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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs mit einer Lichtquelle zum Emittieren von Licht, einem ersten optisch wirksamen Element und einem zweiten optisch wirksamen Element, wobei das erste optisch wirksame Element derart relativ zu der Lichtquelle angeordnet und ausgerichtet ist, dass zumindest ein Teil des von der Lichtquelle emittierten Lichts auf das erste optisch wirksame Element gelangt, und wobei das zweite optisch wirksame Element relativ zu dem ersten optisch wirksamen Element angeordnet ist, dass das erste optisch wirksame Element das auftreffende Licht der Lichtquelle in Richtung des zweiten optisch wirksamen Elements lenkt, und das zweite optisch wirksame Element ausgebildet ist, das auftreffende Licht des ersten optisch wirksamen Elements zur Erzeugung einer vorgegebenen Lichtverteilung der Beleuchtungseinrichtung nochmals umzulenken.
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Aus der
DE 10 2015 202 541 A1 sind Linsen für Beleuchtungseinrichtungen von Kraftfahrzeugen bekannt, die dazu benutzt werden, einen möglichst großen Anteil des von einem Leuchtmittel, bspw. einer Halbleiterlichtquelle, insbesondere einer Leuchtdiode, ausgesandten Lichts homogen auf einen Vorsatzreflektor zu lenken. Homogen bedeutet in diesem Zusammenhang, dass kleine Flächenelemente des Reflektors jeweils den gleichen Lichtstrom erhalten. Dies kann auch durch andere Linsen oder Reflektoren oder Lichtleiter erreicht werden. Somit ist die Verwendung der Linse aus der
DE 10 2015 202 541 A1 lediglich beispielhaft aufzufassen.
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In der
EP 2 770 247 A2 ist offenbart, wie in Beleuchtungseinrichtungen von Kraftfahrzeugen das Licht von einem Leuchtmittel, bspw. einer Halbleiterlichtquelle, insbesondere einer Leuchtdiode, mittels eines Lichtleiters auf einen großen weißen Reflektor geleitet wird. Von diesem wird es in alle Richtungen eines über dem weißen Reflektor ausgebildeten Halbraums abgelenkt. Ein Anteil der Lichtstrahlen trifft auf einen weiteren verspiegelten paraboloiden Reflektor, der eine gewünschte oder gesetzlich vorgegebene Lichtverteilung in oder entgegen der Fahrtrichtung des Fahrzeugs erzeugt. Ein Nachteil der Anordnung besteht darin, dass ein gewisser Anteil des Lichts nicht auf den weiteren verspiegelten paraboloiden Reflektor trifft und das System somit nicht sehr effizient arbeitet. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass linienförmige Facetten auf dem zweiten Reflektor nicht zu erkennen sind, da sie ebenso wie die Bereiche neben diesen Facetten homogen weiß strahlend erscheinen (Kontrast „hellweiß auf dunkelweiß“).
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In der nachveröffentlichten
DE 20 2016 104 672 U1 wird versucht, das Ziel zu erreichen, mittels linienförmiger Facetten eine gesetzlich vorgegebene Lichtstärkeverteilung zu erzeugen. Aufgrund der geringen flächigen Ausdehnung der Leuchtmittel muss jedoch eine Vielzahl von Leuchtmitteln verwendet werden (Kosten), um den Bereich auszudehnen, in dem die Facetten vollständig leuchtend erscheinen sollen.
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Bei Beleuchtungseinrichtungen ist eine ausreichende Sichtbarkeit der Beleuchtungseinrichtung für einen Betrachter aus relativ großen Betrachterblickwinkeln ein wichtiger Faktor, den es zu erfüllen gilt. Das bedeutet, dass die Beleuchtungseinrichtung nicht nur in der Hauptabstrahlrichtung, sondern auch in Betrachterwinkeln schräg dazu gut sichtbar sein sollte. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Beleuchtungseinrichtung linienartige Facetten aufweist, die aus einem möglichst großen Betrachterblickwinkelbereich als leuchtend zu erkennen sein sollten.
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Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, eine Beleuchtungseinrichtung mit linienartigen Facetten zu schaffen, die aus einem möglichst großen Blickwinkelbereich eines Betrachters als linienförmig, nach Möglichkeit gleich hell leuchtende Facetten zu erkennen sein sollten.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ausgehend von der Beleuchtungseinrichtung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass das erste optisch wirksame Element ein Reflektor mit einer Vielzahl von Facetten auf seiner Reflexionsfläche umfasst, die derart ausgestaltet sind, dass das von jeder einzelnen Facette reflektierte Licht ein Lichtbündel mit einem vorgebbaren Öffnungswinkel bildet, dass in dem Strahlengang zwischen der Lichtquelle und dem ersten Reflektor eine Vorsatzoptik angeordnet ist, die ausgebildet ist, das Licht der Lichtquelle auf die gesamte Reflexionsfläche des ersten Reflektors zu lenken und diese mit einer konstanten Helligkeit auszuleuchten, und dass das zweite optisch wirksame Element einen Reflektor mit einer Vielzahl von linienartigen Facetten auf seiner Trägerfläche umfasst. Die Beleuchtungseinrichtung umfasst also drei optisch wirksame Elemente, zwei Reflektoren und eine dazwischen angeordnete Vorsatzoptik, die bspw. eine Linse ist.
