licht aussendenden Fläche eines Leuchtdioden-Chips 2 und der dazu parallelen Grundfläche 11a der Halbkugel 11 steht und dessen Öffnungswinkel (abhängig vom Material der Halbkugel; Grenzwinkel der Totalreflexion) bis etwa 40° betragen kann. Die Achse des Lichtkegels entspricht vorzugsweise der Hauptabstrahlrichtung 3 der Leuchtdiode 2.
In 4 erkennt man die zwischen dem Leuchtmittel 2 und dem Reflektor 5 angeordnete Halbkugel 11. Damit der von der Halbkugel 11 abgestrahlte Lichtkegel nach Möglichkeit den gesamten Reflektor 5 bzw. dessen Reflexionsfläche bestrahlt, ist die Halbkugel 11 samt Leuchtdiode 2 vorzugsweise in geeigneter Entfernung angeordnet und in geeigneter Weise ausgerichtet bzw. geneigt. Insbesondere ist die Einheit 2, 11 derart geneigt, dass die Hauptaustrittsrichtung 3 zur Reflexionsfläche des Reflektors 5 bzw. entgegen der Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs hin verkippt ist. Die von dem Leuchtmittel 2 ausgesandten Lichtstrahlen werden in einen 180°-Halbraum abgestrahlt. Dies ist bspw. in 10 dargestellt. Das führt dazu, dass die Lichtstrahlen über die gesamte Lichteintrittsfläche 11a verteilt in die Halbkugel 11 einkoppeln. Je weiter entfernt von dem Leuchtmittel 2 die Lichtstrahlen auf die Eintrittsfläche 11a treffen, desto stärker werden sie beim Eintritt in die Halbkugel 11 gebrochen. Die eingekoppelten Lichtstrahlen treffen im Wesentlichen senkrecht auf die Austrittsfläche 11b und treten weitgehend ohne Brechung aus der Halbkugel 11 aus. Durch Zurückverfolgen der eingekoppelten Lichtstrahlen ergeben sich verschiedene virtuelle Ursprungspunkte 2' für das Leuchtmittel 2. Die Einheit 2, 11 wird vorzugsweise derart entlang der Abstrahlrichtung 3 in Richtung auf den Reflektor 5 bewegt werden, dass der geometrische Brennpunkt F des Reflektors 5 in der Nähe von einem der virtuellen Ursprungspunkte 2' der in die Halbkugel 11 eingekoppelten Lichtstrahlen liegt. Damit rückt die Einheit 2, 11 näher an den Reflektor 5, so dass sich eine geringere Bautiefe, ein geringerer Bauraum und damit auch ein verbessertes Qualitätsmerkmal Q1 ergibt.
Die Position des Leuchtmittels 2 kann über den Radius der Halbkugel 11 angepasst werden. Halbkugeln aus gleichem Material erzeugen Lichtkegel mit gleichem Öffnungswinkel. Ein größerer Radius einer Halbkugel 11 erlaubt es, das Leuchtmittel 2 näher beim Reflektor 5 anzuordnen. Es muss jedoch darauf geachtet werden, dass die Halbkugel 11 nicht so dicht an den Reflektor 5 rückt, dass sie in dem Strahlengang zwischen Reflektor 5 und Streuschiebe 7 angeordnet ist.
Um die Herstellbarkeit der Halbkugel 11 im Spritzgussverfahren zu verbessern und um die Effizienz des Systems zu erhöhen, kann statt der Halbkugel 11 auch ein sogenannter Halbkugelbeschnitt 12 (vgl. 5) zur Anwendung kommen. Der Halbkugelbeschnitt 12 wird aus einer Halbkugel 11 gewonnen, indem diejenigen Bereiche der Halbkugel 11 entfernt werden, die bei eingeschaltetem Leuchtmittel 2 nicht von Lichtstrahlen durchstrahlt werden und/oder durch die nur sehr wenig Licht hindurchtritt und/oder durch die bei eingeschaltetem Leuchtmittel 2 zwar Licht hindurchtritt, dieses aber nicht auf den Reflektor 5 trifft und somit auch nicht zur Erzeugung der Leuchtenfunktion und zur Realisierung der Lichtverteilung beiträgt.
