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Die Erfindung betrifft einen Scheinwerfer, der dazu ausgebildet ist, das von einer Mehrzahl von Leuchtdioden jeweils in divergenten Strahlenbündeln emittierte Licht in einem mindestens zweifach umgelenkten Strahlengang zu einem parallelen Strahlenbündel oder zu einem von der jeweiligen Funktion des Scheinwerfers bestimmten funktionalen Strahlenbündel auszurichten. Dabei schließt das Anwendungsspektrum der Erfindung Scheinwerfer für Fahrzeuge ebenso ein, wie Scheinwerfer für Werkzeuge und Elektrowerkzeuge und Scheinwerfer, die in das Gehäuse eines Mobiltelefons, einer Uhr, einer Kamera, eines Schreibgeräts oder eines Duschkopfs integriert sind.
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Die von den einzelnen Leuchtdioden jeweils in divergenten Strahlenbündeln quer zu der optischen Achse des von einem Hohlspiegel oder von einer Fresnellinse gebildeten Kollimators emittierten Lichtstrahlen werden erfindungsgemäß an einem Linsenring mit mindestens drei Facetten gebrochen und zu einem auf den Brennpunkt des Kollimators zentrierten Strahlenbündel vereinigt. Dabei wirkt die polygonal ausgebildete Innenseite des Linsenrings als Sammellinse, deren Brennpunkte mit einem radialen Abstand konzentrisch zu dem Brennpunkt des Kollimators angeordnet sind, wobei die Anzahl der Brennpunkte der Anzahl der Facetten des Linsenrings entspricht. In einem Brennpunkt des Linsenrings können jeweils eine oder eine Mehrzahl von Leuchtdioden angeordnet sein, sodass ein erfindungsgemäßer Scheinwerfer in unterschiedlichen Größen hergestellt werden kann und mindestens drei oder eine nach oben offene Mehrzahl von Leuchtdioden umfasst.
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Bei bekannten Scheinwerfern ist die Lichtquelle im Brennpunkt eines Hohlspiegels mit parabolischer, ellipsoidaler, hyperbolischer oder sphärischer Form angeordnet, um die von der Lichtquelle emittierten Strahlen zu einem parallelen Strahlenbündel zu transformieren. Nachteilig dabei ist, dass im Wesentlichen nur eine Lichtquelle im Brennpunkt eines entsprechenden Reflektors angeordnet werden kann.
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Bekannte Autoscheinwerfer, bei denen die Lichtquellen aus Leuchtdioden bestehen, benötigen für jede Leuchtdiode jeweils einen separaten Reflektor. Bei der erfindungsgemäßen Leuchtdiodenanordnung kann eine Mehrzahl von Leuchtdioden in der Kavität von nur einem Hohlspiegel angeordnet werden. Damit wird einerseits eine hohe Lichtintensität ermöglicht, andererseits können unterschiedliche Lichtfarben jeweils für unterschiedliche Scheinwerferfunktionen genutzt werden.
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Der Halbleiterkristall einer Leuchtdiode ist bei der Umwandlung der elektrischen Leistung in Lichtstrom sehr effizient. Der Wirkungsgrad beträgt ca. 90% was ca. 600 lm/W bedeutet. Herkömmliche Scheinwerfer nutzen nur einen Bruchteil des von den Leuchtdioden emittierten Lichts, da ein Großteil des divergenten Strahlenbündels nicht kollimiert werden kann. Mit einer verbesserten Leuchtdiode, wie sie aus der
DE 10 2013 013 411 A1 hervorgeht, kann bis zu 90% des Lichtstroms in ein kollimiertes Strahlenbündel transformiert werden. Damit steht ein Scheinwerfer zur Verfügung, der im großtechnischen Maßstab z. B. auch für die Nahrungsmittelproduktion in Gewächshäusern geeignet ist. Aktuelle Forschungen zeigen, dass die Anzahl der Fruchtzyklen unter Kunstlicht erhöht werden kann. Eine exakte Kollimation des Kunstlichts ermöglicht es auch die Reichweite eines Scheinwerfers bis in den Kilometerbereich hinein zu steigern, sodass ein weitreichender Sichtkanal für das menschliche Auge eröffnet wird.