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Die Lichtquelle umfasst vorzugsweise eine oder mehrere Halbleiterlichtquellen, insbesondere Leuchtdioden (LEDs). Die zwischen der Lichtquelle und dem erste Reflektor im Strahlgang angeordnete Vorsatzoptik besteht vorzugsweise aus einem massiven transparenten Material, insbesondere Kunststoff, und sorgt dafür, dass das von der näherungsweise punktförmigen Lichtquelle ausgesandte Licht auf die gesamte Reflexionsfläche des ersten Reflektors trifft und diese möglichst homogen (mit gleicher Intensität) ausleuchtet. Durch die Vielzahl an Facetten auf der Reflexionsfläche des ersten Reflektors wird eine Vielzahl von virtuellen Lichtquellen geschaffen, die alle im Wesentlichen gleich hell strahlen. Jeder Punkt auf dem zweiten Reflektor wird somit von einer Vielzahl von Facetten des ersten Reflektors, vorzugsweise von allen Facetten des ersten Reflektors, aus unterschiedlichen Richtungen mit von diesen reflektiertem Licht bestrahlt. Unabhängig von der Ausgestaltung und Anordnung der linienförmigen Facetten auf dem zweiten Reflektor, können diese einen ausreichend großen Teil des auftreffenden Lichts mit einem ausreichend großen Öffnungswinkel reflektieren, so dass das reflektierte Licht, welches die resultierende Lichtverteilung der Beleuchtungseinrichtung bildet, aus einem sehr großen Blickwinkelbereich eines Betrachters wahrgenommen werden kann. Für den Betrachter erscheinen die linienartigen Facetten somit in dem großen Blickwinkelbereich als weitgehend gleich hell leuchtende Facetten.
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Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen möglichst großen Anteil des von dem Leuchtmittel, bspw. einer Halbleiterlichtquelle, insbesondere einer Leuchtdiode, abgestrahlten Lichtstroms möglichst homogen auf eine ersten Vorsatzreflektor zu verteilen. Dies kann bspw. mittels einer an sich aus der
DE 10 2015 202 541 A1 bekannten Linse erzielt werden. Der Vorsatzreflektor ist mit Facetten belegt, die vorzugsweise so ausgebildet sind, dass jede Facette den zweiten, mit linienförmigen Facetten belegten Reflektor vollständig ausleuchtet. Dies hat wiederum zur Folge, dass jedes Flächenelement des zweiten Reflektors von dem gesamten ersten Reflektor bestrahlt wird und somit jede linienförmige Facette des zweiten Reflektors in einen großen Winkelbereich strahlt und damit aus eben diesem Winkelbereich strahlend wahrgenommen werden kann.
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Wesentliche Vorteile der vorliegenden Erfindung gegenüber dem aus der
EP 2 770 247 A2 bekannten Stand der Technik sind eine deutlich größere Designfreiheit. Damit das aus der
EP 2 770 247 A2 bekannte System effizient arbeitet, muss der Reflektor, der mit Licht von einer weißen reflektierenden Fläche bestrahlt wird, die weiße reflektierende Fläche möglichst vollständig umfassen. Dies kann nur von der als „Souffleuse“ bezeichneten Reflektorausführung geleistet werden. Damit ist die Freiheit für eine designgegebene Ausführung deutlich eingeschränkt.
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Wesentliche Vorteile der vorliegenden Erfindung gegenüber dem aus der
DE 20 2016 104 672 U1 bekannten Stand der Technik sind die bessere Sichtbarkeit der linienförmigen Facetten des Reflektors aus größeren Betrachterwinkeln. In der
DE 20 2016 104 672 U1 müssen aufgrund der geringen Größe der Leuchtmittel (z.B. der LED-Chips) mehrere Leuchtmittel verwendet werden, um auf diese Weise die leuchtende Leuchtmittelfläche zu vergrößern (Kosten). Bei der vorliegenden Erfindung kann dies ohne eine Vergrößerung der Leuchtmittelfläche, allein durch eine entsprechende Ausgestaltung der übrigen Komponenten (Reflektoren, Facetten) der Beleuchtungseinrichtung realisiert werden. In der
DE 20 2016 104 672 U1 ist es nur möglich, die gesamte durch die linienförmigen Facetten erzeugte Figur (vgl.