In dem Beispiel der 5 ist der Reflektor 5 als ein Paraboloid ausgebildet, dessen Brennpunkt F in etwa in der Mitte eines lichtemittierenden Bereichs der Leuchtdiode 2 liegt und dessen Achse mit dem Bezugszeichen 6 bezeichnet ist. In diesem Fall würde der Reflektor 5 jedoch nicht streng sondern lediglich annähernd parallele Lichtstrahlen aussenden. Selbstverständlich kann abweichend davon jedoch auch hier entsprechend der 10 die Einheit 2, 12 näher an den Reflektor 5 gerückt werden, so dass sich eine geringere Bautiefe, ein geringerer Bauraum und damit auch ein verbessertes Qualitätsmerkmal Q1 ergibt. In diesem Fall kann sichergestellt werden, dass die von dem Reflektor 5 ausgesandten Lichtstrahlen parallel zueinander verlaufen.
Die Brennweite des Reflektors 5 ist in dem Beispiel der 5 gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Kraftfahrzeugleuchten 1 (vgl. 1 bis 3) erhöht, so dass sich ein größerer Abstand zwischen Leuchtmittel 2 und Reflexionsfläche des Reflektors 5 ergibt. Gleichzeitig wird jedoch die Effizienz der Leuchte so stark verbessert, dass sich unter dem Strich eine Verbesserung des Qualitätsmerkmals Q1 ergibt. Eine Blende 21 verhindert den Einblick von außerhalb der Leuchte 20 auf das Leuchtmittel 2 und den Halbkugelbeschnitt 12. Eine Bautiefe der Leuchte 20 beträgt etwa 45 mm und das Bauvolumen 112,5 cm³. Die Effizienz der dargestellten Leuchte 20 beträgt 55 %, so dass sich für das Qualitätsmerkmal Q1 = 55/112,5 = 0,49 %/cm³ ergibt, was einer Steigerung um 44% gegenüber dem oben beschriebenen Stand der Technik (dort: Q1 = 0,34 %/cm³) entspricht.
6 zeigt eine Leuchtdichteverteilung auf der Streuscheibe 7, wie sie durch eine Kraftfahrzeugleuchte 20 gemäß 5 mit dem Halbkugelbeschnitt 12 als Licht brechendem Element erzielt wird. Anhand der beiden vertikalen Schnitte durch die Leuchtdichtverteilung gemäß 9a, die in den 9b und 9c dargestellt sind, ergibt sich, dass der hellste Wert der Leuchtdichteverteilung bei etwa 9,0 × Einheit und der dunkelste Wert bei etwa 2,2 × Einheit liegt. Somit ergibt sich für das Qualitätsmerkmal Q2 der Wert 4,1 (9,0/2,2). Dies ist für einen ungeübten Betrachter erkennbar, bedeutet aber gegenüber dem Stand der Technik (vgl. 1 bis 3) und gegenüber der Leuchte 10 gemäß 4 eine deutliche Verbesserung hinsichtlich der Homogenität der Ausleuchtung der Lichtaustrittsfläche der Kraftfahrzeugleuchte 20 (dort: Q2 = 21).
Die Verwendung einer Halbkugel 11 als Vorsatzoptik hat jedoch verschiedene Nachteile: Zum einen muss zur Erzeugung einer großflächigen (bspw. quadratischen) leuchtenden Fläche ein Reflektor 5 mit entsprechender Form und Abmessungen vorgesehen werden. Das Ausleuchten der gesamten Reflexionsfläche eines derart großflächigen Reflektors 5 kann dazu führen, dass praktisch die gesamte Halbkugel 11 von Lichtstrahlen durchsetzt wird, die zur Erzeugung der Leuchtenfunktion und zur Realisierung der Lichtverteilung beitragen. Somit kann es sein, dass die Halbkugel 11 kaum Bereiche aufweist, die nicht von Licht oder nur von Licht durchsetzt werden, das nicht zur Erzeugung der Lichtverteilung beiträgt (da es nicht auf den Reflektor 5 trifft) und die deshalb entfernt werden könnten. Das führt zu großen, dicken Halbkugeln 11 oder Halbkugelbeschnitten 12, die nur schwer durch Spritzgießen hergestellt werden können. Zum anderen besteht das Problem, dass das Licht in einem Lichtkegel aus der Halbkugel 11 austritt, der einen halben Öffnungswinkel in der Größenordnung von 35° bis 40° aufweist. Wenn die zu realisierende leuchtende Fläche der Leuchte eine große Ausdehnung aufweist, muss der Reflektor 5 einen entsprechend großen Abstand von der Halbkugel 11 bzw. dem Halbkugelbeschnitt 12 aufweisen, was wiederum die Bautiefe und den erforderlichen Bauraum vergrößert.
