Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lichtleiter für eine Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to a light guide for a motor vehicle lighting device according to the preamble of claim 1.
Ein solcher Lichtleiter ist aus der DE 10 2012 224 079 B4 bekannt und weist eine Lichteinkoppeloptik, eine erste Umlenkfläche und eine zweite Umlenkfläche auf, wobei die Lichteinkoppeloptik eine Rotationssymmetrieachse aufweist und dazu eingerichtet ist, einen Öffnungswinkel von einem auf der Rotationssymmetrieachse liegenden Punkt her auf die Lichteinkoppeloptik einfallenden Licht in jeweils einer Radialebene, in der die Rotationssymmetrieachse liegt, zu verkleinern. Die erste Umlenkfläche weist erste Teilbereiche auf, und die zweite Umlenkfläche weist zweite Teilbereiche auf. Jeder zweite Teilbereich wird von einem ersten Teilbereich beleuchtet, und die Lage, Form und Größe der ersten Teilbereiche und der zweiten Teilbereiche sind durch folgende Randbedingungen festgelegt: Jeder zweite Teilbereich wird von einem ersten Teilbereich beleuchtet. Zweite Teilbereiche, die von einander benachbarten ersten Teilbereichen beleuchtet werden, sind selbst einander benachbart. Die ersten Teilbereiche und die zweiten Teilbereiche sind so geformt, dass von einem zweiten Teilbereich ausgehendes Licht einen Öffnungswinkel aufweist, der kleiner ist als der Öffnungswinkel des Lichtes, mit dem derjenige erste Teilbereich von der Lichteinkoppeloptik beleuchtet wird, der den zweiten Teilbereich beleuchtet.Such a light guide is from the DE 10 2012 224 079 B4 and has a Lichteinkoppeloptik, a first deflection surface and a second deflection surface, the Lichteinkoppeloptik having a rotational symmetry axis and is adapted to an opening angle of a lying on the rotational axis of symmetry point forth on the Lichteinkoppeloptik incident light in each case a radial plane in which the rotational axis of symmetry is to downsize. The first deflection surface has first partial regions, and the second deflection surface has second partial regions. Every second partial area is illuminated by a first partial area, and the position, shape and size of the first partial areas and the second partial areas are defined by the following boundary conditions: Every second partial area is illuminated by a first partial area. Second partial areas which are illuminated by mutually adjacent first partial areas are themselves adjacent to one another. The first partial regions and the second partial regions are shaped in such a way that light emanating from a second partial region has an aperture angle which is smaller than the aperture angle of the light with which the first partial region is illuminated by the light coupling optical system which illuminates the second partial region.
Bei dem bekannten Lichtleiter ist die erste Umlenkfläche eine glatte Reflexionsfläche, die näherungsweise halbkreisförmig begrenzt ist und von ihrer Form im Raum her betrachtet einem bandförmigen Ausschnitt aus einem Kegelmantel ähnelt. Die zweite Umlenkfläche besteht aus einer Vielzahl von rechteckigen Facetten, deren Anordnung der Form der ersten Umlenkfläche folgt. Die erste Umlenkfläche lässt sich gedanklich in eine Vielzahl von Teilbereichen unterteilen, von denen jeder die Form eines Abschnitts des genannten bandförmigen Ausschnitts aus dem Kegelmantel besitzt und durch zwei von der Rotationssymmetrieachse ausgehende Radialstrahlen begrenzt wird. Diese Teilbereiche sind geometrisch nicht ähnlich zu den rechteckigen Facetten der zweiten Umlenkfläche.In the known light guide, the first deflection surface is a smooth reflection surface which is approximately semicircular and, viewed from its shape in space, resembles a band-shaped section of a conical surface. The second deflection surface consists of a multiplicity of rectangular facets whose arrangement follows the shape of the first deflection surface. The first deflecting surface can be thoughtfully subdivided into a plurality of subregions, each of which has the shape of a portion of said band-shaped section of the conical surface and is bounded by two radial rays emanating from the rotational axis of symmetry. These subregions are geometrically not similar to the rectangular facets of the second deflection surface.
Die Rechtecke werden nicht vollständig ausgeleuchtet, und als Folge können sich dunkle Flecken im Erscheinungsbild der Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters ergeben. Zu den beiden Enden der bandförmigen Lichtaustrittsfläche hin wird der Flächenanteil der Teilbereiche der ersten Umlenkfläche, der nicht durch rechteckige Facetten der zweiten Umlenkfläche abgedeckt wird, immer größer. Das bedeutet, dass immer mehr Licht, das von einem solchen Teilbereich ausgeht, nicht auf eine zugehörige rechteckige Facette trifft und daher für die Beleuchtung der Lichtaustrittsfläche verloren geht. Als Folge ergibt sich eine suboptimale optische Effizienz (Verhältnis des Lichtstroms, der zur Erzeugung einer gewünschten Lichtverteilung beiträgt zum in den Lichtleiter eingekoppelten Lichtstrom). Aus der EP 2 703 852 A1 ist ein plattenförmiger Lichtleiter bekannt, bei dem eine Parallelisierung von eingekoppeltem Licht durch Reflexionen an parabel-förmig gekrümmten Außenflächen und durch Brechung an als Luftlinsen dienenden Ausnehmungen im plattenförmigen Lichtleitermaterial erfolgt.The rectangles are not fully illuminated, and as a result, dark spots may appear in the appearance of the light exit surface of the light guide. Towards the two ends of the band-shaped light exit surface, the area fraction of the partial regions of the first deflection surface, which is not covered by rectangular facets of the second deflection surface, becomes ever larger. This means that more and more light emanating from such a sub-area, does not meet on an associated rectangular facet and is therefore lost for the illumination of the light exit surface. As a result, a sub-optimal optical efficiency (ratio of the luminous flux, which contributes to the generation of a desired light distribution contributes to the coupled into the optical fiber luminous flux). From the EP 2 703 852 A1 a plate-shaped light guide is known in which a parallelization of coupled light by reflections on parabolic-shaped curved outer surfaces and by refraction serving as air lenses recesses in the plate-shaped optical fiber material is effected.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe eines Lichtleiters, mit einer bandförmigen Lichtaustrittsfläche, bei dem die Lichtaustrittsfläche von innen heraus mit parallelem Licht und über die Lichtaustrittsfläche hinweg gleichmäßiger Lichtstromdichte und mit einer guten optischen Effizienz beleuchtet wird.The object of the invention is to provide a light guide, with a band-shaped light exit surface, in which the light exit surface is illuminated from the inside with parallel light and across the light exit surface of uniform luminous flux density and with good optical efficiency.
Diese Aufgabe wird mit einem die Merkmale des Anspruchs 1 aufweisenden Lichtleiter gelöst. Der erfindungsgemäße Lichtleiter unterscheidet sich von dem bekannten Lichtleiter dadurch, dass sowohl die erste Umlenkfläche als auch die zweite Umlenkfläche monoton gekrümmte oder ebene glatte Flächen sind und dass die Größe, Lage und Form der ersten Teilbereiche und der zweiten Teilbereiche so vorbestimmt sind, dass Unterschiede zwischen den Lichtstromdichten in den Strahlenbündeln, die von den zweiten Teilbereichen ausgehen, kleiner sind als Unterschiede zwischen den Lichtstromdichten, die von den ersten Teilbereichen ausgehen.This object is achieved with a the features of claim 1 having optical fiber. The light guide according to the invention differs from the known light guide in that both the first deflection surface and the second deflection surface are monotonically curved or smooth surfaces and that the size, position and shape of the first portions and the second portions are predetermined so that differences between the luminous flux densities in the bundles of rays emanating from the second subregions are smaller than differences between the luminous flux densities emanating from the first subregions.
Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Lichteinkoppeloptik dazu eingerichtet ist, den Öffnungswinkel von dem auf der Rotationssymmetrieachse liegenden Punkt her auf die Lichteinkoppeloptik einfallenden Licht in jeweils einer Radialebene, in der die Rotationssymmetrieachse liegt, so zu verkleinern, dass das in jeweils einer Radialebene propagierende Licht parallel ausgerichtet ist.A preferred embodiment is characterized in that the Lichteinkoppeloptik is adapted to reduce the opening angle of the lying on the rotational axis of symmetry point forth on the Lichteinkoppeloptik incident light in each case a radial plane in which the axis of rotational symmetry, so that in each case one Radial plane propagating light is aligned in parallel.
Weiter ist bevorzugt, dass von einem zweiten Teilbereich ausgehendes Licht parallel ausgerichtet ist.It is further preferred that light emanating from a second subarea is aligned in parallel.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Lichtstromdichte von von den zweiten Teilbereichen her auf die Lichtaustrittsfläche einfallendem Licht konstant ist.A further preferred refinement is characterized in that the luminous flux density of light incident on the light exit surface from the second partial regions is constant.
Bevorzugt ist auch, dass der Lichtleiter zumindest abschnittsweise plattenförmig ausgebildet ist.It is also preferred that the light guide is at least partially plate-shaped.
Weiter ist bevorzugt, dass die Lichtaustrittsfläche bandförmig ist. It is further preferred that the light exit surface is band-shaped.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Lichteinkoppeloptik einen inneren, lichtbrechenden Teil und zwei äußere reflektierende Teile aufweist, wobei der zentrale, lichtbrechende Teil eine torische Linse ist, deren Querschnitt so beschaffen ist, dass sie Öffnungswinkel des über sie den Lichtleiter eintretenden Lichtes in Radialebenen, in denen die Rotationssymmetrieachse liegt, verkleinert.A further preferred embodiment is characterized in that the Lichteinkoppeloptik having an inner, refractive part and two outer reflective parts, wherein the central refractive part is a toric lens, whose cross-section is such that they opening angle of the light guide over them entering Light in radial planes in which the rotational axis of symmetry is reduced.
Bevorzugt ist auch, dass die Lichteinkoppeloptik in einer Schmalseite des Lichtleiters angeordnet ist.It is also preferred that the light input optics is arranged in a narrow side of the light guide.
Weiter ist bevorzugt, dass die Lichteinkoppeloptik eine in einer Breitseite des Lichtleiters angeordnete trichterförmige Vertiefung aufweist, die rotationsymmetrisch zu der Rotationssymmetrieachse ist und die einen Reflektor bildet, an dem von dem Punkt der Rotationssymmetrieachse her einfallendes Licht interne Totalreflexionen erfährt und dass die Lichteinkoppeloptik einen halbkreisförmigen Dachkantenreflektor aufweist, der von der trichterförmigen Vertiefung her einfallendes Licht so ablenkt, dass das abgelenkte Licht in radialer Richtung entgegengesetzt zu seiner Einfallsrichtung zur Rotationssymmetrieachse läuft, wobei es aber in der Höhe versetzt unter der trichterförmigen Vertiefung hindurchläuft.It is further preferred that the light coupling optics has a funnel-shaped depression arranged in a broad side of the light guide, which is rotationally symmetrical to the axis of rotational symmetry and which forms a reflector, at which light incident from the point of the rotational symmetry axis experiences total internal reflection, and the light coupling optics form a semicircular roof edge reflector has deflected from the funnel-shaped depression ago incident light so that the deflected light in the radial direction opposite to its direction of incidence to the rotational axis of symmetry runs, but it is offset in height passes under the funnel-shaped depression.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Tiefe der trichterförmigen Vertiefung dem halben Abstand seiner Breitseiten und voneinander entspricht.A further preferred embodiment is characterized in that a depth of the funnel-shaped depression corresponds to half the distance of its broad sides and from each other.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Unteransprüchen. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.Further advantages will become apparent from the following description, the drawings and the dependent claims. It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description.
Dabei zeigen, jeweils in schematischer Form:
- 1 eine Schrägansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lichtleiters;
- 2 einen Schnitt durch den Lichtleiter der 1 mit einer Schnittebene, in der ein Lichtstrahl liegt;
- 3 eine Draufsicht auf den Lichtleiter aus den 1 und 2;
- 4 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Lichteinkoppeloptik eines Lichtleiters;
- 5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Lichteinkoppeloptik eines Lichtleiters;
- 6 eine Schrägansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lichtleiters;
- 7 einen Schnitt durch den Lichtleiter der 6 mit einer Schnittebene, in der ein Lichtstrahl liegt;
- 8 eine Schrägansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lichtleiters;
- 9 einen Schnitt durch den Lichtleiter der 8 mit einer Schnittebene, in der ein Lichtstrahl liegt;
- 10 eine Seitenansicht eines vierten Ausführungsbeispiels, eines erfindungsgemäßen Lichtleiters.
Show, in schematic form: - 1 an oblique view of a first embodiment of a light guide according to the invention;
- 2 a section through the light guide of 1 with a sectional plane in which a light beam lies;
- 3 a plan view of the light guide from the 1 and 2 ;
- 4 a first embodiment of a Lichteinkoppeloptik a light guide;
- 5 A second embodiment of a Lichteinkoppeloptik a light guide;
- 6 an oblique view of a second embodiment of a light guide according to the invention;
- 7 a section through the light guide of 6 with a sectional plane in which a light beam lies;
- 8th an oblique view of a third embodiment of a light guide according to the invention;
- 9 a section through the light guide of 8th with a sectional plane in which a light beam lies;
- 10 a side view of a fourth embodiment, a light guide according to the invention.
Im Einzelnen zeigt die 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lichtleiters 10. Der Lichtleiter 10 weist eine Lichteinkoppeloptik 12, eine erste Umlenkfläche 14, eine zweite Umlenkfläche 16 und eine Lichtaustrittsfläche 18 auf. Die Lichteinkoppeloptik 12 weist eine Rotationssymmetrieachse 20 auf. Die Lichtaustrittsfläche 18 liegt in einer y-z-Ebene eines rechtshändigen und rechtwinkligen Koordinatensystems. Die x-Richtung ist im dargestellten Ausführungsbeispiel parallel zu einer Hauptabstrahlrichtung 22 des Lichtleiters 10. Die Lichtaustrittsfläche 18 weist eine bandförmige Gestalt auf, was bedeutet, dass ihre Breite B (in der 1: in y-Richtung) ein Mehrfaches ihrer Höhe H (in der 1: in z-Richtung) beträgt. Das aus Verhältnis von Breite B zu Höhe H der Lichtaustrittsfläche ist aus Design-Gründen bevorzugt größer als 5 zu 1.In detail, the shows 1 an embodiment of a light guide according to the invention 10 , The light guide 10 has a Lichteinkoppeloptik 12 , a first deflection surface 14 , a second deflection surface 16 and a light exit surface 18 on. The light coupling optics 12 has a rotational symmetry axis 20 on. The light exit surface 18 lies in one Y Z Plane of a right-handed and right-angled coordinate system. The x Direction is parallel to a main emission direction in the illustrated embodiment 22 of the light guide 10 , The light exit surface 18 has a band-like shape, which means that its width B (in the 1 : in y Direction) is a multiple of its height H (in the 1 : in z Direction). That's out of ratio of width B to height H The light exit surface is preferably greater than 5 to 1 for design reasons.
