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DE4305585A1 - Signalleuchte für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Signalleuchte für Kraftfahrzeuge

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Publication number
DE4305585A1
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DE
Germany
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light
lens
led
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Detlef Decker
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Hella GmbH and Co KGaA
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    • F21V7/0091—Reflectors for light sources using total internal reflection
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    • B60Q—ARRANGEMENT OF SIGNALLING OR LIGHTING DEVICES, THE MOUNTING OR SUPPORTING THEREOF OR CIRCUITS THEREFOR, FOR VEHICLES IN GENERAL
    • B60Q1/00—Arrangement of optical signalling or lighting devices, the mounting or supporting thereof or circuits therefor
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Description

Die Erfindung betrifft eine Signalleuchte für Kraftfahrzeuge, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der deutschen Patentanmeldung P 41 28 995 Punkt 1, ist eine Signalleuchte für Kraftfahrzeuge bekannt, die ein Gehäuse zum Ein- oder Anbau in oder an eine Kraftfahrzeugkarosserie aufweist. Die Signalleuchte weist eine transparente Abschlußscheibe und eine Anzahl Lichtquellen auf, die in Reihen und/oder Spalten angeordnet sind. Diese sind als Leuchtdioden ausgebildet, die eine kegelförmige Lichtabstrahlung aufweisen. Die Signalleuchte weist zudem eine der Anzahl der Leuchtdioden entsprechende Anzahl Linsen auf, wobei jeder Leuchtdiode eine Linse zugeordnet ist, die eine rechteckige Basisfläche hat und die auf der der Leuchtdiode zugewandten Seite als eine konvexe Sammellinse ausgebildet ist. Die jeder Leuchtdiode zugewandte, konvex ausgebildete Seite jeder Linse weist eine Lichteintrittsfläche auf, die durch vier parabelförmige Grenzlinien bestimmt ist, die durch den Schnitt des von der Leuchtdiode abgestrahlten Lichtkegels mit der konvex ausgebildeten Seite der Linse, die eine rechteckige Basisfläche aufweist, bestimmt sind. Der Abstand jeder Linse zu jeder Leuchtdiode und die konvexe Form jeder Lichteintrittsfläche jeder Linse sind derart ausgebildet, daß alles auf die Lichteintrittsfläche jeder Linse auftreffende Licht von der zugeordneten Leuchtdiode auf die gesamte rechteckige Basisfläche der Linse abgebildet wird. Zudem weist jede Linse auf ihrer der Leuchtdiode abgewandten Seite eine lichtsammelnde Optik auf, die eine Prismenoptik und speziell eine Fresnellinse ist. Die jeder Leuchtdiode zugewandte Lichteintrittsfläche jeder Linse weist einen ersten rotationssymmetrischen Bereich auf, der als konvexe sphärische Sammellinse ausgebildet ist, und die jeder Leuchtdiode zugewandte Lichteintrittsfläche jeder Linse weist mindestens einen zweiten lichtsammelnden Bereich an deren Rand auf.
Durch eine Signalleuchte dieser Art kann der gesamte Lichtstrom von den Leuchtdioden genutzt werden, um eine gleichmäßige Ausleuchtung rechteckiger Flächen zu erzeugen und eine hohe Signal- und Warnwirkung zu gewährleisten.
Um einen kompakten Aufbau der Signalleuchte zu gewährleisten, wird ein nur geringer Abstand der Leuchtdioden zu den Linsen gewählt. Hierdurch bedingt, treffen die Lichtstrahlen von den Leuchtdioden nur unter einem sehr flachen Winkel auf den zweiten Bereich der Lichteintrittsfläche auf, wodurch die Nutzung des zur Verfügung stehenden Lichtstroms nicht optimal ist. Das gleiche gilt, wenn die Leuchtdioden nicht nur einen definierten, sondern mehrere Brennpunkte in bezug auf die Lichtabstrahlung aufweisen. Dies gilt auch, wenn ein nicht definierbarer langgestreckter Brennpunkt der Leuchtdioden gegeben ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Signalleuchte zu schaffen, die einfach und kostengünstig herstellbar ist und die bei der Verwendung von Leuchtdioden mit breiter kegelförmiger Lichtabstrahlung aus mindestens zwei oder einem langgestreckten Brennpunkt das abgestrahlte Licht bestmöglich nutzt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der zweite lichtsammelnde Bereich ein umlaufendes Totalreflektionsprisma aufweist, das einen Teilbereich des von der Leuchtdiode kegelförmig abgestrahlten Lichts in im wesentlichen parallel gerichtetes Licht umlenkt.