Mit der vorliegenden Erfindung sollen nicht nur die beiden Qualitätsmerkmale Q1 und Q2 verbessert werden, sondern es soll auch eine Kraftfahrzeugleuchte mit einer Vorsatzoptik vorgeschlagen werden, die bspw. mittels Spritzgießen besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden kann und die einen möglichst kleinen Einbauraum benötigt.
Eine erfindungsgemäße Kraftfahrzeugleuchte 30 ist in einer perspektivischen Ansicht in 7a gezeigt. 7b zeigt die erfindungsgemäße Leuchte 30 aus 7a in einer Seitenansicht. Das von dem Leuchtmittel 2, das beispielsweise als eine Leuchtdiode ausgebildet ist, abgestrahlte Licht trifft durch eine Vorsatzoptik 31 auf einen Reflektor 5, der in dem dargestellten Beispiel als ein Paraboloidreflektor ausgebildet ist. Ein Brennpunkt des Reflektors 5 ist am Ort des Leuchtmittels 2, insbesondere auf einer lichtaussendenden Fläche der Leuchtdiode, angeordnet. Eine Rotationsachse 6 verläuft durch einen nicht dargestellten Scheitel des Paraboloidreflektors 5 und den Brennpunkt. Das an dem Reflektor 5 reflektierte Licht ist parallel zur Rotationsachse 6 des Paraboloidreflektors 5 gerichtet. Mittels einer Streuscheibe 7, die auf ihrer Innen- und Außenseite gekreuzte Zylinder 7a, 7b aufweist, wird das Licht in eine gesetzlich vorgegebene Lichtverteilung gewandelt. Alternative oder zusätzliche Möglichkeiten zur Streuung des Lichts in der erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte 30 können der Tabelle weiter oben in der vorliegenden Patentanmeldung entnommen werden.
In 7 ist das Leuchtmittel 2 unten angeordnet. Die gesamte Leuchte 30 kann jedoch um eine Hauptabstrahlrichtung 32, die parallel zu der Rotationsachse 6 des Reflektors 5 verläuft, gedreht werden, so dass das Leuchtmittel 2 seitlich oder oben angeordnet ist. Die Streuscheibe 7 ist in 7 mit einer ebenen Erstreckung und vertikal ausgerichtet gezeichnet. Selbstverständlich kann die Streuscheibe 7 auch gekrümmt oder gewölbt ausgeführt werden und/oder schräg angeordnet sein, beispielsweise um einer Neigung oder einer Pfeilung der Kraftfahrzeugleuchte 30 bzw. der umgebenden Kraftfahrzeugkarosserie oder eines Scheinwerfers, in den die Leuchte 30 eingebaut ist, zu folgen.
In den 8 und 9 ist eine Vorsatzoptik 31 einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte 30 in einer Seitenansicht bzw. in einer perspektivischen Ansicht gezeigt. Zudem ist ein ebenes Strahlenbündel in einem vertikalen Mittelschnitt eingezeichnet. Es ist zu erkennen, dass nur ein mittlerer Bereich 35 der Vorsatzoptik 31 von Lichtstrahlen durchsetzt wird, die zur Erzeugung der Lichtverteilung beitragen (sogenannte nützliche Strahlen). Die beiden seitlich nach unten über die Eintrittsfläche 36 hinaus ragenden Befestigungsabschnitte 33 der Vorsatzoptik 31 reichen bis auf eine Platine 34, auf der die Leuchtdiode 2 angeordnet und/oder über die die Leuchtdiode 2 elektrisch kontaktiert ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Leuchtdiode 2 und die Vorsatzoptik 31 bzw. deren Eintrittsfläche 36 stets einen definierten, korrekten Abstand zueinander aufweisen. Die Form und Anzahl der Befestigungsabschnitte 33 können nahezu beliebig gewählt werden, da sie keinen Einfluss auf den Lichtweg (der nützlichen Strahlen) durch die Vorsatzoptik 31 und auf die Erzeugung der Lichtverteilung haben.