Die Lichteinkoppeloptik 12 ist dazu eingerichtet, von einem auf der Rotationssymmetrieachse 20 liegenden Punkt 24 her auf die Lichteinkoppeloptik 12 einfallendes Licht 26 in jeweils einer Radialebene 28 in der die Rotationssymmetrieachse 20 liegt, parallel auszurichten oder zumindest den Öffnungswinkel des in der Radialebene 28 propagierenden Lichtes 26 zu verringern.The light coupling optics 12 is set up by one on the rotational symmetry axis 20 lying point 24 on the light coupling optics 12 incident light 26 in each case one radial plane 28 in the rotational symmetry axis 20 is aligned, parallel or at least the opening angle of the in the radial plane 28 propagating light 26 to reduce.
Die Radialebene 28 ist in der 1 stellvertretend für alle anderen möglichen Radialebenen, in denen die Rotationssymmetrieachse 20 liegt, dargestellt. Die in der 1 dargestellte Radialebene 28 zeichnet sich dadurch aus, dass sie für den in der 1 dargestellten Lichtleiter 10 eine Symmetrieebene bildet, die den Lichtleiter 10 in einer quer zur Rotationssymmetrieachse 20 liegenden Richtung (y-Richtung) in eine rechte und eine linke Hälfte trennt.The radial plane 28 is in the 1 representative of all other possible radial planes in which the rotational symmetry axis 20 is shown. The in the 1 illustrated radial plane 28 is characterized by the fact that they are for the in the 1 illustrated light guide 10 forms a plane of symmetry, which is the light guide 10 in a cross to Rotational symmetry axis 20 lying direction ( y Direction) into a right and a left half.
Der genannte Punkt 24, der auf der Rotationssymmetrieachse 20 liegt, ist bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung des Lichtleiters 10 bevorzugt ein zentraler Punkt einer Lichtaustrittsfläche einer Halbleiterlichtquelle, insbesondere einer Leuchtdiode oder einer Gruppe von einzeln oder gemeinsam schaltbaren Leuchtdioden, deren Hauptabstrahlrichtung 23 in der gezeigten Radialebene 28 liegt und in den Lichtleiter 10 hinein gerichtet ist. Die Halbleiterlichtquelle ist hier an einer Schmalseite 30 des plattenförmigen Lichtleiters 10 angeordnet. Ihre Hauptabstrahlrichtung 23 ist dabei parallel zu Breitseiten des plattenförmigen Lichtleiters 10, was im dargestellten Beispiel der x-Richtung entspricht.The named point 24 that is on the axis of rotational symmetry 20 is, is in a proper use of the light guide 10 preferably a central point of a light exit surface of a semiconductor light source, in particular a light emitting diode or a group of individually or jointly switchable light-emitting diodes whose main emission direction 23 in the radial plane shown 28 lies and in the light guide 10 directed into it. The semiconductor light source is here on a narrow side 30 the plate-shaped light guide 10 arranged. Your main direction of radiation 23 is parallel to broad sides of the plate-shaped light guide 10 , which corresponds to the x-direction in the example shown.
Die erste Umlenkfläche 14 wird in quer zu den radialen Lichteinfallseinrichtungen liegenden Richtungen durch eine einkopplungsseitige erste Kante 34 und eine umlenkflächenseitige zweite Kante 36 begrenzt. Die erste Umlenkfläche 14 ist eine glatte Fläche, die in jeweils einer Richtung entweder monoton konvex oder monoton konkav gekrümmt oder eben ist.The first deflection surface 14 becomes in transverse to the radial light incident means directions by a coupling-side first edge 34 and a deflection surface side second edge 36 limited. The first deflection surface 14 is a smooth surface that is either monotone convex or monotonically concave or flat in either direction.
Eine zweite Umlenkfläche 16 wird in quer zu den radialen Lichteinfallseinrichtungen liegenden Richtungen durch eine umlenkflächenseitige dritte Kante 40 und eine auskopplungsseitige vierte Kante 42 begrenzt. Die zweite Umlenkfläche 16 ist ebenfalls eine glatte Fläche, die in jeweils einer Richtung ebenfalls entweder monoton konvex oder monoton konkav gekrümmt oder eben ist.A second deflection surface 16 becomes in transverse to the radial light incident means directions by a deflection surface side third edge 40 and a coupling-out fourth edge 42 limited. The second deflection surface 16 is also a smooth surface, which is also in either direction either monotonously convex or monotonically concave curved or flat.
Die erste Umlenkfläche 14 weist erste Teilbereiche 14.i auf, und die zweite Umlenkfläche weist zweite Teilbereiche 16.i auf. Der Zählindex i kann, je nach Feinheit der Unterteilung, sehr große Werte annehmen. Die Feinheit der Unterteilung kann dabei bis in den Bereich von Tausendstel Millimetern heruntergehen.The first deflection surface 14 has first subareas 14.i on, and the second deflection surface has second portions 16.i on. The counting index i may take very large values, depending on the fineness of the subdivision. The fineness of the subdivision can go down to the range of a thousandth of a millimeter.
Jeder zweite Teilbereich 16.i zeichnet sich dadurch aus, dass er von einem ersten Teilbereich 14.i beleuchtet wird. Durch diese Beleuchtung ergibt sich eine Zuordnung zwischen je einem ersten Teilbereich 14.i und je einem zweiten Teilbereich 16.i.Every second section 16.i It is characterized by being from a first subarea 14.i is illuminated. This illumination results in an association between a respective first subarea 14.i and a second subarea each 16.i ,
Die Lage und Größe der ersten Teilbereiche 14.i und der zweiten Teilbereiche 16.i werden beim Entwurf des Lichtleiters 10 numerisch berechnet, wobei die folgenden Bedingungen eingehalten werden:
- Jeder zweite Teilbereich 16.i wird von einem ersten Teilbereich 14.i beleuchtet. Zweite Teilbereiche 16.i, 16.j die von einander benachbarten ersten Teilbereichen 14.i, 14.j beleuchtet werden, sind selbst einander benachbart. Die ersten Teilbereiche 14.i und die zweiten Teilbereiche 16.i sind so bevorzugt so geformt, dass von den zweiten Teilbereichen 16.i ausgehendes Licht 26 paralleles Licht ist. Sowohl die erste Umlenkfläche 14 als auch die zweite Umlenkfläche 16 sind monoton gekrümmte oder ebene glatte Flächen. Die Größe und Lage der ersten Teilbereiche 14.i und der zweiten Teilbereiche 16.i wird so festgelegt, dass die Lichtstromdichte in dem von den zweiten Teilbereichen 16.i ausgehenden Lichtbündel konstant ist.
The location and size of the first sections 14.i and the second subareas 16.i be in the design of the light guide 10 calculated numerically, meeting the following conditions: - Every second section 16.i is from a first subarea 14.i illuminated. Second subareas 16.i . 16.j the adjacent first partial areas 14.i . 14.j are lit, are themselves adjacent to each other. The first sections 14.i and the second parts 16.i are thus preferably shaped so that of the second partial areas 16.i outgoing light 26 is parallel light. Both the first deflection surface 14 as well as the second deflection surface 16 are monotone curved or even smooth surfaces. The size and location of the first sections 14.i and the second subareas 16.i is set so that the luminous flux density in that of the second partial areas 16.i outgoing light beam is constant.
Aufgrund der Brechung, die das Licht 26 beim Eintritt in den Lichtleiter 10 erfährt, ergibt sich bereits eine Lichtbündelverengung, die dazu führt, dass der Lichteinkoppeloptik 12 benachbarte, außen liegende Teilvolumina 118 des plattenförmigen Lichtleiters 10 kein von dem Punkt 24 der Rotationsymmetrieachse 20 ausgehendes Licht 26 leiten. Diese Teilvolumina 118 des Lichtleiters 10, die für die optische Funktion nicht erforderlich sind, können zur Befestigung des Lichtleiters 10 in einer Beleuchtungseinrichtung dienen.Due to the refraction, the light 26 when entering the light guide 10 already experiences a narrowing of the light beam, which leads to the Lichteinkoppeloptik 12 adjacent, outer sub-volumes 118 the plate-shaped light guide 10 none of the point 24 the rotational symmetry axis 20 outgoing light 26 conduct. These sub-volumes 118 of the light guide 10 , which are not required for the optical function, can be used to attach the light guide 10 serve in a lighting device.