Es ist von Vorteil, daß der zweite lichtsammelnde Bereich ein umlaufendes Totalreflektionsprisma aufweist, das einen Teilbereich des von dem Leuchtdiode kegelförmig abgestrahlten Lichts in im wesentlichen parallel gerichtetes Licht umlenkt, weil so auf einfache und kostengünstige Weise der gesamte von den Leuchtdioden erzeugte Lichtstrom bestmöglich genutzt werden kann, so daß die Verluste, bedingt durch einen nicht klar definierten Brennpunkt der Leuchtdioden und bedingt durch zu geringe Auftreffwinkel der Lichtstrahlen, auf den zweiten Bereich der Lichteintrittsfläche vermieden werden.
In diesem Zusammenhang erweist sich als besonders vorteilhaft, daß das Totalreflektionsprisma eine der Leuchtdiode zugewandte Eintrittsfläche, eine Reflektionsfläche und eine Austrittsfläche zur Umlenkung des Lichts aufweist, wodurch mit einfach ausführbaren Mitteln eine hohe Effizienz der Lichtausnutzung erreicht wird.
Es ist vorteilhaft, daß die Lichteintrittsfläche von der Lichtaustrittsfläche in dem ersten Bereich einen im wesentlichen äquidistanten Abstand aufweist, weil somit eine Materialanhäufung im mittleren Bereich der Linse vermieden werden kann und somit bei der Verwendung einer größeren Anzahl von Linsen in einer Signalleuchte Material und Gewicht eingespart werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Signalleuchte für Kraftfahrzeuge ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben.
Gleiche oder gleichwirkende Merkmale sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Leuchtdioden-Linsenanordnung,
Fig. 2 den Bautyp einer verwendbaren Leuchtdiode,
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der Leuchtdioden-Linsenanordnung gemäß Fig. 1,
Fig. 4 eine veränderte Ausführungsform entsprechend Fig. 1,
Fig. 5 eine erfindungsgemäße Signalleuchte,
Fig. 6 eine Linse mit Totalreflektionsprismen,
Fig. 7 eine besonders ausgeführte Linse.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Anordnung einer Leuchtdiode (LED) und einer dieser zugeordneten Linse (L) in einer Signalleuchte für Kraftfahrzeuge. Die Leuchtdiode (LED) erzeugt eine kegelförmige, breite Lichtabstrahlung. Zur Parallelrichtung des von der Leuchtdiode (LED) ausgesandten Lichts und zur gleichmäßigen Ausleuchtung von rechteckförmigen Flächen ist in einem vorgegebenen Abstand (T) zur Leuchtdiode (LED) eine Linse (L) angeordnet. Diese Linse (L) weist auf ihrer der Leuchtdiode (LED) zugewandten Seite eine konvexe Lichteintrittsfläche (C) auf. Durch die konvexe Ausbildung der Lichteintrittsfläche (C) der Linse (L) wirkt die Linse (L) lichtsammelnd. Zur bestmöglichen Ausnutzung des von der Leuchtdiode (LED) ausgesandten Lichts weist die der Leuchtdiode (LED) zugewandte Lichteintrittsfläche (C) der Linse (L) hier beispielhaft einen ersten rotationssymmetrischen Bereich (B1) auf, der als konvexe, sphärische Sammellinse ausgebildet ist. Die Lichteintrittsfläche (C) der Linse (L) weist hier beispielhaft mindestens einen zweiten lichtsammelnden Bereich (B2) an deren Rand auf, der eine geringere Steigung aufweist als der angrenzende erste Bereich (B1). So daß die ansonsten sehr flach auftreffenden Lichtstrahlen im Randbereich in den Körper der Linse (L) eintreten können und zu einer besonders gleichmäßigen Ausleuchtung der rechteckigen Basisfläche (F) der Linse (L) dienen. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Lichteintrittsfläche (C) der Linse (L) in dem zweiten Bereich (B2) kegelförmig ausgebildet. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Lichteintrittsfläche (C) der Linse (L) in dem zweiten Bereich (B2) auch asphärisch ausgebildet sein.
Zur bestmöglichen Gleichrichtung des von der Leuchtdiode (LED) ausgestrahlten Lichts weist die Linse (L) an ihrer der Leuchtdiode (LED) abgewandten Seite eine lichtsammelnde Optik auf, die hier beispielhaft als eine Fresnellinse (N) auf der Basisfläche (F) der Linse (L) ausgebildet ist, wodurch sich eine besonders flache und einfache Konstruktion und Herstellbarkeit einer Signalleuchte ergibt.