Der mittlere, optisch wirksame Bereich 35 der Vorsatzoptik 31 umfasst die (nahezu) ebene Lichteintrittsfläche 36, die der Leuchtdiode 2 bzw. deren lichtaussendenden Fläche zugewandt ist und senkrecht zur Hauptabstrahlrichtung 3 (in 8 nicht gezeigt) der Leuchtdiode 2 steht. Außerdem umfasst der optisch wirksame Bereich 35 eine gewölbte Lichtaustrittsfläche 37. Die Lichteintrittsfläche 36 ist in diesem Beispiel in der Draufsicht quadratisch und weist eine Kantenlänge von etwa 6 mm auf. Der Abstand zu der Leuchtdiode 2 bzw. deren lichtaussendender Fläche beträgt etwa 0,8 mm. Die Leuchtdiode 2 sollte möglichst nahe an der Eintrittsfläche 36 angeordnet sein, aber nicht so nahe, dass eine Zerstörung der Eintrittsfläche 36 durch die Hitze der Leuchtdiode 2 droht. Die Wölbung der Lichtaustrittsfläche 37 wird auf eine bestimmte Weise bestimmt, was nachfolgend unter Bezugnahme auf die 10, 12 und 14 näher erläutert wird.
Die 10, 12 und 14 zeigen jeweils einen vertikalen Mittelschnitt durch den optisch wirksamen Bereich 35 einer Vorsatzoptik 31 einer erfindungsgemäßen Leuchte 30 und den Verlauf einiger Lichtstrahlen. Beim Eintreten der Lichtstrahlen durch die (nahezu) ebene Eintrittsfläche 36 erfahren die Strahlen aufgrund der Brechung eine Richtungsänderung. Die Wölbung der Lichtaustrittsfläche 37 in 10 ist so gestaltet, dass alle Lichtstrahlen aus der Vorsatzoptik 31 senkrecht auf die Austrittsfläche 37 auftreffen und damit ohne erneute Richtungsänderung aufgrund von Brechung aus der Vorsatzoptik 31 austreten. Dies wird vorzugsweise anhand eines vertikalen Mittelschnitts durch den optisch wirksamen Bereich 35 durchgeführt und anschließend die erhaltene Schnittkurve 38 zwischen der Austrittsfläche 37 und der Mittelebene um eine Achse 39 rotiert, die senkrecht zu einer lichtaussendenden Fläche der Leuchtdiode 2 und damit parallel zur Hauptaustrittsrichtung 3 durch die Mitte der lichtaussendenden Fläche verläuft. Die Achse 39 steht somit auch senkrecht auf der ebenen Lichteintrittsfläche 36 des optisch wirksamen Bereichs 35.
Die Dicke, das heißt der größte Abstand der ebenen Eintrittsfläche 36 zu der gewölbten Austrittsfläche 37 entlang der Achse 39, wird durch verschiedene Faktoren definiert: zum einen soll die erhaltene Vorsatzoptik 31 gut für den Herstellungsprozess im Rahmen eines Spritzgussverfahrens geeignet sein. Dies ist nach dem derzeitigen Stand insbesondere dann möglich, wenn die Dicke zwischen 1,5 mm und 5 mm liegt. Zum anderen ist ein möglichst großer Abstand zwischen der Eintrittsfläche 36 und der gewölbten Austrittsfläche 37 weniger empfindlich gegen eine fehlerhafte Positionierung des Leuchtmittels 2. Der Winkelfehler, unter dem ein Lichtstrahl von einem verschobenen Leuchtmittel 2 auf einen gegebenen Punkt der gewölbten Austrittsfläche 37 trifft, ist umso geringer, je weiter das Leuchtmittel 2 von der gewölbten Austrittsfläche 37 entfernt ist. Schließlich kann bei der Festlegung der Dicke des optisch wirksamen Bereichs 35 der Vorsatzoptik 31 darauf geachtet werden, dass die Vorsatzoptik 31 auch am Rand (am Übergangsbereich zwischen dem optisch wirksamen Bereich 35 und den Abstandselementen 33) nicht zu dünn ist, da dieser Bereich als Anschluss für die Abstandselemente 33 benötigt wird und während des Spritzgussprozesses keine Engstelle darstellen sollte. Optimal wäre es, wenn der Rand der Vorsatzoptik 31 ähnlich dick wie die Abstandselemente 33 ausgeführt ist. In dem Beispiel der 10 beträgt die maximale Dicke etwa 4 mm. Die ebene Eintrittsfläche 36 ist quadratisch mit einer Kantenlänge von etwa 6 mm.