2 zeigt einen Schnitt durch den Lichtleiter 10 aus der 1, der einen Strahlengang eines zentralen Strahls 44 enthält. Der zentrale Strahl 44 geht von dem auf der Rotationssymmetrieachse 20 liegenden Punkt 24 aus, beispielsweise von einer dort angeordneten Halbleiterlichtquelle, und wird von einer Lichteinkoppeloptik 12 in den Lichtleiter 10 eingekoppelt. 2 shows a section through the light guide 10 from the 1 , the one ray path of a central ray 44 contains. The central beam 44 goes from the on the rotational symmetry axis 20 lying point 24 from, for example, a semiconductor light source arranged there, and is provided by a light coupling optics 12 in the light guide 10 coupled.
Das in den Lichtleiter 10 eingekoppelte Licht 26 wird von der Lichteinkoppeloptik 12 in der dargestellten Ebene parallel ausgerichtet. Entsprechend geeignete Lichteinkoppeloptiken sind zum Beispiel aus der DE 10 2012 224 079 B4 bekannt. Das in der radialen Zeichnungsebene parallel ausgerichtete und in weiteren Radialebenen propagierende Licht 26 trifft auf einen ersten Teilbereich 14.i der ersten Umlenkfläche 14 und wird von dieser in Richtung zu der zweiten Umlenkfläche 16 umgelenkt. Das umgelenkte Licht 26 beleuchtet einen zweiten Teilbereich 16.i der zweiten Umlenkfläche 16 und wird von der zweiten Umlenkfläche 16, beziehungsweise von dem zweiten Teilbereich 16.i zur Lichtaustrittsfläche 18 umgelenkt. Die erste Umlenkfläche 14 und die zweite Umlenkfläche 16 weisen in der dargestellten Ebene einen geraden, nicht gekrümmten Verlauf auf. Als erwünschte Folge bleibt die Parallelität der Lichtausbreitung in dieser Ebene erhalten.That in the light guide 10 coupled light 26 is from the Lichteinkoppeloptik 12 aligned parallel in the plane shown. Correspondingly suitable Lichteinkoppeloptiken are for example from DE 10 2012 224 079 B4 known. The parallel aligned in the radial plane of the drawing and propagating in other radial planes light 26 meets a first section 14.i the first deflection surface 14 and is from this towards the second deflection 16 diverted. The redirected light 26 illuminates a second subarea 16.i the second deflection surface 16 and is from the second deflection surface 16 , or from the second subarea 16.i to the light exit surface 18 diverted. The first deflection surface 14 and the second deflection surface 16 have in the plane shown a straight, not curved course. As a desired consequence, the parallelism of the light propagation in this plane is maintained.
3 zeigt eine Draufsicht auf den Lichtleiter 10 nach den 1 und 2. 3 zeigt insbesondere, wie die beiden Umlenkflächen 14 und 16 in Bezug auf ihre strahlumlenkende Wirkung dazu eingerichtet sind, eine parallele und homogene Beleuchtung der Lichtaustrittsfläche 18 zu erzeugen. Dazu zeigt 3 ein erstes, zentrales Strahlenbündel 46, und ein zweites, weiter außen verlaufendes Strahlenbündel 48. Für das Folgende wird angenommen, dass beide Strahlenbündel 46, 48 gleich großen Lichtströmen entsprechen. Beim ersten Strahlenbündel 46 konzentriert sich der Lichtstrom nach dem Austritt aus der Lichtquelle 24 zunächst auf einen im Vergleich zum Lichtbündelquerschnitt des zweiten Strahlenbündels 48 vergleichsweise kleineren Bündelquerschnitt. Die Lichtstromdichte ist im ersten Strahlenbündel 46 entsprechend größer als im zweiten Strahlenbündel 48. 3 shows a plan view of the light guide 10 after the 1 and 2 , 3 shows in particular how the two deflection surfaces 14 and 16 are arranged with respect to their beam deflecting effect, a parallel and homogeneous illumination of the light exit surface 18 to create. In addition shows 3 a first, central ray bundle 46 , and a second, further outward ray beam 48 , For the following it is assumed that both beams 46 . 48 correspond to the same large luminous flux. At the first ray bundle 46 the luminous flux concentrates after exiting the light source 24 first to one in comparison to the light beam cross section of the second beam 48 comparatively smaller bundle cross-section. The luminous flux density is in the first beam 46 correspondingly larger than in the second beam 48 ,
Durch die erfindungsgemäße Abstimmung der ersten Teilbereiche 14.i der ersten Umlenkfläche 14 und der zweiten Teilbereiche 16.i der zweiten Umlenkfläche 16 in Bezug auf ihre Form, ihre Orientierung im Raum und ihres Abstandes voneinander werden die Öffnungswinkel der beiden Strahlenbündel 46, 48 verringert. Im bevorzugten Fall werden beide Strahlenbündel 46, 48 parallelisiert, so dass sie als aus parallelen Strahlen bestehende Strahlenbündel 46, 48 auf die Lichtaustrittsfläche 18 treffen, und die Umlenkung an den beiden Umlenkflächen 14 und 16 erfolgt gleichzeitig so, dass die Lichtstromdichten in beiden Strahlenbündeln stromabwärts von der zweiten Umlenkfläche 16 gleich sind.Due to the inventive tuning of the first sections 14.i the first deflection surface 14 and the second subareas 16.i the second deflection surface 16 in terms of their shape, their orientation in space and their distance from each other, the opening angle of the two beams 46 . 48 reduced. In the preferred case both beams become 46 . 48 parallelized, making them as beams consisting of parallel rays 46 . 48 on the light exit surface 18 meet, and the deflection at the two deflection surfaces 14 and 16 occurs simultaneously so that the luminous flux densities in both bundles of radiation downstream of the second deflection surface 16 are the same.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird das erste Strahlenbündel 46, das die ursprünglich vergleichsweise größere Lichtstromdichte aufweist, bei den an beiden Umlenkflächen 14, 16 erfolgenden Reflexionen nicht nur parallel zu einer Sollrichtung ausgerichtet, sondern zunächst (vor der parallelen Ausrichtung) auch aufgeweitet. Durch die mit der Aufweitung verbundene Vergrößerung seines Öffnungsraumwinkels reduziert sich die Lichtstromdichte des in dem ersten Strahlenbündel 46 propagierenden Lichtes.In the illustrated embodiment, the first beam 46 , which has the originally comparatively greater luminous flux density, at the two deflection surfaces 14 . 16 not only parallel to a desired direction aligned, but initially (before the parallel orientation) also widened. The enlargement of its opening space angle, which is associated with the expansion, reduces the luminous flux density of the light beam in the first beam 46 propagating light.
Das zweite Strahlenbündel 48, das ursprünglich die vergleichsweise kleinere Lichtstromdichte aufweist, wird bei den an den Umlenkflächen 46, 48 erfolgenden Reflexionen nicht nur parallel zu der Sollrichtung ausgerichtet, sondern zunächst (vor der parallelen Ausrichtung) auch verengt. Durch die mit der Verengung verbundene Verkleinerung seines Öffnungsraumwinkels vergrößert sich die Lichtstromdichte des in dem zweiten Strahlenbündel 48 propagierenden Lichtes.The second beam 48 , which originally has the comparatively smaller luminous flux density, is at those at the deflection surfaces 46 . 48 not only aligned parallel to the desired direction, but also initially narrowed (before the parallel orientation). The reduction of its opening space angle, which is associated with the constriction, increases the luminous flux density of the light beam in the second radiation beam 48 propagating light.