15 links in
DE 20 2016 104 672 U1 ) zu beobachten, wenn sich der Beobachter in einem Bereich befindet, in den sowohl vertikale als auch horizontale linienförmige Facetten strahlen, also etwa innerhalb des Bereichs horizontal und vertikal +/- 6°. Befindet sich der Beobachter dagegen bei etwa horizontal 15°/vertikal 5°, so sieht er nur noch die in
15 der
DE 20 2016 104 672 U1 rechts gezeigten vertikalen Facetten, da die horizontalen Facetten in
15 links nicht horizontal streuen. Als Konsequenz aus diesem Sachverhalt muss im Stand der Technik die leuchtende Figur so gewählt werden, dass sie für jede gewünschte Beobachtungsrichtung eine Teilfigur aufweist, was eine deutliche Einschränkung der Menge an möglichen leuchtenden Figuren bedeutet. Auch hier kann die Erfindung Abhilfe schaffen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Facetten des ersten Reflektors derart ausgestaltet sind, dass das von jeder einzelnen Facette reflektierte Lichtbündel den gesamten zweiten Reflektor bestrahlt. Somit ist der Öffnungswinkel von jeder einzelnen Facette des ersten Reflektors reflektierten Lichtbündels so groß, dass er die gesamte Reflexionsfläche des zweiten Reflektors umfasst. Die einzelnen Facetten des ersten Reflektors sind des Weiteren vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Mittelstrahlen der von den Facetten des ersten Reflektors reflektierten Lichtbündel schräg zueinander verlaufen. Zudem strahlen die von am äußeren Rand des ersten Reflektors angeordneten Facetten reflektierten Lichtbündel schräg auf den zweiten Reflektor, so dass sie einen geringeren Öffnungswinkel aufweisen können als weiter zur Mitte des ersten Reflektors hin angeordnete Facetten, deren Lichtbündel eher senkrecht oder nahezu senkrecht bzw. mit geringer Schräge auf den zweiten Reflektor auftreffen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass Reflexionsflächen der linienartigen Facetten des zweiten Reflektors im Querschnitt die Form einer Geraden aufweisen, so dass der zweite Reflektor die auftreffenden Lichtbündel unter Beibehaltung der Öffnungswinkel reflektiert. Linienartige Facetten mit einer geraden Reflexionsfläche sind bspw. als Segmente eines ebenen Reflektors ausgebildet. xxx
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Beispiel für komplizierte „zylindrische“ Facettenstruktur, wie sie auf einer Trägerfläche eines zweiten Reflektors einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung ausgebildet sein kann;
- 2a einen Querschnitt durch eine zylinderförmige Facette, die auf einer Reflexionsfläche eines zweiten Reflektors einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung ausgebildet sein kann;
- 2b einen Längsschnitt durch die zylinderförmige Facette aus 2a;
- 3 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung mit kreisförmigen linienartigen Facetten auf einer Trägerfläche des zweiten Reflektors in einer sog. „In-Axis“-Ausführung in perspektivischer Ansicht;
- 4a die Beleuchtungseinrichtung aus 3 in einer Schnittansicht von oben;
- 4b einen Ausschnitt der Lichtquelle und einer Vorsatzoptik (z.B. Linse) der Beleuchtungseinrichtung aus 4a;
- 5 die Beleuchtungseinrichtung aus 4a mit beispielhaft für eine Facette des ersten Reflektors eingezeichneten Lichtstrahlen;
- 6 die Beleuchtungseinrichtung aus 4a mit beispielhaft für alle Facetten des ersten Reflektors eingezeichnete Lichtstrahlen, die sich auf einem Punkt des zweiten Reflektors treffen;
- 7 die Beleuchtungseinrichtung aus 6 mit beispielhaft eingezeichneten, an den Facetten des zweiten Reflektors reflektierten Lichtbündeln und deren Öffnungswinkeln;
- 8a einen Ausschnitt der Beleuchtungseinrichtung aus 6 mit einem mit einem bestimmten Öffnungswinkel auf den zweiten Reflektor aus einer bestimmten Richtung auftreffenden Lichtbündel und das an einer Facette des zweiten Reflektors reflektierte Lichtbündel;
- 8b einen Ausschnitt der Beleuchtungseinrichtung aus 6 mit einem mit einem anderen Öffnungswinkel auf den zweiten Reflektor aus einer anderen Richtung auftreffenden Lichtbündel und das an einer Facette des zweiten Reflektors reflektierte Lichtbündel;
- 8c einen Ausschnitt der Beleuchtungseinrichtung aus 6 mit einer gewölbten Trägerfläche des zweiten Reflektors und mit einem mit einem anderen Öffnungswinkel auf den zweiten Reflektor aus einer anderen Richtung auftreffenden Lichtbündel und das an einer Facette des zweiten Reflektors reflektierten Lichtbündel;
- 9 einen Ausschnitt der Beleuchtungseinrichtung aus 6 mit einer gewölbten Trägerfläche des zweiten Reflektors und mit mehreren mit einem Öffnungswinkel auf den zweiten Reflektor aus unterschiedlichen Richtungen auftreffenden Lichtbündeln und die an Facetten des zweiten Reflektors reflektierten Lichtbündel;
- 10 ein leuchtendes Erscheinungsbild der Beleuchtungseinrichtung aus 3 mit den kreisförmigen linienartigen Facetten auf der Trägerfläche des zweiten Reflektors;
- 11 verschiedene leuchtende Erscheinungsbilder der Beleuchtungseinrichtung aus 3, wobei eine Beobachtungsrichtung beginnend oben links nach rechts und unten links nach rechts um jeweils 5° horizontal weiter von der 0°/0°-Richtung abweicht;
- 12 eine andere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung in einer sog. „Off-Axis“-Ausführung in einer Seitenansicht; und
- 13 die Beleuchtungseinrichtung aus 12 mit der Wirkung von auf einer Trägerfläche des ersten Reflektors angeordneten Facetten.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung 20 eines Kraftfahrzeugs, die bspw. als eine Kraftfahrzeugleuchte ausgebildet sein kann. Eine solche Leuchte dient bspw. zur Erzeugung einer Lichtverteilung als Standlicht, Positionslicht, Tagfahrlicht, Blinklicht, Bremslicht, Rücklicht, Rückfahrlicht, Seitenmarkierungslicht o.ä. Die Leuchte kann im vorderen Bereich eines Kraftfahrzeugs, im hinteren Bereich oder an einer Seite eines Kraftfahrzeugs angeordnet sein.