In 12 wurde die gewölbte Austrittsfläche 37 aus 10 mit einem Skalierungsfaktor 0,8 skaliert, wobei die ebene Eintrittsfläche 36 als Skalierungszentrum dient. Es ergibt sich somit eine Dicke von 4 mm × 0,8 = 3,2 mm für den optisch wirksamen Bereich 35 aus 12. In 14 wurde die gewölbte Austrittfläche 37 aus 10 mit einem Skalierungsfaktor von 0,6 skaliert, wobei die ebene Eintrittsfläche 36 als Skalierungszentrum diente. Es ergibt sich somit eine Dicke von 4 mm × 0,6 = 2,4 mm für den optisch wirksamen Bereich 35 der Vorsatzoptik 31 aus 14. Diese Wölbung wurde in den 8 und 9 für die dort dargestellte Vorsatzoptik 31 verwendet. Selbstverständlich kann auch hier entsprechend dem Beispiel aus 10 die Einheit 2, 31 derart entlang der Abstrahlrichtung 3 in Richtung auf den Reflektor 5 bewegt werden, dass der geometrische Brennpunkt F des Reflektors 5 in der Nähe von einem der virtuellen Ursprungspunkte 2' der in die Vorsatzoptik 31 eingekoppelten Lichtstrahlen liegt. Damit rückt die Einheit 2, 31 näher an den Reflektor 5, so dass sich eine geringere Bautiefe, ein geringerer Bauraum und damit auch ein verbessertes Qualitätsmerkmal Q1 ergibt.
Nachfolgend wird der Sinn und Zweck der Skalierung der gewölbten Lichtaustrittsfläche 37 aus 10, so dass man die skalierten Lichtaustrittsflächen wie bspw. in den 12 und 14 gezeigt erhält, erläutert. 16a zeigt den Strahlengang durch eine als Halbkugel 11 ausgebildete Vorsatzoptik aus PMMA (Methylmethacrylat). 16b zeigt den Strahlengang durch eine als Halbkugel 11 ausgebildete Vorsatzoptik aus PC (Polycarbonat). Dabei wird als Leuchtmittel 2 exemplarisch eine Punktlichtquelle verwendet, die 0,8 mm unter dem Zentrum der Halbkugel 11 bzw. deren Eintrittsfläche 11a mit einem Radius von 10 mm sitzt. Das von dem Leuchtmittel 2 kommende Licht dringt unter Brechung über die Lichteintrittsfläche 11a in die Halbkugel 11 ein, wobei die dabei stattfindende Richtungsänderung der Lichtstrahlen umso stärker ausfällt, je flacher die Strahlen auf die ebene Eintrittsfläche 11a auftreffen. Die dabei auftretende Fresnel Reflexion wird hier vernachlässigt: bis etwa 60° treten 5% der Strahlen nicht in die Halbkugel 11 ein, dieser Wert steigt bei 80° auf etwa 50% und bei 90° auf 100% an.