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Aus der
DE 10 2007 008 403 A1 geht ein Kraftfahrzeugscheinwerfer mit mindestens zwei Reflektorkammern hervor, die dazu ausgebildet sind, das Licht mehrerer Leuchtdioden zu einem Strahlenbündel zu kollimieren.
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Aus der
DE 198 60 461 A1 geht eine Scheinwerferanlage für Fahrzeuge hervor, bei der mehrere Scheinwerfereinheiten in einem Gehäuse zusammengefasst sind, um Lichtbündel mit unterschiedlichen Charakteristiken zu erzeugen.
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Aus der
DE 10 2009 021 353 A1 geht ein Scheinwerfer mit mehreren Lichtquellen hervor, die jeweils auf einer separaten Kühlfläche angeordnet sind. Der Reflektor des Scheinwerfers ist aus einer Mehrzahl von Reflektorelementen zusammengesetzt, wobei jedem Reflektorelement eine Lichtquelle zugeordnet ist.
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Aus der
DE 60 2004 007 318 T2 geht ein Kraftfahrzeugscheinwerfer zur Erzeugung eines vorschriftsmäßigen Lichtbündels hervor, bei dem eine Lichtquelle am Schnittpunkt einer optischen Längsachse mit einer optischen Querachse angeordnet ist und der Scheinwerfer eine von der Lichtquelle beabstandete Sammellinse umfasst, die dazu ausgebildet ist, das Licht auf einen lichtstreuenden Reflektor zu lenken.
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Aus der
US 2008/0316760 A1 geht ein Kollimatorelement für Leuchtdioden hervor, das insbesondere für Fahrzeugscheinwerfer geeignet ist, bei dem eine Leuchtdiode quer zur Kollimationsrichtung angeordnet ist.
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Aus der
DE 60 2005 000 798 T2 geht eine Beleuchtungseinheit für KFZ-Scheinwerfer hervor, die einen konkaven Reflektor und mindestens eine in der Konkavität des Reflektors angeordnete Lichtquelle besitzt. Bei diesem Scheinwerfer wird das von der Lichtquelle und dem Reflektor emittierte Lichtbündel durch eine horizontale Platte umgelenkt, bevor es nach dem Projektionsprinzip an einer Linse kollimiert wird.
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Aus der
DE 2006 046 438 B4 geht ein Scheinwerfer mit einer optimierten Lichtverteilung hervor, bei dem das von einer ersten Lichtquelle emittierte Licht nach dem Reflektionsprinzip kollimiert wird und eine weitere Lichtquelle das Licht nach dem Projektionsprinzip durch eine Linse umlenkt. Dabei ist der zweiten, auf der optischen Achse des Scheinwerfers angeordneten Lichtquelle eine Sammeloptik aus transparentem Kunststoff zugeordnet, die das von der zweiten Lichtquelle emittierte Licht bündelt bevor es auf eine Linse trifft, die es zu einem parallelen Strahlenbündel ausrichtet, während die erste Lichtquelle zwei oder mehrere jeweils individuell angepasste Reflektoren benötigt.
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung für eine Mehrzahl von Leuchtdioden zu finden, die geeignet ist, das von den Leuchtdioden in einzelnen Lichtkegeln emittierte Licht in einem mindestens zweifach umgelenkten Strahlengang zu einem parallelen Strahlenbündel mit einer scharfen Hell-Dunkel-Grenze zu vereinigen oder zu einem an die jeweilige Funktion oder Teilfunktion eines Scheinwerfers angepassten funktionalen Strahlenbündel auszurichten.