Aufgrund der breiten kegelförmigen Lichtabstrahlung der Leuchtdiode (LED) bei hoher Lichtintensität kann die Linse (L) in einem geringen Abstand (T) zu der Leuchtdiode (LED) angeordnet werden, wodurch sich eine besonders flache Bauform der Signalleuchte ergibt.
Fig. 2 zeigt einen vorzugsweise verwendbaren Typ einer Leuchtdiode (LED), die z. B. eine Leuchtdiode der Fa. Hewlett Packard vom Typ HPWR-A200 sein kann. Diese weist elektrische Anschlußelemente (M) für eine Halbleiterzelle (H) auf, die in einem besonders gestalteten Reflektor (R) angeordnet ist. Das von der Halbleiterzelle (H) erzeugte Licht wird von dem Reflektor (R) der Leuchtdiode (LED) derart reflektiert, daß sich aufgrund der nachgeordneten Linse (L) der Leuchtdiode (LED) eine besonders breite Lichtabstrahlcharakteristik bei besonders guter Ausnutzung des von der Halbleiterzelle (H) erzeugten Lichts ergibt. Die Verwendung von Leuchtdioden (LED) dieser Art ermöglicht den Aufbau von Signalleuchten für Kraftfahrzeuge, die bei einer geringen Anzahl verwendeter Leuchtdioden (LED) bei einer großflächigen Abstrahlung eine hohe Warn- und Signalwirkung aufweisen.
Fig. 3 zeigt beispielhaft eine perspektivische Darstellung entsprechend Fig. 1. Zur bestmöglichen Ausnutzung des von der Leuchtdiode (LED) ausgesendeten Lichts weist die der Leuchtdiode (LED) zugewandte, konvex ausgebildete Seite jeder Linse (L) eine Lichteintrittsfläche (C) auf, die durch vier parabelformige Grenzlinien (Z) bestimmt ist. Diese Grenzlinien (Z) ergeben sich durch den Schnitt des von der Leuchtdiode (LED) abgestrahlten Lichtkegels mit der konvex ausgebildeten Seite der Linse (L), die eine rechteckige Basisfläche (F), wie in Fig. 1 gekennzeichnet, aufweist. Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausbildung ist die rechteckige Basisfläche ein Quadrat. Bei der hier vereinzelt dargestellten Linse (L) weist diese eine pyramidenstumpfförmige Ausgestaltung auf, wobei die Lichteintrittsfläche (C) der Linse (L) durch die vier parabelförmigen Grenzlinien (Z) begrenzt ist.
Wie aus Fig. 1 erkennbar, ist der Abstand (T) der Linse (L) zu der Leuchtdiode (LED) und die konvexe Form der Lichteintrittsfläche (C) der Linse (L) derart ausgebildet, wie der Strahlengang zeigt, daß alles auf die Lichteintrittsfläche (C) der Linse (L) auftreffendes Licht von der zugeordneten Leuchtdiode (LED) auf die gesamte rechteckige Basisfläche (F) der Linse (L) abgebildet wird, so daß sich neben einer bestmöglichen Ausnutzung des Lichts auch eine bestmögliche gleichmäßige Ausleuchtung der rechteckigen Basisfläche (F) ergibt.
Die schematische Darstellung der Rückseite der Linse (L) in Fig. 3 zeigt auch die Unterteilung der Lichteintrittsfläche (C) in einen ersten Bereich (B1) und einen zweiten Bereich (B2). In dem ersten Bereich (B1) ist die Lichteintrittsfläche (C) der Linse (L) als eine rotationssymmetrische, konvexe, sphärische Sammellinse ausgebildet. Bei dem hier schematisch gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Lichteintrittsfläche (C) vier zweite Bereiche (B2) auf, die zur besseren Lichtausnutzung der im Randbereich flach auftreffenden Lichtstrahlen von der Leuchtdiode eine geringere Steigung aufweisen als der angrenzende erste Bereich (B1).
Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch eine Anordnung einer Leuchtdiode (LED) und einer Linse (L) in einer erfindungsgemäßen Signalleuchte entsprechend Fig. 1. Die Linse (L) weist auf ihrer der Leuchtdiode (LED) zugewandten Seite eine Lichteintrittsfläche (C) auf, die wie unter Fig. 1 und Fig. 3 beschrieben gestaltet ist und in ihrer Form und ihrem Abstand zu der Leuchtdiode (LED) derart ausgeführt ist, daß alles von der Leuchtdiode (LED) erzeugtes Licht von der Linse (L) möglichst gleichmäßig auf die rechteckförmige Basisfläche (F) der Linse (L) abgebildet wird. Zur Erhöhung des Grades der Gleichrichtung insbesondere der Parallelrichtung der aus der Linse (L) austretenden Strahlen weist die Linse (L) an ihrer der Leuchtdiode (LED) abgewandten Seite eine asphärische Linse (P) auf, wobei der Körper der Linse besonders einfach und kostengünstig einstückig z. B. aus Kunststoff herstellbar ist.