Im weiteren Verlauf treffen die Lichtstrahlen auf die kugelförmige oder sphärische Lichtaustrittsfläche 11b und verlassen diese unter Brechung. Würden die Lichtstrahlen genau vom Mittelpunkt der Halbkugel 11 kommen, würden diese beim Verlassen der Halbkugel 11 keine Richtungsänderung erfahren und der maximal zu erwartende Winkel des Lichtkegels (ohne Fresnel Reflexion) relativ zur Vertikalen 39 würde dem Grenzwinkel für Totalreflexion des Materials (PMMA: 42°; PC: 39°) entsprechen. Da die Lichtstrahlen jedoch (scheinbar) immer weiter entfernt am Kugelmittelpunkt vorbeigehen, findet eine stark ansteigende Richtungsänderung statt und zwar in Richtung der Vertikalen 39 und darüber hinaus. Dies gilt bspw. für die eingezeichneten Lichtstrahlen 40. Der größte Winkel α zwischen einem gepunktet gezeichneten Lichtstrahl 41 und der Vertikalen 39 beträgt deshalb im Fall von PMMA nicht 42° sondern lediglich 34°, und bei PC lediglich 30°. Bei Verwendung eines nicht punktförmigen, sondern ausgedehnten Leuchtmittels (z.B. der Licht abstrahlenden Fläche einer Leuchtdiode), steigt dieser Wert um jeweils etwa 4° an.
10 zeigt den oben beschriebenen Fall: die Lichtaustrittfläche 37 ist so gewölbt, dass alle Strahlen senkrecht auf die Austrittsfläche 37 treffen und deshalb bei der Brechung keine Richtungsänderung erfahren (im Gegensatz zu einer sphärischen Austrittsfläche 11b einer als Halbkugel 11 ausgebildeten Vorsatzoptik). Der größte auftretende Winkel zwischen Lichtstrahl und der Vertikalen 39 stimmt deshalb mit dem Grenzwinkel der Totalreflexion (39° bei PC) überein. 11a zeigt die Lichtstärkeverteilung einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugleuchte 30 mit einer Vorsatzoptik 31 gemäß 10. In 11b ist ein senkrechter Mittelschnitt bei vertikal = 0° durch die Lichtstärkeverteilung aus Figur 11a gezeigt. Der maximale Winkel zwischen der Vertikalen 39 und einem Lichtstrahl beträgt 39°, was an der x-Achse der 11b abgelesen werden kann.
12 zeigt die mit dem Faktor 0,8 skalierte Lichtaustrittsfläche 37. 13a zeigt wiederum die entsprechende Lichtstärkeverteilung und 13b einen Schnitt bei vertikal = 0° durch dieselbe. Der maximale Winkel zwischen der Vertikalen 39 und einem Lichtstrahl ist auf 42° angestiegen°, was an der x-Achse der 13b abgelesen werden kann.
14 zeigt die mit dem Faktor 0,6 skalierte Lichtaustrittsfläche 37. 15a zeigt wieder die entsprechende Lichtstärkeverteilung und 15b einen Schnitt bei vertikal = 0° durch dieselbe. Der maximale Winkel zwischen der Vertikalen 39 und einem Lichtstrahl ist auf 46° angestiegen, was an der x-Achse der 15b abgelesen werden kann. Alle drei Verteilungen aus den 11, 13 und 15 zeigen in den Winkelbereichen eine weitgehend konstante Lichtstärke auf.
17a zeigt einen quadratischen paraboloiden Reflektor (z.B. Brennweite 35 mm) in einer Blickrichtung parallel zu der Rotationsachse 6 des Reflektors 5 und entgegen der Hauptabstrahlrichtung 32. Die Seitenlänge des Reflektors 5 beträgt z.B. 50 mm. Als Vorsatzoptik ist eine Halbkugel 11 gezeigt. 17b zeigt den quadratischen paraboloiden Reflektor 5 mit einer Vorsatzoptik 31, deren Lichtaustrittsfläche 37 mit dem Faktor 0,6 skaliert wurde (vergleiche 8, 9 und 14). In dem Fall der 17a strahlt die Vorsatzoptik 11 einen Lichtkegel mit einem Öffnungswinkel von etwa 35° aus. Im Fall der 17b beträgt der Öffnungswinkel wie oben beschrieben etwa 46°. Die beiden Reflektoren 5 sind so in den beiden Lichtkegeln angeordnet, dass erstens ihre gesamte Reflexionsfläche im Lichtkegel liegt und zweitens der Abstand zur Vorsatzoptik 11 bzw. 31 möglichst gering ist. Hierzu werden die beiden Vorsatzoptiken 11 bzw. 31 samt ihrer Abstrahlkegel um unterschiedliche Winkel um eine Achse geneigt, die durch das Leuchtmittel 2 verläuft. Dieser Abstand ist in dem engen Lichtkegel (17a) größer als in dem weiten Lichtkegel (17b) und beträgt in diesem Beispiel im Fall der 17a 34 mm und im Fall der 17b nur noch 10 mm. Dadurch ergibt sich in dem Fall der 17b bei Verwendung einer Vorsatzoptik 31 gemäß der 7 bis 9 eine deutliche Verringerung der Bauhöhe der Kraftfahrzeugleuchte 30.