Die Aufweitung des ersten Strahlenbündels 46 und die Verengung des zweiten Strahlenbündels 48 erfolgt gerade so, dass beide Strahlenbündel 46, 48 auch relativ zu dem jeweils anderen Strahlenbündel 48, 46 parallel ausgerichtet sind und die gleiche Lichtstromdichte aufweisen. Dieses für ein erstes Strahlenbündel 46 und ein zweites Strahlenbündel 48 erläuterte Verhalten gilt analog für jedes weitere Paar von einander durch die Beleuchtung zugeordneten Teilbereichen 14.i der ersten Umlenkfläche 14 und Teilbereichen 16.i der zweiten Umlenkfläche 16.The widening of the first ray bundle 46 and the narrowing of the second beam 48 just done so that both beams 46 . 48 also relative to the other beam 48 . 46 are aligned in parallel and have the same luminous flux density. This for a first bundle of rays 46 and a second beam 48 explained behavior applies analogously for each additional pair of mutually assigned by the lighting sections 14.i the first deflection surface 14 and subareas 16.i the second deflection surface 16 ,
Aus einer gemeinsamen Betrachtung der 2 und 3 ergibt sich auch, dass die optische Weglänge, die das Licht jeweils zwischen einem ersten Teilbereich 14.i der ersten Umlenkfläche 14 und einem zweiten Teilbereich 16.i der zweiten Umlenkfläche 16 zurücklegt, bei der numerisch erfolgenden Berechnung berücksichtigt werden muss. Bei gegebener Breite des ersten Teilbereichs 14.i und des zweiten Teilbereichs 16.i kann die optische Weglänge umso kleiner ausfallen, je größer der Ablenkwinkel zwischen dem auf den ersten Teilbereich 14.i einfallenden Strahlenbündel und dem von dem ersten Teilbereich 14.1 ausgehenden Strahlenbündel ist.From a common view of the 2 and 3 also shows that the optical path length, the light between each of a first subregion 14.i the first deflection surface 14 and a second subarea 16.i the second deflection surface 16 must be taken into account in the numerical calculation. For a given width of the first section 14.i and the second subarea 16.i For example, the larger the deflection angle between the first partial area, the smaller the optical path length can be 14.i incident beam and that of the first portion 14.1 outgoing beam is.
4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Lichteinkoppeloptik 112 eines Lichtleiters 10 in einem Radialabschnitt. Eine räumliche Darstellung ist in der 1 enthalten. Die Lichteinkoppeloptik 112 weist einen inneren, lichtbrechenden Teil und zwei äußere reflektierende Teile 116 auf. Der zentrale, lichtbrechende Teil ist eine torische Linse 114, deren Querschnitt, wie er in 4 dargestellt ist, so beschaffen ist, dass die torische Linse 114 den Öffnungswinkel des in der Zeichnungsebene der 4 in den Lichtleiter 10 eintretenden Lichtes 26 verkleinert. In einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Verkleinerung soweit, dass das eingekoppelte Licht 26 in der Zeichnungsebene der 4 parallel ausgerichtet propagiert. 4 shows a first embodiment of a Lichteinkoppeloptik 112 a light guide 10 in a radial section. A spatial representation is in the 1 contain. The light coupling optics 112 has an inner, refractive part and two outer reflective parts 116 on. The central, refractive part is a toric lens 114 whose cross section, as in 4 is presented, is such that the toric lens 114 the opening angle of the plane in the drawing 4 in the light guide 10 entering light 26 reduced. In a preferred embodiment, the reduction takes place so far that the coupled-in light 26 in the plane of the drawing 4 parallel propagated propagated.
Die reflektierenden äußeren reflektierenden Teile 116 sind so beschaffen, dass sie den Öffnungswinkel des über die inneren, seitlichen Lichteintrittsflächen in den Lichtleiter eingetretenen Lichtes 26 in Radialebenen verringern. Die reflektierenden Teile 116 haben in der Zeichnungsebene bevorzugt eine parabolische Form, in deren Brennpunkt der Punkt 24 auf der Rotationssymmetrieachse 20 liegt, von dem aus das Licht 26 einfällt. Dabei ist der tatsächliche Brennpunkt gemeint, der sich unter Berücksichtigung der Brechung des Lichtes 26 beim Lichteintritt ergibt. Der Punkt 24 liegt im Zentrum einer Lichtaustrittsfläche einer Halbleiterlichtquelle 50. Bei dieser bevorzugten Ausgestaltung richten auch die reflektierenden Teile 116 das Licht parallel aus. Die an den reflektierenden Teilen 116 erfolgenden Reflexionen sind bevorzugt praktisch verlustlose interne Totalreflexionen. In der x-y-Ebene haben die reflektierenden Teile 116 und auch die torische Linse 114 bevorzugt eine halbkreisförmige Form, in deren Mittelpunkt die Rotationssymmetrieachse 20 steht. In diesem Fall stellt die Zeichnungsebene der 4 eine zentrale Radialebene 28 dar. Die Betrachtungen zur Verringerung der Öffnungswinkel, beziehungsweise zur Parallelisierung des Lichtes gelten auch für sämtliche andere Radialebenen, in denen von dem genannten Punkt 24 ausgehendes Licht propagiert.The reflective outer reflective parts 116 are adapted to the opening angle of the light which has entered the light guide via the inner, lateral light entry surfaces 26 reduce in radial planes. The reflective parts 116 have in the plane of the drawing preferably a parabolic shape, at the focal point of the point 24 on the rotational symmetry axis 20 from which lies the light 26 incident. Here, the actual focus is meant, taking into account the refraction of the light 26 when the light enters. The point 24 lies in the center of a light exit surface of a semiconductor light source 50 , In this preferred embodiment, also the reflective parts 116 the light in parallel. The on the reflective parts 116 Successful reflections are preferably virtually lossless internal total reflections. In the xy plane have the reflective parts 116 and also the toric lens 114 preferably a semicircular shape, in the center of which the rotational symmetry axis 20 stands. In this case, the drawing plane represents the 4 a central radial plane 28 The considerations for reducing the opening angle, or for the parallelization of the light also apply to all other radial planes in which of the said point 24 propagated outgoing light.