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Im Folgenden wird anhand der 3 bis 11 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung 20 in Form einer sog. „In Axis“-Ausführung beschreiben. Diese Ausführung hat zwar das Problem, dass die einzelnen optischen Komponenten die ungehinderte Lichtausbreitung zwischen anderen optischen Komponenten beeinträchtigen können. Nichtsdestotrotz wäre eine solche Ausführung trotz des leicht eingeschränkten Wirkungsgrades funktionsfähig. Ferner ist ein solches System einfach in Schnitten zu beschreiben. Natürlich könnte auch eine „Off Axis“-Ausführung (vgl. 12 und 13) voll funktionstüchtig hergestellt werden, wobei diese dann die gleichen Merkmale wie die „In Axis“-Ausführung aufweist.
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Zunächst werden anhand der 1 und 2 einige grundsätzliche Überlegungen, die für die vorliegende Erfindung von Bedeutung sind, näher beschrieben. 2a zeigt eine Ansicht senkrecht zu einer Achse 12 einer Facette in Form eines reflektierenden Zylinders 10 bzw. eines Zylindersegments, das einen entlang der Zylinderachse 12 beschnittenen Zylinder umfasst. 2b zeigt eine Ansicht entlang der Achse 12 des reflektierenden Zylinders 10. Derartige linienartige Facetten 10 können bspw. auf der Träger- oder Reflexionsfläche 34 des zweiten Reflektors 30 ausgebildet bzw. angeordnet sein. Der Zylinder 10 wird von einer Lichtquelle 14 bestrahlt, die bspw. eine oder mehrere Halbleiterlichtquellen, insbesondere LEDs, umfassen kann. Es wird jeweils nur ein kleines reflektierendes Flächenelement des Zylinders 10 betrachtet. In einer Ebene senkrecht zu dem Zylinder 10 (vgl. 2a) „sehen“ die Lichtstrahlen 16 ein gekrümmtes Reflexionselement 10a. Deshalb wird der Öffnungswinkel α_a des Lichtbündels 16 in dieser Ebene bei der Reflexion vergrößert. In einer Ebene, welche die Achse 12 des Zylinders 10 enthält (vgl. 2b), treffen die Lichtstrahlen 16 auf ein ebenes Reflexionselement 10b, weshalb der Öffnungswinkel α_b des Lichtbündels 18 bei der Reflexion nicht verändert wird.
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Nur ein Beobachter, der sich im reflektierten Bündel 18 befindet, sieht das Flächenelement 10a, 10b leuchten. Für den Beobachter außerhalb des Bündels 18 erscheint das Flächenelement 10a, 10b dunkel. Während der Bündelöffnungswinkel α_a im Schnitt senkrecht zur Achse 12 (vgl. 2a) durch Verkleinern des Radius des Zylinders 10 oder Vergrößern der Lichtquelle 14 vergrößert werden kann, hat man in der Ebene, welche die Achse 12 enthält (vgl. 2b), nur die Möglichkeit, die Lichtquelle 14 zu vergrößern, um den Bündelöffnungswinkel α_b zu vergrößern. Dabei wird davon ausgegangen, dass der Einfluss des Abstands der Lichtquelle 14 vom Zylinder 10 bzw. von dem reflektierenden Flächenelement 10a, 10b in beiden Fällen vorgegeben und unveränderlich sei. Bei einer komplizierten „zylindrischen“ Facette, wie sie bspw. in 1 gezeigt ist, kann die Lichtquelle 14 nicht beliebig nahe an einen Punkt des Zylinders 10 geführt werden, da dann der Abstand zu anderen Punkten wachsen würde.
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Zusammengefasst kann also gesagt werden: In Schnitten senkrecht zur Facette 10 (vgl. 2a) gibt es keine Probleme mit der Größe des Öffnungswinkels α_a. In Schnitten, welche die Achse 12 der Facette 10 enthalten (vgl. 2b), wird eine große Lichtquelle 14 benötigt. Da die linienförmigen Facetten 10 ihre Richtung (und damit auch die beiden Schnittebenen) „beliebig“ ändern können (vgl. 1), muss die Lichtquelle 14 in allen Richtungen so groß ausgedehnt sein, dass die Öffnungswinkel α_a, α_b der auf den Facetten 10 reflektierten Lichtbündel 18 mindestens so groß sind, dass gesetzliche Vorgaben an die Lichtstärkeverteilung der resultierenden Lichtverteilung erfüllt werden und des Weiteren bei Betrachtung der resultierenden Lichtverteilung innerhalb eines vorgegebenen Betrachtungsbereichs (der größere Winkel als die gesetzlichen Vorgaben umfassen kann) die von der oder von den Facetten 10 erzeugte Figur leuchtend erscheint (gute Sichtbarkeit der leuchtenden Facetten 10 innerhalb eines vorgegebenen Betrachterwinkelbereichs).
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In allen Figuren sind nur die optisch wirksamen Flächen dargestellt. Auf Wandstärken und andere Flächen, die keine optische Wirkung zeigen, wurde im Sinne einer besseren Übersichtlichkeit verzichtet. Gleichwohl sind solche anderen Flächen bei der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung vorhanden.