Die 18a und 18b zeigen dieselben Kraftfahrzeugleuchten 10; 30 wie die 17a und 17b. In dieser Ansicht verkürzt sich die Bautiefe des Reflektors 5 von 47 mm auf 30 mm, wenn man von dem engen Lichtkegel (18a) zu dem weiten Lichtkegel (18b) wechselt. Die 19a und 19b zeigen eine perspektivische Ansicht der Kraftfahrzeugleuchten 10; 30 aus den 17a und 17b sowie 18a und 18b. Der Reflektor 5 nimmt in dem Fall der 19a ein Volumen (Quader) von 50 mm × 50 mm × 47 mm = 117,5 cm³ ein, in dem Fall der 19b 50 mm × 50 mm × 30 mm = 75 cm³. Die Effizienz der Leuchte 10 beträgt 46% und die Effizienz der erfindungsgemäßen Leuchte 30 53%. Damit errechnet sich der Qualitätsfaktor Q1 bei Verwendung einer Halbkugel 11 als Vorsatzoptik zu Q1 = 46/117,5 = 0,39. Bei Verwendung einer Vorsatzoptik 31 ergibt sich für die Kraftfahrzeugleuchte 30 der Qualitätsfaktor Q1 = 53/75 = 0,71. Dies stellt gegenüber dem Stand der Technik eine enorme Verbesserung dar.
Des Weiteren ist vorteilhaft, dass der unterhalb des Reflektors 5 benötigte Bauraum ebenfalls stark vermindert ist, was 17 entnommen werden kann, wobei der Abstand zwischen dem Leuchtmittel 2 und der Unterkante des Reflektors 5 bei Verwendung einer Vorsatzoptik 31 nur noch 10 mm statt 34 mm bei Verwendung einer Halbkugel 11 beträgt.
20a zeigt die Verteilung der Leuchtdichte über die Streuscheibe 7. In den 20b und 20c sind zwei vertikale Schnitte durch die Verteilung aus 20a gezeigt, ein Schnitt in der Mitte bei vertikal = 0° sowie ein Schnitt durch eine Punktereihe am Rand. Der hellste Wert liegt bei etwa 4,5 × Einheit, der dunkelste bei 1,25 × Einheit. Somit ergibt sich für das Qualitätsmerkmal Q2 ein Wert von etwa 3,6 (4,5/1,25). Dies ist für einen ungeübten Beobachter gerade noch erkennbar und verbessert den oben angegebenen Stand der Technik deutlich. Insgesamt ergibt sich also eine deutliche Verbesserung der Qualitätsmerkmale Q1 und Q2 durch die Verwendung einer Vorsatzoptik 31, wie sie bspw. In den 7 bis 10, 12 und 14 gezeigt ist.