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Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen der Erfindung gelöst. Weitere Aufgaben und vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Der erfindungsgemäße Scheinwerfer zur Kollimation des von einer Mehrzahl von Leuchtdioden emittierten Lichts besteht aus den Leuchtdioden als Lichtquellen, einem Linsenring zur Bündelung der Lichtstrahlen und einem Kollimator, der die gebündelten Lichtstrahlen zu einem parallelen Strahlenbündel und/oder zu einem funktionalen Strahlenbündel transformiert.
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Der Linsenring des Scheinwerfers besteht aus einem transparenten Material und kann entweder in einem Spritzgussverfahren aus einem transparenten Kunststoff oder in einem Guss- oder Pressglasverfahren aus einem eisenarmen Glas, z. B. aus Borosilikatglas hergestellt werden. Auf seiner dem Brennpunkt des Kollimators zugewandten polygonalen Innenseite weist der Linsenring eine Mehrzahl lichtbrechender Facetten auf, deren Anzahl der in den Brennpunkten der Facetten angeordneten Leuchtdioden entspricht. Auf seiner dem Kollimator zugewandten Außenseite weist die Oberfläche des Linsenrings in einer ersten Ausführungsvariante der Erfindung eine transparente Kugelschicht auf, sodass die an den Facetten des Linsenrings auf den Brennpunkt des Kollimators zentrierten Strahlen den Linsenring ohne Richtungsänderung durchqueren können, um an einem radial von dem Linsenring beabstandeten Hohlspiegel kollimiert zu werden. In einer zweiten Ausführungsvariante der Erfindung bildet der Hohlspiegel die äußere Oberfläche des Linsenrings und reflektiert das von dem Linsenring zentrierte Strahlenbündel als paralleles Strahlenbündel. Die Facetten des Linsenrings sind entweder als planebene Facetten oder als konvexe Facetten oder als Freiformfacetten oder als Stufenfacetten ausgebildet. Die Funktion des Linsenrings besteht in einer exakten Ausrichtung der von den Leuchtdioden emittierten Lichtkegel auf den Brennpunkt des Kollimators. Der Kollimator selbst wird entweder von einem Hohlspiegel oder von einer Fresnellinse gebildet.
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Die polygonale Innenseite und die von einer Rotationsfläche gebildete Außenseite des Linsenrings sind jeweils durch einen Kragen verbunden. Bildet ein Hohlspiegel die äußere Oberfläche des Linsenrings, beeinflusst der Kragen die Abstrahleigenschaften des Linsenrings. Weist der Kragen eine planebene Fläche auf, durchquert das von dem Hohlspiegel reflektierte parallele Strahlenbündel den Kragen ohne Richtungsänderung. Einzelne Sektoren des Kragens können Prismen tragen, die z. B. einer horizontalen Aufweitung des von einem Fahrzeugscheinwerfer abgestrahlten Strahlenbündels dienen. Dabei kann einem Sektor des Kragens jeweils eine Leuchtdiode zugeordnet werden, sodass unterschiedliche Funktionen eines Fahrzeugscheinwerfers, wie Standlicht, Blinklicht, Infrarotlicht, Abblendlicht, Fernlicht und Tagfahrlicht mit einem kreisringförmigen Scheinwerfer mit z. B. sechs oder acht ringförmig um den Brennpunkt des Hohlspiegels angeordneten Leuchtdioden abgedeckt werden können. Weist der Kragen eine konkav gewölbte Fläche auf, wirkt er als Zerstreuungslinse – mit einer konvex gewölbten Fläche als Sammellinse und mit einem aufgesetzten Konus mit zulaufenden Wandungen als Lichtleiter, aus dem ein der jeweiligen Funktion des Scheinwerfers entsprechendes funktionales Strahlenbündel ausgekoppelt wird.