5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Lichteinkoppeloptik 120 eines Lichtleiters 10. 6 zeigt unter anderem eine räumliche Darstellung dieser Lichteinkoppeloptik 120. Bei dieser Lichteinkoppeloptik 120 ist eine Halbleiterlichtquelle 50 unmittelbar vor einer Breitseite 52 der Lichtleiterplatte angeordnet. Dabei berührt sie die Breitseite 52 bevorzugt nicht. Die Halbleiterlichtquelle 50 ist dabei so angeordnet, dass ihre Hauptabstrahlrichtung mit der Rotationssymmetrieachse 20 zusammenfällt. Auf der gegenüberliegenden Breitseite 54 ist eine trichterförmige Vertiefung 56 angeordnet, die rotationsymmetrisch zu der Rotationssymmetrieachse 20 ist. Die trichterförmige Vertiefung 56 bildet einen Reflektor, an dem von der Halbleiterlichtquelle 50, beziehungsweise von dem in deren Lichtaustrittsfläche liegenden Punkt 24 der Rotationssymmetrieachse 20 her einfallendes Licht 26 interne Totalreflexionen erfährt. Die Lichteinkoppeloptik 120 weist weiter einen halbkreisförmigen Dachkantenreflektor 58 auf, der von der trichterförmigen Vertiefung 56 her einfallendes Licht so ablenkt, dass das abgelenkte Licht in radialer Richtung entgegengesetzt zu seiner Einfallsrichtung zur Rotationssymmetrieachse 20 läuft, wobei es aber in der Höhe versetzt unter der trichterförmigen Vertiefung 56 hindurchläuft. Die Tiefe der trichterförmigen Vertiefung 56 entspricht bevorzugt der halben Dicke des Lichtleiters 10, also dem halben Abstand seiner Breitseiten 52 und 54 voneinander. 5 shows a second embodiment of a Lichteinkoppeloptik 120 a light guide 10 , 6 shows inter alia a spatial representation of this Lichteinkoppeloptik 120 , In this light coupling optics 120 is a semiconductor light source 50 immediately before a broadside 52 arranged the light guide plate. She touches the broadside 52 not preferred. The semiconductor light source 50 is arranged so that its main emission direction with the axis of rotational symmetry 20 coincides. On the opposite broadside 54 is a funnel-shaped depression 56 arranged, which is rotationally symmetrical to the rotational axis of symmetry 20 is. The funnel-shaped depression 56 forms a reflector at which of the semiconductor light source 50 , or from the point lying in the light exit surface 24 the rotational symmetry axis 20 incoming light 26 undergoes internal total reflections. The light coupling optics 120 further has a semicircular roof edge reflector 58 on top of the funnel-shaped depression 56 deflects incident light so that the deflected light in the radial direction opposite to its direction of incidence to the rotational axis of symmetry 20 runs, but it is offset in height under the funnel-shaped depression 56 passes. The depth of the funnel-shaped depression 56 preferably corresponds to half the thickness of the light guide 10 that is half the distance between its broadsides 52 and 54 from each other.
Die trichterförmige Vertiefung 56 ist dabei so geformt, dass ein Öffnungswinkel des an der trichterförmigen Vertiefung 56 reflektierten Lichtes 26 in der Zeichnungsebene (die eine Radialebene ist) kleiner ist als ein Öffnungswinkel des von dem Punkt 24 auf der Rotationssymmetrieachse 20 her in der Zeichnungsebene einfallendes Lichtes.The funnel-shaped depression 56 is shaped so that an opening angle of the funnel-shaped depression 56 reflected light 26 in the drawing plane (which is a radial plane) is smaller than an opening angle of the point 24 on the rotational symmetry axis 20 forth in the plane of the drawing incident light.
In einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Verkleinerung des Öffnungswinkels in der Zeichnungsebene soweit, dass das reflektierte Licht 26 in der Zeichnungsebene der 5 parallel ausgerichtet propagiert. Diese Wirkung kann damit erzielt werden, dass die Form der trichterförmigen Vertiefung 56 beim Entwurf des Lichtleiters 10 durch Rotation eines Parabelzweiges 60 um die Rotationssymmetrieachse 20 herum erzeugt wird, wobei der Brennpunkt des Parabelzweiges 60 auf der Rotationssymmetrieachse 20 mit dem Punkt 24 zusammenfällt, von dem das Licht 26 ausgeht. Dabei ist auch hier der tatsächliche Brennpunkt gemeint, der sich unter Berücksichtigung der Brechung des Lichtes 26 beim Lichteintritt in den Lichtleiter 10 ergibt. Bei dieser bevorzugten Ausgestaltung richtet die trichterförmige Vertiefung 56 das Licht 26 in den Radialebenen parallel aus. Auch hier gilt, dass die Betrachtungen zur Verringerung der Öffnungswinkel, beziehungsweise zur Parallelisierung des Lichtes, auch für sämtliche andere Radialebenen gültig sind, in denen von dem genannten Punkt 24 ausgehendes Licht 26 propagiert. Die in dieser Anmeldung dargestellten Ausführungsbeispiele von Lichtleitern 10 können sowohl die Lichteinkoppeloptik 112 nach 4 als auch die Lichteinkoppeloptik 120 nach 5 aufweisen.In a preferred embodiment, the reduction of the opening angle in the drawing plane takes place so far that the reflected light 26 in the plane of the drawing 5 parallel propagated propagated. This effect can be achieved with the shape of the funnel-shaped depression 56 in the design of the light guide 10 by rotation of a parabola branch 60 around the rotational symmetry axis 20 is generated around, wherein the focal point of the parabola branch 60 on the rotational symmetry axis 20 with the point 24 coincides, from which the light 26 emanates. Here, too, the actual focus is meant, taking into account the refraction of the light 26 when light enters the light guide 10 results. In this preferred embodiment, the funnel-shaped depression 56 the light 26 parallel in the radial planes. Again, the considerations for reducing the opening angle, or for parallelization of the light, are also valid for all other radial planes, in which of the said point 24 outgoing light 26 propagated. The embodiments of light guides shown in this application 10 can both the Lichteinkoppeloptik 112 after 4 as well as the light input optics 120 after 5 respectively.
6 zeigt eine Schrägansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lichtleiters 200. Abgesehen von einer anderen Lichteinkoppeloptik 120 unterscheidet sich der Lichtleiter 200 nach der 6 dadurch vom Lichtleiter 10 nach der 1, dass er nicht zwei Umlenkflächen 14, 16, sondern vier Umlenkflächen 214, 216, 218, 220 aufweist. Mit diesem Ausführungsbeispiel, bei dem zwei Paare von Umlenkflächen im Lichtpfad hintereinander angeordnet sind, kann die Lichtaustrittsfläche 222 wieder auf die gleiche Höhe (in z-Richtung) gebracht werden, auf der auch die Lichteinkoppeloptik 120 liegt. Darüber hinaus kann mit diesem Ausführungsbeispiel ein größerer Raumwinkelbereich des von der Lichteinkoppeloptik 120 ausgehenden Lichtbündels erfasst werden. Als Folge wird die optische Effizienz des Lichtleiters 200 erhöht. Die optische Effizienz ist das Verhältnis aus dem Lichtstrom, der letztlich zur Erzeugung einer erwünschten Lichtverteilung beiträgt, zu dem Lichtstrom, der von der Licht in den Lichtleiter einspeisenden Halbleiterlichtquelle emittiert wird. 6 shows an oblique view of a second embodiment of a light guide according to the invention 200 , Apart from another Lichteinkoppeloptik 120 differs the light guide 200 after 6 by the light guide 10 after 1 that he does not have two deflection surfaces 14 . 16 but four deflection surfaces 214 . 216 . 218 . 220 having. In this embodiment, in which two pairs of deflection surfaces in the light path are arranged one behind the other, the light exit surface 222 be brought back to the same height (in the z-direction), on which also the Lichteinkoppeloptik 120 lies. In addition, with this embodiment, a larger solid angle range of the Lichteinkoppeloptik 120 outgoing light beam are detected. As a consequence, the optical efficiency of the light guide 200 elevated. The optical efficiency is the ratio of the luminous flux that ultimately contributes to the generation of a desired light distribution to the luminous flux emitted by the semiconductor light source feeding the light into the optical fiber.