Claims

Kraftfahrzeugleuchte (30) zur Realisierung einer gewünschten Lichtverteilung, mit – einem Leuchtmittel (2) zum Aussenden von Licht, – mindestens einem paraboloidförmigen Reflektor (5) zum Kollimieren zumindest eines Teils des Lichts des Leuchtmittels (2), wobei der mindestens eine Reflektor (5) in einer das Leuchtmittel (2) umfassenden Schnittebene betrachtet eine Parabelform aufweist, und – mindestens einem Licht brechenden Element, das zwischen dem Leuchtmittel (2) und dem mindestens einen Reflektor (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht brechende Element eine Vorsatzoptik (31) aus einem für das von dem Leuchtmittel (2) ausgesandte Licht transparenten Material umfasst, wobei eine im Wesentlichen ebene Eintrittsfläche (36) der Vorsatzoptik (31) zu dem Leuchtmittel (2) gerichtet und derart angeordnet ist, dass das Leuchtmittel (2) im Zentrum der Eintrittsfläche (36) angeordnet ist und eine Hauptabstrahlrichtung (3) des Leuchtmittels (2) durch das Zentrum der Eintrittsfläche (36) verläuft, und wobei die Vorsatzoptik (31) eine der Eintrittsfläche (36) gegenüberliegende gewölbte Austrittsfläche (37) aufweist, – deren Wölbung derart erzeugt ist, dass in einer senkrecht zur Eintrittsfläche (36) verlaufenden Mittelschnittebene betrachtet von dem Leuchtmittel (2) ausgesandte und über die Eintrittsfläche (36) in die Vorsatzoptik (31) eingekoppelte Lichtstrahlen die Vorsatzoptik (31) über eine Schnittkurve (38) zwischen der Mittelschnittebene und der Austrittsfläche (37) im Wesentlichen ohne eine Richtungsänderung verlassen, und die gewölbte Austrittsfläche (37) durch eine Rotation der Schnittkurve (38) um eine Rotationsachse (39) erzeugt ist, die parallel zu der Mittelschnittebene und senkrecht zu der Eintrittsfläche (36) verläuft, oder – die Austrittsfläche (37) eine Wölbung aufweist, die durch Skalieren der auf die zuvor beschriebene Weise erzeugten gewölbten Fläche (37) mit einem Skalierungsfaktor, der größer 0 und kleiner 1 ist, über die gesamte Fläche der Eintrittsfläche (36) erzeugt ist.
Kraftfahrzeugleuchte (30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Skalierungsfaktor über die gesamte Eintrittsfläche (36) konstant ist.
Kraftfahrzeugleuchte (30) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsfläche (36) eine quadratische Form aufweist.
Kraftfahrzeugleuchte (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an seitlichen Abschnitten der Vorsatzoptik (31), durch die keine von dem Leuchtmittel (2) ausgesandten Lichtstrahlen oder nur solche Lichtstrahlen hindurchtreten, die nicht zur Erzeugung der Lichtverteilung beitragen, Abstandselemente (33) über die Eintrittsfläche (36) hinaus ragen, über welche die Vorsatzoptik (31) an einer Platine (34), die auch das Leuchtmittel (2) trägt, in einem definierten Abstand zu dem Leuchtmittel (2) angeordnet ist.
Kraftfahrzeugleuchte (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (5) die Form eines Rotationsparaboloids oder eines Abschnitts eines Rotationsparaboloids aufweist.
Kraftfahrzeugleuchte (30) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brennpunkt (F) des Reflektors (5) auf dem Leuchtmittel (2), insbesondere auf einer Licht aussendenden Fläche eines Leuchtdioden-Chips eines als Leuchtdiode ausgebildeten Leuchtmittels, liegt.
Kraftfahrzeugleuchte (30) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rotationsachse (6) des Reflektors (5) durch einen Scheitel und den Brennpunkt (F) des Reflektors (5) verläuft.
Kraftfahrzeugleuchte (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (5) entgegen einer Hauptabstrahlrichtung (32) eine quadratische Form aufweist.
Kraftfahrzeugleuchte (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des reflektierten Lichts eine Streuscheibe (7) mit optisch wirksamen Streuelementen (7a; 7b) angeordnet ist, die eine horizontale und/oder vertikale Streuung des hindurchtretenden Lichts zur Erzielung der Lichtverteilung bewirken.
Kraftfahrzeugleuchte (30) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Streuelemente (7a; 7b) auf einer Innenseite der Streuscheibe (7) erste längliche Ausformungen mit parallel zueinander verlaufenden Längsachsen und/oder auf einer Außenseite der Streuscheibe (7) andere längliche Ausformungen mit parallel zueinander und senkrecht zu den Längsachsen der ersten Ausformungen verlaufenden Längsachsen umfasst.
Kraftfahrzeugleuchte (30) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausformungen Zylinderlinsen oder Abschnitte von Zylinderlinsen sind.