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In einer speziellen Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, den Linsenring selbst als Lichtleiter auszubilden, wobei ein Teil der von den Leuchtdioden in Lichtkegeln emittierten Strahlen an dem dem Scheitelpunkt des Hohlspiegels zugewandten Kragen in den Linsenring eingekoppelt, an der transparenten Kugelschicht des Linsenrings totalreflektiert und an dem abstrahlungsseitigen Kragen mittels von Prismen als funktionales Strahlenbündel wieder ausgekoppelt wird. In diesem Fall ist ein hell erleuchteter, innen polygonaler und außen runder Linsenring das markenspezifische Erkennungsmerkmal eines Autoscheinwerfers.
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Ein erfindungsgemäßer Scheinwerfer weist einen zentralen Kühlkanal auf, der entweder als beidseitig offener Kühlkanal oder als geschlossener Kühlkanal ausgebildet ist und die Elektroleitungen und Schaltungen der Leuchtdioden aufnimmt. Ein Kühlkanal aus Kupfer oder Aluminium kann eine Phase zur Stromversorgung der Leuchtdioden bilden und die von den Leuchtdioden emittierte Wärme auf eine Luftströmung auf ein Wärmeträgerfluid übertragen. Als bekannter Wärmeübertrager kann ein Wärmerohr in einen an beiden Seiten gegenüber der Atmosphäre abgeschotteten Kühlkanal integriert werden, wobei ein phasenwechselndes Arbeitsmedium die Wärme von den Leuchtdioden über Kühlrippen an der Außenseite des Wärmerohrs auf die Umgebungsluft überträgt. Ein beidseitig offener Kühlkanal kann z. B. die Welle eines Elektrowerkzeugs oder die Welle eines Wischers zur Reinigung eines Scheinwerferglases oder die Mine eines Schreibgeräts oder eine Wasser- oder Luftleitung aufnehmen. Im Falle eines ringförmigen Scheinwerfers nimmt der Hohlraum z. B. ein Uhrwerk oder ein Kameraobjektiv auf. Zur Erzeugung eines parallelen Strahlenbündels sind die Leuchtdioden unmittelbar in den Brennpunkten des Linsenrings angeordnet. Eine Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, Leuchtdioden mit einem Versatz zu den Brennpunkten des Linsenrings anzuordnen und auf diese Weise entweder ein divergentes oder ein konvergentes Strahlenbündel zu erzeugen. Für die Abblendlichtfunktion eines Autoscheinwerfers liegen die Leuchtdioden abstrahlungsseitig vor den Brennpunkten des Linsenrings, im Falle eines divergenten Strahlenbündels z. B. für einen Nebelscheinwerfer sind versetzte Leuchtdioden hinter den Brennpunkten des Linsenrings vorgesehen.
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Die Leuchtdioden selbst können entweder als Einchip-Leuchtdioden oder als Mehrchip-Leuchtdioden ausgebildet werden und sowohl sichtbares Licht in unterschiedlichen Farben abstrahlen als auch infrarote Strahlung emittieren. Die Leuchtdioden sind auf einen Platinenring montiert, der z. B. als PCB-Ring (Printed Circuit Board) ausgebildet und rückseitig wärmeleitend mit dem Kühlkanal verbunden ist. Für eine optimale Wärmeübertragung wird der Platinenring von DCB-Boards (Double Copper Bonded) gebildet, die über Kupfer eine unmittelbare elektrisch-thermische Verbindung mit dem Kühlkanal herstellen.