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3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung 20. Dabei handelt es sich um die sog. „In Axis“-Ausführung, bei der die optischen Komponenten entlang einer optischen Achse 32 angeordnet sind. In der Mitte ist der Ort von mindestens einer Leuchtdiode 14 mittels eines kleinen Kreises symbolisch dargestellt. Bei Verwendung mehrerer Leuchtdioden 14 können diese Licht der gleichen oder unterschiedlicher Farben emittieren. Ferner können bei Verwendung mehrerer Leuchtdioden 14 diese einzeln oder in Gruppen angesteuert werden, damit die Beleuchtungseinrichtung 20 unterschiedliche Lichtfunktionen erzeugen kann, bspw. unterschiedlicher Helligkeit (beim Betrieb unterschiedlich vieler LEDs 14, die alle Licht der gleichen Farbe aussenden, oder beim Betrieb aller LEDs 14, die alle Licht der gleichen Farbe aussenden, mit unterschiedlicher Intensität) oder unterschiedlicher Farben (beim Betrieb unterschiedlicher LEDs 14, die Licht unterschiedlicher Farbe aussenden).
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Das abgegebene Licht trifft eine ebene Eintrittsfläche
22 einer dünnen Vorsatzoptik
24, z.B. in Form einer Vorsatzlinse, und verlässt diese durch eine, vorzugsweise der ebenen Fläche
22 gegenüberliegende, gekrümmte Fläche innerhalb eines Kreiskegels, der einen vorgegebenen Öffnungswinkel aufweist. Eine solche Vorsatzlinse
24 ist an sich bspw. aus der
DE 10 2015 202 541 A1 bekannt. Hinsichtlich Aufbau und Funktionsweise wird ausdrücklich auf diese Veröffentlichung Bezug genommen. Bei entsprechender Verzerrung der Linse
24 kann der die Linse
24 verlassende Lichtkegel auch eine elliptische oder ovale Form aufweisen, also in zwei senkrecht zueinander gelegten Schnittebenen einen größten und einen kleinsten Öffnungswinkel aufweisen, was im sog. off-axis Fall (vgl.
12 und
13) wichtig ist.
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Das nächste Element im Strahlengang ist ein Vorsatzreflektor 26. Dieser ist so im Strahlengang platziert, dass der gesamte Lichtstrom, der die Linse 24 verlässt, auf den Vorsatzreflektor 26 fällt. Dabei wird - dank der Linse 24 - die gesamte Reflexionsfläche des Reflektors 26 mit etwa konstantem Lichtstrom pro Flächeneinheit beaufschlagt. Der Reflektor 26 besteht nicht aus einer glatten Fläche (wie beispielsweise einem Paraboloid), sondern ist komplett mit Facetten 28 belegt. Diese spiegeln das Licht auf einen zweiten Reflektor 30, der mit den linienförmigen Facetten 10 belegt ist. Die Facetten 28 des ersten Reflektors 26 bilden somit eine Vielzahl von virtuellen Lichtquellen, die den zweiten Reflektor 30 aus unterschiedlichen Richtungen im Wesentlichen gleich hell anstrahlen.
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In 3 sind nur die hier in diesem Ausführungsbeispiel kreisförmigen linienartigen Facetten 10 dargestellt, das Trägerelement des Reflektors 30, auf dem die Facetten 10 angeordnet sind, ist der besseren Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt. Die linienförmigen Facetten 10 spiegeln wiederum das Licht in eine gesetzlich vorgegebene Verteilung (Mindestanforderung) oder in einen vorgegebenen Betrachtungsbereich, innerhalb dessen die kreisförmigen Facetten komplett leuchtend erscheinen sollen. Das Zentrum der gesetzlichen Verteilung ist durch die 0°/0° (horizontal/ vertikal)-Richtung vorgegeben, die bei Scheinwerfern mit der Fahrtrichtung zusammenfällt, bei Heckleuchten der Fahrtrichtung entgegengesetzt ist. Die horizontale Breite der Verteilung beträgt mindestens +/-20°, die vertikale mindestens +/-10°. Wenn die Lichtstärke in 0°/0°-Richtung 100% beträgt, fällt sie an den Grenzen der Verteilung auf etwa 20% ab.
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4a zeigt einen die Achse 32 enthaltenden Schnitt durch die Beleuchtungseinrichtung 20 aus 3, wobei statt der linienförmigen Facetten 10 auf dem zweiten Reflektor 30 nur eine Trägerfläche 34 für diese Facetten 10 dargestellt ist. Die von der mindestens einen Leuchtdiode 14 abgegebenen Strahlen durchdringen die Linse 24 (4b zeigt einen vergrößerten Ausschnitt) und treffen auf den Vorsatzreflektor 26. Dieser ist komplett mit Facetten 28 belegt, die derart ausgestaltet sind, dass das von jeder einzelnen Facette 28 reflektierte Licht den gesamten zweiten Reflektor 30 bestrahlt. Somit verfehlt kein von dem ersten Reflektor 26 reflektiertes Licht den zweiten Reflektor 30, wodurch sich eine besonders hohe Effizienz des Systems ergibt.
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5 zeigt die Wirkung anhand einer einzigen Facette 28 des Vorsatzreflektors 26. Man erkennt deutlich, wie das von einer einzigen Facette 28 reflektierte Licht den gesamten zweiten Reflektor 30 bestrahlt. 6 zeigt umgekehrt, dass jeder Punkt P des zweiten Reflektors 30 von jeder Facette 28 des ersten Reflektors 26 bestrahlt wird. Der Öffnungswinkel β des Lichtbündels 36, das an jedem Punkt P auf dem zweiten Reflektor 30 ankommt, ist durch den Abstand zwischen den Reflektoren 26 und 30, den Durchmesser des ersten Reflektors 26, die Form der Trägerfläche 34 des zweiten Reflektors 30 und die Lage des betrachteten Punktes P auf dieser Trägerfläche 34 festgelegt.