Die dritte Umlenkfläche 218 und die vierte Umlenkfläche 220 können als reine Umlenkflächen, also als ebene Flächen verwirklicht sein, die das einfallende Licht spiegeln, ohne seinen Öffnungswinkel zu verändern. Sie können aber auch nach Prinzipien geformt und angeordnet sein, wie sie weiter oben für die erste Umlenkfläche 14 und die zweite Umlenkfläche 16 erläutert worden sind. In diesem Fall werden die erste Umlenkfläche 214, die zweite Umlenkfläche 216, die dritte Umlenkfläche 218 und die vierte Umlenkfläche 220 bevorzugt so ausgestaltet, dass sich die Lichtbündel umformenden Eigenschaften der beiden Umlenkflächen 14, 16 aus den 1 bis 3 auf die erste Umlenkfläche 214, die zweite Umlenkfläche 216 und die dritte Umlenkfläche 218 oder auf die erste Umlenkfläche 214, die zweite Umlenkfläche 216, die dritte Umlenkfläche 218 und die vierte Umlenkfläche 220 verteilen.The third deflection surface 218 and the fourth deflection surface 220 can be realized as pure deflection surfaces, so as flat surfaces that reflect the incident light without changing its opening angle. But they can also be shaped and arranged according to principles, as above for the first deflection 14 and the second deflection surface 16 have been explained. In this case, the first deflection surface 214 , the second deflection surface 216 , the third deflection 218 and the fourth deflection surface 220 preferably designed so that the light beam forming properties of the two deflection surfaces 14 . 16 from the 1 to 3 on the first deflection 214 , the second deflection surface 216 and the third deflection surface 218 or on the first deflection surface 214 , the second deflection surface 216 , the third deflection 218 and the fourth deflection surface 220 to distribute.
7 zeigt einen Schnitt durch den Lichtleiter 200 der 6 mit einer Schnittebene, in der ein Lichtstrahl 26 liegt. 7 shows a section through the light guide 200 of the 6 with a sectional plane in which a ray of light 26 lies.
8 zeigt eine Schrägansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lichtleiters 300. Dieser Lichtleiter 300 weist eine im Raum gewölbte Form auf und veranschaulicht, dass die Erfindung nicht an die spezielle Form der Lichtleiter 10, 200 aus den vorhergehenden Figuren gebunden ist. Der Lichtleiter 300 weist insbesondere eine der beiden oben erläuterten Lichteinkoppeloptiken 112 oder 120, eine erste Umlenkfläche 14, eine zweite Umlenkfläche 16 und eine Lichtaustrittsfläche 18 auf. Für diese Flächen und ihr Zusammenwirken gelten die Ausführungen zu den gleich benannten Flächen aus den 1 bis 3 ebenfalls. 8th shows an oblique view of a third embodiment of a light guide according to the invention 300 , This light guide 300 has a domed shape and illustrates that the invention does not address the specific shape of the light guides 10 . 200 is bound from the preceding figures. The light guide 300 In particular, one of the two Lichteinkoppeloptiken explained above 112 or 120 , a first deflection surface 14 , one second deflection surface 16 and a light exit surface 18 on. For these areas and their interaction, the comments on the same named areas from the 1 to 3 Likewise.
9 zeigt einen Schnitt durch den Lichtleiter 300 der 8 mit einer Schnittebene, in der ein Lichtstrahl liegt. 9 shows a section through the light guide 300 of the 8th with a cutting plane in which a ray of light lies.
10 zeigt eine Seitenansicht eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lichtleiters 400. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Lichteinkoppeloptik 112 am rechten Ende des Lichtleiters 400 angeordnet. Der Lichtleiter weist eine erste Umlenkfläche 14 und eine mit der ersten Umlenkfläche 14 zusammenwirkende zweite Umlenkfläche 16 auf, für welche die Beschreibung der ersten Umlenkfläche 14 und der zweiten Umlenkfläche 16 der 1 bis 3 ebenfalls gilt. Eine dritte Umlenkfläche 39 ist bei diesem Ausführungsbeispiel als ebener Spiegel ausgeführt, um das von der Lichteinkoppeloptik 112, der ersten Umlenkfläche 14 und der zweiten Umlenkfläche 16 umgeformte Lichtbündel, das bevorzugt aus parallelem Licht 26 mit räumlich konstanter Lichtstromdichte besteht, zur Lichtaustrittsfläche 18 hin umlenkt. 10 shows a side view of a fourth embodiment of a light guide according to the invention 400 , In this embodiment, a Lichteinkoppeloptik 112 at the right end of the light guide 400 arranged. The light guide has a first deflection surface 14 and one with the first deflection surface 14 cooperating second deflection surface 16 on, for which the description of the first deflection 14 and the second deflection surface 16 of the 1 to 3 also applies. A third deflection surface 39 is designed in this embodiment as a plane mirror to that of the Lichteinkoppeloptik 112 , the first deflection surface 14 and the second deflection surface 16 transformed light bundles, preferably of parallel light 26 with spatially constant luminous flux density, to the light exit surface 18 redirects.
Die beschriebenen Eigenschaften der ersten Umlenkfläche 14 und der zweiten Umlenkfläche lassen sich im Prinzip in Analogie zu einem Verfahren erzielen, wie es in der US 4,138,190 auf infinitesimaler Ebene beschrieben wird.The described properties of the first deflection surface 14 and the second deflection surface can be achieved in principle in analogy to a method as described in the US 4,138,190 is described on an infinitesimal level.
Verwendet man das Verfahren zur Berechnung von Phasenfunktionen, dann lassen sich daraus auch optische Flächen wie die Umlenkflächen 14 und 16 berechnen. Dieses Verfahren liefert glatte und zusammenhängende (Umlenk-)Flächen und umfasst kurz zusammengefasst die folgenden Schritte:
- Unter der Annahme dass die Wellenlänge gegen Null geht, wird das Beugungsintegral allgemein gelöst. Als Ergebnis erhält man einen Satz von Differentialgleichungen, in denen eine Phasenfunktion in einer Eingangsebene zu bestimmen ist. Die Eingangslichtverteilung wird mit der zu bestimmenden Phasenfunktion in eine Ausgangslichtverteilung in einer Beobachtungsebene transformiert. Für eine Verknüpfung der beiden Ebenen kann die Energieerhaltung (Lichtstromerhaltung) zur Ermittlung einer Abbildungsfunktion herangezogen werden. Mit dieser Abbildungsfunktion lässt sich jetzt die Phasenfunktion bestimmen. Das resultierende Differentialgleichungssystem lässt sich dann entweder numerisch Lösen, oder man erhält beispielsweise Integrale als Lösung. Entscheidend an dem Verfahren ist, dass mit dieser Vorgehensweise immer glatte Flächen entstehen.
If the method for calculating phase functions is used, optical surfaces such as the deflection surfaces can also be made of this 14 and 16 to calculate. This method provides smooth and contiguous (deflection) surfaces and, in a nutshell, comprises the following steps: - Assuming that the wavelength approaches zero, the diffraction integral is generally solved. The result is a set of differential equations in which a phase function is to be determined in an input plane. The input light distribution is transformed with the phase function to be determined into an output light distribution in an observation plane. For a combination of the two levels, the energy conservation (luminous flux maintenance) can be used to determine a mapping function. With this mapping function, the phase function can now be determined. The resulting differential equation system can then either be solved numerically or, for example, integrals are obtained as a solution. The decisive factor in the process is that smooth surfaces always arise with this approach.
Analog zur beschriebenen Vorgehensweise lässt sich mit dem Verfahren der geometrischen Transformation die erste Umlenkfläche 14 derart berechnet, dass mit einer bekannten Lichtverteilung auf der ersten Umlenkfläche 14 auf der zweiten Umlenkfläche 16 eine Lichtverteilung mit konstanter Helligkeit entsteht. Die zweite Umlenkfläche reflektiert dann die Lichtstrahlen in der Art, dass die Lichtbündel parallel sind oder dass die Lichtbündel einen gewünschten Konvergenz- oder Divergenzwinkel aufweisen. Die Aufteilung der Funktionen ist auch bei der Betrachtung mit den Teilbereichen der ersten Umlenkfläche 14 und der zweiten Umlenkfläche 16 in dieser er Art zu wählen.Analogously to the procedure described, the first deflection surface can be achieved with the method of geometric transformation 14 calculated such that with a known light distribution on the first deflection surface 14 on the second deflection surface 16 a light distribution with constant brightness arises. The second deflection surface then reflects the light rays in such a way that the light bundles are parallel or that the light bundles have a desired convergence or divergence angle. The division of the functions is also in the consideration of the subregions of the first deflection surface 14 and the second deflection surface 16 to choose in this way.