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In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, den Linsenring und die dazugehörenden Leuchtdioden verschwenkbar um den Brennpunkt des Kollimators zu lagern, sodass ein Anstellwinkel zwischen der Längsmittelachse des Kühlkanals und der optischen Achse des Scheinwerfers entsteht. Auf diese Weise lässt sich innerhalb des von dem Scheinwerfer abgestrahlten parallelen Strahlenbündels die Leuchtdichte variieren, sodass z. B. bei einem Fahrzeugscheinwerfer die Abblendlichtfunktion mit einer sehr guten Ausleuchtung des Fahrbahnbereichs unmittelbar vor dem Fahrzeug und die Fernlichtfunktion mit einer entsprechenden Ausleuchtung der von dem Fahrzeug entfernten Bereiche der Fahrbahn ermöglicht wird.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, eine in sich unverdrehbare Einheit aus den Leuchtdioden, dem Linsenring und dem Kollimator in einem Kalottenlager zu lagern, sodass z. B. bei einem zweispurigen Fahrzeug der linke und der rechte Scheinwerfer unabhängig voneinander nach außen gedreht werden können, um eine horizontale Aufweitung des von den Scheinwerfern erfassten Fahrbahnbereichs zu erzielen. Entsprechend können die Scheinwerfer in unterschiedlichen Winkeln zur Fahrbahn hin geneigt werden, um wahlweise Abblendlicht oder Fernlicht zu bewirken. Schließlich ist ein derartiger, in einem Kalottenlager drehbar gelagerter Kugelscheinwerfer auch in der Lage als Kurvenlicht der jeweiligen Fahrsituation des Fahrzeugs zu folgen. Mit einem eingebauten Laserstrahl kann der Abstand zu einem vorausfahrenden Fahrzeug oder zum Fahrbahnrand gemessen werden.
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Der Kollimator wird entweder von einem Hohlspiegel oder von einer Fresnellinse gebildet. Die rotationssymmetrische Form des Hohlspiegels weist dabei eine Kegelschnittkurve auf. Die bevorzugte Form des Hohlspiegels ist ein Paraboloid oder ein Ellipsoid. Wird der Kollimator von einer Fresnellinse gebildet, kann die Fresnellinse das Scheinwerferglas bilden und dabei planeben oder mit einer Wölbung versehen werden, um ein der jeweiligen Funktion des Scheinwerfers entsprechendes funktionales Strahlenbündel zu erzeugen.
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Eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung besteht in einer gestaffelten Anordnung mehrerer, konzentrisch zu einer gemeinsamen optischen Achse angeordneter Scheinwerfer, die sich nach vorne trichterförmig erweitern. Die konzentrische Staffelung mehrerer Scheinwerfereinheiten ermöglicht die Ausbildung eines leistungsstarken, weitreichenden Scheinwerfers, dessen Lichtquelle von hunderten Leuchtdioden gebildet wird und der über eine bisher nicht erreichte Reichweite verfügt.
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Die Figuren zeigen unterschiedliche Ausführungsmöglichkeiten und Anwendungen der Erfindung.
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Es zeigen:
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1 einen Scheinwerfer mit einem umgelenkten Strahlengang in einer meridionalen Schnittperspektive
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2 den Scheinwerfer nach 1 in einem Meridianschnitt
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3 den Scheinwerfer nach 1–2 in einem Horizontalschnitt
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4 einen Autoscheinwerfer mit einem umgelenkten Strahlengang in einer meridionalen Schnittperspektive
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5 den Autoscheinwerfer nach 4 in einem Meridianschnitt
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6 einen Scheinwerfer mit einem umgelenkten Strahlengang in einer Schnittperspektive
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7 einen Scheinwerfer mit einem umgelenkten Strahlengang in einer Schnittperspektive
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8 einen Scheinwerfer mit einem umgelenkten Strahlengang in einer Schnittperspektive
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9 den Scheinwerfer nach 8 in einer meridionalen Schnittperspektive
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10 einen Scheinwerfer mit einem umgelenkten Strahlengang in einem Meridianschnitt