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7 zeigt rechts wieder den facettierten Vorsatzreflektor 26 und links die Trägerfläche 34 für die linienhaften Facetten 10 des zweiten Reflektors 30. An einem Punkt P (mit Flächennormalen N) treffen wieder die Strahlen des Lichtbündels 36 von allen Facetten 28 des Vorsatzreflektors 26 ein. Eingezeichnet sind (gestrichelt) die bündelbegrenzenden Strahlen 38 und (gestrichelt fett) ein mittlerer Strahl 40 (sog. Mittelstrahl) des Bündels 36. Auf der Trägerfläche 34 sollen „beliebige“ linienförmige Facetten 10, bspw. die Facetten 10 aus 1 oder 2, platziert werden können. Das heißt, dass entweder der in 2a dargestellte Fall eintreten kann, dass nämlich die am Punkt P liegende Facettenachse 12 senkrecht zur Zeichenebene steht und somit das reflektierte Bündel 18 auf jeden benötigten Öffnungswinkel α_a aufgeweitet werden kann oder dass der in 2b dargestellte Fall eintritt, dass nämlich die am Punkt P liegende Facette 10 eine Achse 12 in der Zeichenebene aufweist, das Bündel 18 nach der Reflexion also denselben Öffnungswinkel β' aufweist wie vor der Reflexion (Öffnungswinkel β).
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Für die möglichen Orientierungen einer Facette 10 zwischen diesen beiden Extremen ergeben sich verschiedene Bündelöffnungsaufweitungen. In 7 ist der ungünstigste Fall dargestellt: das Lichtbündel 18 nach der Reflexion (gepunktet) weist denselben Öffnungswinkel β' wie vor der Reflexion (β) auf. Fett gepunktet ist der Mittelstrahl 42 des reflektierten Bündels 18 eingezeichnet. Fett durchgezogen ist die 0°/0°-Richtung eingezeichnet. Falls an die Anordnung 20 die Vorgabe besteht, dass die linienförmigen Facetten 10 bis zu einem Grenzwinkel x vollständig leuchtend erscheinen sollen, dann muss die Ausgestaltung und Anordnung der Facetten 10 derart gewählt sein, dass der Winkel a in 7 größer oder gleich x ist. Diese Bedingung muss für alle Punkte P auf der Trägerfläche 34 des zweiten Reflektors 30 in allen Schnittebenen durch die Anordnung 20 erfüllt sein.
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8a zeigt schematisch unten den Vorsatzreflektor 26 und oben den die linienförmigen Facetten 10 tragenden Reflektor 30. An einem am rechten Rand dieses Reflektors 30 gelegenen Punkt P trifft ein von dem gesamten Vorsatzreflektor 26 abgestrahltes Bündel 36 (gestrichelt) ein (wie in 6), das bei in der Papierebene liegender Achse 12 einer linienförmigen Facette 10 durch Spiegelung in das gepunktete Bündel 18 mit gleichem Öffnungswinkel β' überführt wird, das nach „rechts unten“ gerichtet ist (vgl. den Mittelstrahl 42). Nur ein sich innerhalb dieses Öffnungswinkels β' des Lichtbündels 18 befindlicher Beobachter erkennt die Facette 10 leuchtend; einem Beobachter „links unten“ erscheint die Facette 10 nicht leuchtend, da er sich außerhalb des Bündels 18 befindet. Lässt man den Auftreffpunkt des gestrichelten Bündels 36 mehr zur Mitte des zweiten Reflektors 30 hin wandern (vgl. 8b), wird der Winkel, unter dem man auch „links unten“ etwas sieht, größer. Es handelt sich somit um ein Randproblem.
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Um die Facette 10 auf der Trägerfläche 34 des zweiten Reflektors 30 auch am Rand für einen Beobachter „links unten“ sichtbar zu machen, bietet sich als erstes die in 8b dargestellte Möglichkeit an: Ein Vergrößern des Vorsatzreflektors 26 über den Rand des zweiten Reflektors 30 hinaus führt zum einen zu einem breiteren, an der Facette 10 reflektierten Bündel 18 (größerer Öffnungswinkel β">β'), das zum anderen auch nach „links unten“ strahlt (vgl. den Mittelstahl 42).
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8c zeigt ausgehend von der Konstellation der 8a ferner eine zweite Möglichkeit, wie die Facette 10 auf der Trägerfläche 34 des zweiten Reflektors 30 auch am Rand für einen Beobachter „links unten“ sichtbar gemacht werden kann: durch vorzugsweise konkaves Krümmen der Trägerfläche 34 des zweiten Reflektors 30 wird die Flächennormale N auf dem Punkt P, zu der im Reflexionsgesetz die Winkel gemessen werden, geneigt (in 8c ist eine Neigung nach rechts deutlich erkennbar). Dies führt zur Drehung des Lichtbündels 18 (in 8c im Uhrzeigersinn), so dass wiederum auch ein Beobachter „links unten“ die Facette 10 leuchtend sieht. Der Bündelöffnungswinkel β' bleibt dabei unverändert. Natürlich kann das in 8a gezeigte Problem auch durch eine Kombination der Maßnahmen aus den 8b und 8c gelöst werden, wobei das an den linienartigen Facetten 10 des zweiten Reflektors 30 reflektierte Lichtbündel 18 dann sowohl aufgeweitet als auch gedreht wird.