Fig. 5 zeigt die Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Signalleuchte. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Signalleuchte ein Gehäuse (G) auf, das durch eine transparente Abschlußscheibe (A) abgedeckt ist. Die transparente Abschlußscheibe (A) kann zur Erzeugung einer gewünschten oder vorgeschriebenen Lichtverteilung hier nicht gezeigte, bekannte, lichtablenkende Mittel aufweisen.
Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Signalleuchte in dem Gehäuse (G) hinter der Abschlußscheibe (A) fünf in Reihe angeordnete Leuchtdioden (LED) auf, deren elektrische Kontaktierung hier nicht gezeigt ist. Jeder der Leuchtdioden (LED) ist eine rechteckförmige Linse (L) zugeordnet. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Linsen (L) annähernd quadratisch ausgebildet.
Aufgrund der gleichmäßigen Ausleuchtung und der hohen erzielbaren Lichtintensität bei flacher, einfacher und kostengünstiger Bauweise eignet sich die Signalleuchte entsprechend Fig. 5 besonders gut für die Verwendung als Bremsleuchten und/oder Schlußleuchten und/oder Blinkleuchten in Kraftfahrzeugen.
Fig. 6 zeigt eine Linse (L), die wie zuvor beschrieben, eine einer hier nicht gezeigten Leuchtdiode (LED) zugewandte Lichteintrittsfläche (C) aufweist, die in einem ersten Bereich (B1) als eine konvexe sphärische Sammellinse ausgebildet ist. Auf der Lichtaustrittsfläche (LA) weist die Linse (L) eine Prismenoptik auf, die hier als eine Fresneloptik (N) zur Parallelrichtung des Lichts ausgebildet ist.
Die hier nicht gezeigte Leuchtdiode (LED) weist einen ersten Brennpunkt (X1) in einem ersten Abstand (T1) von der Basisfläche (F) auf und weist einen zweiten Brennpunkt (X2) in einem zweiten Abstand (T2) von der Basisfläche (F) auf. Durch das Vorliegen zweier Brennpunkte (X1, X2) der Leuchtdiode (LED) ist es erforderlich, um zu erreichen, daß der gesamte Lichtstrom von der Leuchtdiode (LED) bestmöglich genutzt wird und in zum Beispiel parallel gerichtetes Licht umgelenkt wird, die Linse (L) derart zu gestalten, daß das Licht von beiden Brennpunkten (X1, X2) bestmöglich genutzt wird. Der rotationssymmetrische erste Bereich (B1) der Lichteintrittsfläche (C) der Linse (L) ist bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel optimal auf den zweiten Brennpunkt (X2) der Leuchtdiode (LED) ausgelegt. Um das Licht von dem ersten Brennpunkt (X1) der Leuchtdiode (LED) bestmöglich nutzen zu können, weist die Linse (L) in ihrem äußeren zweiten Bereich (B2) ein umlaufendes Totalreflektionsprisma auf, das das Licht von dem ersten Brennpunkt (X1) der Leuchtdiode (LED) in im wesentlich parallel gerichtetes Licht umlenkt. Das Totalreflektionsprisma besteht dabei aus einer der Leuchtdiode (LED) zugewandten Eintrittsfläche (NF), einer Reflektionsfläche (Rf) und einer Austrittsfläche, die bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel der Basisfläche (F) entspricht. Ein erster Winkel (U) kennzeichnet den Grenzabstrahlwinkel des Lichts, daß in dem ersten Brennpunkt (X1) erzeugt wird. Dieser wird angegeben in bezug auf die Mittelachse (MA) der Linde (L).
In Abhängigkeit von dem ersten Winkel (U) weist die Eintrittsfläche (NF) in bezug auf die Mittelachse (MA) einen Neigungswinkel zum ersten Brennpunkt (X1) auf, der durch einen zweiten Winkel (V) gekennzeichnet ist. Um eine Totalreflektion des auf die Reflektionsfläche (RF) auftreffenden Lichts zu erhalten, weist die Reflektionsfläche (RF) in bezug auf die Mittelachse (MA) einen dritten Winkel (W) auf.