Verallgemeinernd kann man sagen, dass die im Lichtweg letzte Fläche, die an der Formung eines Lichtbündels beteiligt ist und damit nicht nur einer reinen Umlenkung dient, mit einer Lichtverteilung mit konstanter Helligkeit beleuchtet werden muss. Diese letzte Fläche richtet die Lichtstrahlen parallel aus.In general, one can say that the last area in the light path, which is involved in the formation of a light bundle and thus not only serves for a pure deflection, must be illuminated with a light distribution with constant brightness. This last surface aligns the light rays in parallel.
Im Lichtweg vor einer solchen letzten Fläche muss mindestens eine andere Fläche liegen. Die 6,7 und 10 zeigen entsprechende Beispiele. In diesen Beispielen kann die konstante Lichtverteilung auf der letzten Reflexionsfläche durch Reflexion an zwei oder drei Flächen erreicht werden. Die Aufteilung der optischen Funktion auf mehrere Flächen kann möglicherweise notwendig sein, wenn die Flächen in Ihrer Ausdehnung durch andere Bauteile beschränkt sind oder wenn beispielsweise für größere Lichtmengen der Grenzwinkel der internen Totalreflexion nicht unterschritten wird. In einem solchen Fall kann die optische Funktion der ersten Umlenkfläche auf mehrere Flächen aufgeteilt werden. Diese Vorgehensweise ist in der Optik bekannt. Wie weiter oben bereits erwähnt, kann das gewünschte Lichtbündel auch mit zwei Flächen erzeugt werden, wobei weitere Flächen dann als reine Umlenkflächen dienen. Mit diesem Verfahren lassen sich auch Lichtleiter mit gebogenen Lichtaustrittsflächen realisieren.In the light path in front of such a last surface must be at least one other surface. The 6 . 7 and 10 show corresponding examples. In these examples, the constant light distribution on the last reflection surface can be achieved by reflection on two or three surfaces. Splitting the optical function over multiple surfaces may be necessary if the surfaces are limited in their extent by other components or if, for example, for larger amounts of light, the critical angle of total internal reflection is not exceeded. In such a case, the optical function of the first deflection surface can be divided into several areas. This procedure is known in optics. As already mentioned above, the desired light beam can also be generated with two surfaces, with further surfaces then serving as pure deflection surfaces. With this method, it is also possible to realize light guides with curved light exit surfaces.
Ausgehend von dieser mathematischen Formulierung lassen sich die Umlenkflächen auch iterativ und als aus Teilflächen zusammengesetzte Flächen berechnen. Das dabei zu lösende Problem besteht in einer korrekten Ermittlung der ersten Umlenkfläche. Für die iterative Berechnung wird von der Energieerhaltung bzw. der Lichtstromerhaltung ausgegangen. Ferner werden die Lichtverteilungen in der ersten Umlenkfläche 14 und der zweiten Umlenkfläche 16 als bekannt vorausgesetzt. Die auf der ersten Umlenkfläche herrschende Lichtverteilung soll keine Sprünge aufweisen, was aber bei den in Frage kommenden Halbleiterlichtquellen mit den beschriebenen Einkoppeloptiken erreicht werden kann. Mit diesen Informationen kann jetzt eine Abbildungs-oder Übertragungsfunktion ermittelt werden. Eine solche Abbildungs-oder Übertragungsfunktion beschreibt, wie ein auf einen Teilbereich der die ersten Umlenkfläche 14 einfallendes Teillichtbündel von diesem Teilbereich abgelenkt werden muss, damit das abgelenkte Teillichtbündel den zugeordneten Teilbereich zweiten Umlenkfläche beleuchtet. Zwei Teilbereiche, die in der ersten Umlenkfläche aneinander angrenzen beleuchten zwei Teilbereiche der zweiten Reflexionsfläche, die ebenfalls aneinander angrenzen.Based on this mathematical formulation, the deflection surfaces can also be calculated iteratively and as surfaces composed of partial surfaces. The problem to be solved in this case is a correct determination of the first deflection surface. For the iterative calculation, it is assumed that energy conservation or luminous flux maintenance is used. Furthermore, the light distributions in the first deflection surface 14 and the second deflection surface 16 assumed to be known. The prevailing on the first deflection light distribution should not have jumps, but this can be achieved in the candidate semiconductor light sources with the described coupling optics. With this information, a mapping or transmission function can now be determined. Such a mapping or transfer function describes how a on a portion of the first deflection 14 incident partial light bundle must be deflected from this portion, so that the deflected partial light beam illuminates the associated portion of the second deflection. Two subregions, which adjoin one another in the first deflection surface, illuminate two subregions of the second reflection surface, which likewise adjoin one another.
Der zweite Teilbereich der ersten Umlenkfläche 14 muss die Bedingung erfüllen, sich krümmungsstetig an seinen benachbarten ersten Teilbereich anzuschließen. Je nach Geometrie sind zylindrische oder torische Teilbereiche als Basisflächen geeignet, die mit Freiformanteilen geeignet modifiziert sind um die Anschlussbedingungen an den bestehenden benachbarten Teilbereich zu erreichen. An den zweiten Teilbereich wird dann ein dritter Teilbereich angehängt, wobei dieser mit Bezug auf den zweiten Teilbereich die gleichen Bedingungen erfüllen muss wie sie der zweite Teilbereich in Bezug auf den ersten Teilbereich erfüllt.The second part of the first deflection 14 has to fulfill the condition to connect to its adjacent first subarea curvature. Depending on the geometry, cylindrical or toric subregions are suitable as base surfaces which are suitably modified with free-form components in order to achieve the connection conditions to the existing adjacent subarea. A third subarea is then appended to the second subarea, wherein the latter has to fulfill the same conditions with respect to the second subarea as the second subarea fulfills with respect to the first subarea.
Die zweite Umlenkfläche ergibt sich aus der Ablenkung der Strahlen, die an der zweiten Umlenkfläche erforderlich ist, um die gewünschte Richtung der Lichtstrahlen zu erhalten. Unter der Voraussetzung, dass der Helligkeitsverlauf der Eingangslichtverteilung keine Sprünge aufweist und die erste Umlenkfläche eine glatte Fläche ist, ist dann auch die zweite Umlenkfläche eine glatte Fläche. Mit der beschriebenen Vorgehensweise erhält man immer glatte Umlenkflächen. Dies ist davon unabhängig, ob die Teilbereiche der ersten Umlenkfläche 14 1mm oder 1/10 mm breit sind. Je feiner die Unterteilung der Umlenkflächen in Teilbereiche ist, desto gleichmäßiger ist die Lichtverteilung des auf die zweite Umlenkfläche einfallenden Lichtes.The second deflection surface results from the deflection of the beams required at the second deflection surface to obtain the desired direction of the light rays. Assuming that the brightness curve of the input light distribution has no cracks and the first deflection surface is a smooth surface, then the second deflection surface is also a smooth surface. The procedure described always gives smooth deflection surfaces. This is independent of whether the subregions of the first deflection 14 1mm or 1/10 mm wide. The finer the subdivision of the deflection surfaces into subareas, the more uniform the light distribution of the light incident on the second deflection surface.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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DE 102012224079 B4 [0002, 0030]DE 102012224079 B4 [0002, 0030]
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EP 2703852 A1 [0004]EP 2703852 A1 [0004]
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US 4138190 [0048]US 4138190 [0048]