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Da die beschriebene Problematik immer am Rand des zweiten Reflektors 30 auftritt, kann das Problem vermieden werden, indem man in der Nähe des Reflektorrandes nur Facetten 10 verwendet, die möglichst parallel zum Rand des Reflektors 30 verlaufen (Wirkung wie in 2a gezeigt).
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9 zeigt erneut die Maßnahme aus
8c. Für einige Punkte P_i (i hier 1...6) auf dem zweiten Reflektor
30 sind die Grenzstrahlen
38 der ankommenden (gestrichelten) Bündel
36 und der reflektierten (gepunkteten) Bündel
18 eingezeichnet. Die strichpunktierte Linie stellt die 0°/0°-Richtung dar. Relativ zu dieser Richtung sind für die reflektierten Bündel
18 die Abweichungen nach links (L) und rechts (R) und die Bündelbreite (L+R) in der nachfolgenden Tabelle eingetragen.
| Nr. | L [°] | R [°] | L+R [°] |
| 1 | 25,7 | 25,6 | 51,3 |
| 2 | 27,2 | 27,4 | 54,6 |
| 3 | 28,4 | 28,7 | 57,1 |
| 4 | 29,4 | 29,7 | 59,1 |
| 5 | 30,0 | 30,2 | 60,2 |
| 6 | 30,3 | 30,3 | 60,6 |
| Rest symmetrisch |
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Es gelingt zwar, dass die reflektierten Bündel 18 nach links (L) und rechts (R) annähernd gleich weit geöffnet sind, es gelingt aber nicht, gleichzeitig die Bündelbreite (L+R) für alle Punkte P_i auf dem zweiten Reflektor 30 konstant zu halten. Im dargestellten Beispiel würde ein Beobachter, der sich bei 30,3° links befindet, nur eine Facette 10 in der Mitte des Reflektors 30 (bei P_6) leuchtend sehen. Erst wenn er sich nach 25,6° links bewegt hat, würde der den gesamten zweiten Reflektor 30 bzw. alle über den Reflektor 30 verteilten Facetten 10 leuchtend wahrnehmen können. Wenn man auf die Forderung, dass die linke gleich der rechten Bündelbreite ist, verzichtet, kann man über dem ersten Reflektor 26 einen Fasskreisbogen konstruieren. Durch Rotation der Kurve erhält man eine Fläche, auf der an jedem Punkt P Bündel 36 derselben (wählbaren) Öffnung α'_b ankommen.
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10 zeigt das leuchtende Erscheinungsbild der Anordnung 20 aus 3 bzw. der linienartigen Facetten 10 des zweiten Reflektors 30, betrachtet aus der 0°/0°-Richtung, die durch den Ort der Leuchtdiode 14 und den Mittelpunkt des ersten Reflektors 26 gegeben ist. Die Darstellung der 10 ist also entgegen der 0°/0°-Richtung betrachtet.
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11 zeigt das Erscheinungsbild derselben Anordnung 20, wobei die Beobachtungsrichtung beginnend oben links nach rechts und unten links nach rechts um jeweils 5° horizontal weiter von der 0°/0°-Richtung abweicht. Das heißt oben links ist das Erscheinungsbild bei einem Beobachterwinkel von 5° horizontal dargestellt, rechts daneben bei einem Winkel von 10° und nochmals rechts daneben bei einem Winkel von 15° dargestellt. In der Reihe darunter ist links das Erscheinungsbild bei einem Beobachterwinkel von 20°, rechts daneben bei 25° und ganz rechts unten bei einem Winkel von 30° dargestellt. Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe einer Sichtbarkeit der leuchtenden linienartigen Facetten 10 aus einem möglichst großen Betrachterwinkel wird innerhalb eines großen Winkelbereichs erfüllt. Die Effizienz des Gesamtsystems 20 liegt bei etwa 13%. Sie kann gesteigert werden, indem man mehr und/oder breitere Facetten 10 auf die Trägerfläche 34 des zweiten Reflektors 30 aufbringt. Die Facetten 10 wurden kreisförmig gewählt, weil dies eine der schwierigsten Formen ist, da sie in jede Richtung einen Bereich enthalten, der 2b entspricht, so dass die Sichtbarkeit der Facetten 10 nur aus einem begrenzten Betrachterwinkelbereich gegeben ist.
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Bisher wurde die Sichtbarkeit immer auf den Facetten 10 diskutiert. Dies ist jedoch umständlich. Im Folgenden wird nur die Trägerfläche 34 des zweiten Reflektors 30 betrachtet. Wenn diese aus allen Beobachtungsrichtungen leuchtend erscheint, erscheinen natürlich auch Facetten 10, die sich an die Trägerfläche 34 tangential anschmiegen, leuchtend. Natürlich ist es in diesem Fall auch möglich, aus der Trägerfläche 34 Bereiche zu entfernen und die verbliebene Trägerfläche 34 als „Facetten“ zu bezeichnen.
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Statt des in 2a gezeigten Kreisquerschnitts der Facetten 10 können auch Ellipsen, Parabeln, Splines, Geraden oder aus diesen Elementen zusammengesetzte Querschnitte verwendet werden. Die Querschnitte können für alle Facetten 10 identisch oder verschieden ausgebildet sein. Weiterhin können die Querschnitte auch innerhalb ein und derselben Facette 10 entlang der Längsachsen 12 variieren. Statt des in 2a gezeigten konvexen Querschnitts kann der Querschnitt auch konkav ausgeführt sein.