Je nach verwendeter Leuchtdiode weist diese zwei oder mehr oder auch einen langgestreckten zwischen den Brennpunkten (X1, X2) liegenden Brennbereich auf. Durch Variation der Linseneigenschaften und der Wirkung des Totalreflektionsprismas kann auf einfache und kostengünstige Weise eine optimale Nutzung des Lichtstroms von der Leuchtdiode (LED) erreicht werden.
In dem oberen Teil der Zeichnung sind die Strahlengänge durch die Linse (L) für das aus dem ersten Brennpunkt (X1) und dem zweiten Brennpunkt (X2) austretende Licht eingezeichnet.
Um Material und Gewicht zu sparen, weist die Lichteintrittsfläche (C) von der Lichtaustrittsfläche (LA) in dem ersten Bereich (B1) einen im wesentlichen äquidistanten Abstand auf.
Bei der in Fig. 7 gezeigten speziellen Ausführung der Linse (L), bei der der zweite Bereich (B2) der Lichteintrittsfläche (C) auch ein Totalreflektionsprisma aufweisen kann, ist die Lichteintrittsfläche (C) von der Lichtaustrittsfläche (LA), die die Fresnellinse (N) aufweist, äquidistant beabstandet. Damit im Vergleich zu der Ausführung der Linse (L), wie in Fig. 1 beschrieben, die gleiche Lichtabstrahlcharakteristik erreicht wird, wurden die Prismen der Fresnellinse (N) abgeändert und die Basisfläche (F) mit zusätzlichen Prismen versehen.

Claims (3)

1. Signalleuchte für Kraftfahrzeuge, mit einem Gehäuse (G) zum Ein- oder Anbau in oder an eine Kraftfahrzeugkarosserie, mit einer transparenten Abschlußscheibe (A) und mit einer Anzahl Lichtquellen, die in Reihen- und/oder Spalten angeordnet sind und die als Leuchtdioden (LED) ausgebildet sind, die eine kegelförmige Lichtabstrahlung aufweisen, mit einer der Anzahl der Leuchtdioden (LED) entsprechenden Anzahl Linsen (L), wobei jeder Leuchtdiode (LED) eine Linse (L) zugeordnet ist, die eine rechteckige Basisfläche (F) aufweist und die auf der der Leuchtdiode (LED) zugewandten Seite als eine konvexe Sammellinse ausgebildet ist, wobei die jeder Leuchtdiode (LED) zugewandte, konvex ausgebildete Seite jeder Linse (L) eine Lichteintrittsfläche (C) aufweist, die durch vier parabelförmige Grenzlinien (Z) bestimmt ist, die durch den Schnitt des von der Leuchtdiode (LED) abgestrahlten Lichtkegels mit der konvex ausgebildeten Seite der Linse (L), die eine rechteckige Basisfläche (F) aufweist, bestimmt sind; der Abstand (T) jeder Linse zu jeder Leuchtdiode (LED) und die konvexe Form jeder Lichteintrittsfläche (C) jeder Linse (L) derart ausgebildet sind, daß alles auf die Lichteintrittsfläche (C) jeder Linse (L) auftreffende Licht von der zugeordneten Leuchtdiode (LED) auf die gesamte rechteckige Basisfläche (F) der Linse (L) abgebildet wird; jede Linse (L) auf ihrer der Leuchtdiode (LED) abgewandten Seite eine lichtsammelnde Optik aufweist, die eine Prismenoptik ist; die jeder Leuchtdiode (LED) zugewandte Lichteintrittsfläche (C) jeder Linse (L) einen ersten rotationssymmetrischen Bereich (B1) aufweist, der als konvexe, sphärische Sammellinse ausgebildet ist und die jeder Leuchtdiode (LED) zugewandte Lichteintrittsfläche (C) jeder Linse (L) mindestens einen zweiten lichtsammelnden Bereich (B2) an deren Rand aufweist (gemäß der deutschen Patentanmeldung P 41 28 995.1), dadurch gekennzeichnet, daß der zweite lichtsammelnde Bereich (B2) ein umlaufendes Totalreflektionsprisma aufweist, das einen Teilbereich des von der Leuchtdiode (LED) kegelförmig abgestrahlten Lichts in im wesentlichen parallel gerichtetes Licht umlenkt.
2. Signalleuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Totalreflektionsprisma eine der Leuchtdiode (LED) zugewandte Eintrittsfläche (NF), eine Reflektionsfläche (RF) und eine Austrittsfläche zur Umlenkung des Lichts aufweist.
3. Signalleuchte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichteintrittsfläche (C) von der Lichtaustrittsfläche (LA) in dem ersten Bereich (B1) einen im wesentlichen äquidistanten Abstand aufweist.
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