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12 zeigt eine andere alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (sog. Off Axis-Ausführung). Der Ort der Leuchtdiode
14 ist wieder durch einen kleinen Kreis gekennzeichnet. Das von der Leuchtdiode
14 abgegebene Licht durchdringt die Linse
24 (vgl. bspw.
DE 10 2015 202 541 A1 ) und breitet sich anschließend in einem Kreiskegel
44 (Öffnungswinkel = Grenzwinkel der Totalreflexion des verwendeten Materials der Linse
24) aus. In den Lichtkreiskegel
44 taucht ein erster Reflektor
26, auf den je nach benötigter Effizienz alle oder auch nur ein Teil der Strahlen fallen. Auf einer Trägerfläche des ersten Reflektors
26 sind Facetten
28 angeordnet (in
12 nicht dargestellt). Sie ist so ausgeführt, dass die Strahlen, wenn sie auf der Trägerfläche reflektiert würden, anschließend parallel verlaufen und schließlich auf einen zweiten Reflektor
30 treffen .Dies lässt sich bspw. dadurch realisieren, dass die Trägerfläche in einem senkrecht zur Reflexionsfläche des zweiten Reflektors
30 stehenden Schnittebene (z.B. der Zeichenebene der
12) eine Parabelform aufweist oder dass die Trägerfläche allgemein eine Paraboloidform aufweist.
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Der hier gezeigte Reflektor 30 soll mit linienförmigen Facetten 10 beaufschlagt werden, die aus einem bestimmten Beobachtungsbereich betrachtet komplett leuchtend erscheinen sollen. Eingezeichnet sind weiterhin Randstrahlen (dünn gestrichelt) 46 des Lichtbündels 44, 38' des Lichtbündels 36 und 48 des Lichtbündels 18, die den Raumbedarf der Lichtbündel 44, 36, 18 kennzeichnen. Die fett gestrichelte Linie gibt die 0°/0°-Richtung an. Die Anordnung 20 kann um jeden beliebigen Winkel um die 0°/0°-Achse rotiert im Fahrzeug verbaut werden. Die hier gezeigte Lage hat jedoch den Vorteil, dass der erste Reflektor 26 als Blende dient, die verhindert, dass ein sich über 0°/0° befindlicher Beobachter Einblick in das Innere (z.B. die Platine, Kabel, Kühlkörper, LED 14, Linse 24, etc.) der Beleuchtungseinrichtung 20 hat.
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13 zeigt die Wirkung von auf der Trägerfläche des ersten Reflektors 26 angeordneten Facetten 28 (entsprechend den 5 und 6). Zwei dünne durchgezogene Strahlen 46' zeigen die Wirkung der bei „a“ gelegenen einzelnen Facette 28: Das nahezu parallele von der Linse 24 kommende Licht wird in ein Bündel mit einem Öffnungswinkel „O“ aufgeweitet (im Gegensatz zu 5, wo das Bündel so aufgeweitet wird, dass der gesamte zweite Reflektor 30 bestrahlt wird). Weiterhin zeigt die Figur einen Punkt „b“ auf dem zweiten Reflektor 30, der von Strahlen 46" (dünn gestrichelt) getroffen wird, die von einigen Facetten 28 auf dem ersten Reflektor 26 stammen. Da diese Facetten 28 jeweils ein Lichtbündel mit dem Öffnungswinkel „O“ abgeben, kommen an dem betrachteten Punkt „b“ Bündel an, die ebenfalls den Öffnungswinkel „O“ aufweisen (im Gegensatz zu 6, wo ein Punkt P von Strahlen von allen Facetten 28 des ersten Reflektors 26 getroffen wird). Bei der Reflexion an dem zweiten Reflektor 30 bleibt der Öffnungswinkel „O“ unverändert. Wenn das Bündel 18 symmetrisch um die 0°/0°-Richtung verteilt ist, kann ein Beobachter, der sich in einem Winkelbereich +/-„O“ um den Winkel 0°/0° befindet, den Punkt „b“ (selbst in der ungünstigen Lage der Facette 10 aus 2b) leuchtend sehen. Mit dieser Art der Facetten 28 auf dem ersten Reflektor 26 kann also die Grenze des Beobachtungsbereichs gezielt definiert werden, eine Abhängigkeit von der Größe der beiden Reflektoren 26, 30 und deren Abstand voneinander wird vermieden. In einer zu der Zeichenebene senkrechten Ebene kann ein zweiter Winkel „O*“ definiert werden, so dass sich bei dreidimensionaler Betrachtung ein Beobachtungsbereich ergibt, der durch die Winkel „O“ und „O*“ gegeben ist, was wiederum die Modellierung einer gesetzlich gegebenen Lichtstärkeverteilung erlaubt (typisch horizontal „O“ = +/- 20°; vertikal „O*“ = +/- 10°).
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Die bezüglich der 8 beschriebenen Randprobleme ergeben sich hier analog, deren Behebung kann ebenfalls analog mit den dort beschriebenen Maßnahmen erfolgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015202541 A1 [0002, 0009, 0022, 0039]
- EP 2770247 A2 [0003, 0010]
- DE 202016104672 U1 [0004, 0011]