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11 den Scheinwerfer nach 18 in einer meridionalen Schnittperspektive
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12 einen Scheinwerfer mit einem umgelenkten Strahlengang in einem Meridianschnitt
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13 den Scheinwerfer nach 10 in einem Horizontalschnitt
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14 einen Scheinwerfer mit einem ringförmigen Gehäuse in einem Meridianschnitt
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15 den Scheinwerfer nach 12 in einer meridionalen Schnittperspektive
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16 einen Scheinwerfer mit einem umgelenkten Strahlengang als Taschenlampe in einer meridionalen Schnittperspektive
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17 einen Scheinwerfer mit einem umgelenkten Strahlengang als integraler Bestandteil einer Bohrmaschine in einer Ausschnittsperspektive
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18 einen Scheinwerfer mit einem umgelenkten Strahlengang, der in einen Duschkopf integriert ist, in einer meridionalen Schnittperspektive
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19 einen Scheinwerfer mit einem umgelenkten Strahlengang, der in die Spitze eines Kugelschreibers integriert ist, in einer meridionalen Schnittperspektive
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20 einen Scheinwerfer mit einem umgelenkten Strahlengang, der in das Objektiv einer Kamera integriert ist, in einem Meridianschnitt
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21 den Scheinwerfer nach 20 in einem Horizontalschnitt
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22 einen Scheinwerfer mit einem umgelenkten Strahlengang, der in eine Armbanduhr integriert ist, in einer Schnittperspektive
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1 zeigt einen Scheinwerfer 1 mit einem zweifach umgelenkten Strahlengang mit den Strahlenbündeln Sd, Sz, Sp. Insgesamt sechs Leuchtdioden 12 sind auf einem sechseckigen Platinenring P montiert und emittieren jeweils ein divergentes Strahlenbündel Sd in einem Lichtkegel 120, der auf einen Linsenring 11 mit planebenen Facetten 110 trifft, die jeweils als Sammellinse wirken und die divergenten Strahlenbündel Sd, wie in den 2 und 3 dargestellt, zu einem zentrierten Strahlenbündel Sz vereinigen. Die dem Kollimator 10 als Hohlspiegel 100 zugewandte Seite des Linsenrings 11 ist als Rotationsfläche 113 in Form einer transparenten Kugelschicht 114 ausgebildet.
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2 zeigt den Scheinwerfer 1 nach 1 in einem Meridianschnitt entlang der optischen Achse O. Der Linsenring 11 ist mit einem radialen Abstand konzentrisch zu dem Brennpunkt Z des Hohlspiegels 100 angeordnet. Sechs Leuchtdioden 12 sind in den Brennpunkten F1–F6 der sechs planebenen Facetten 110 des Linsenrings 11 auf einem Platinenring P angeordnet. Die von den Leuchtdioden 12 in einem Lichtkegel 120 mit einem Öffnungswinkel δ emittierten divergenten Strahlenbündel Sd werden an den planebenen Facetten 110, wie auch in 3 im Horizontalschnitt gezeigt, mit einem Einfallswinkel α und einem Ausfallswinkel β gebrochen und zu einem auf den Brennpunkt Z des Hohlspiegels 100 ausgerichteten, zentrierten Strahlenbündel Sz vereinigt. Die äußere Oberfläche des Linsenrings 11 besteht aus einer transparenten Kugelschicht 114, die das zentrierte Strahlenbündel Sz ohne Richtungsänderung auf den von dem Linsenring 11 radial beabstandeten Hohlspiegel 100 lenkt, der seinerseits das zentrierte Strahlenbündel Sz als paralleles Strahlenbündel Sp reflektiert. Die Leuchtdioden 12 sind über einen Platinenring P auf einem abstrahlungsseitig geschlossenen Kühlkanal 14 z. B. aus Kupfer oder Aluminium montiert, in dem die Elektroleitungen mit Anode (+) und Kathode (–) zur Schaltung der Leuchtdioden 12 geführt werden. Der Kühlkanal 14 wird zur Ableitung der an den Leuchtdioden 12 entstehenden Wärme von Luft oder Wasser als Wärmeträgermedium durchströmt.
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3 zeigt den Scheinwerfer 1 nach 1 und 2 in einem Horizontalschnitt durch den Brennpunkt Z des Hohlspiegels 100. Auch im Horizontalschnitt werden die von den Leuchtdioden 12 in Lichtkegeln 120 jeweils mit einem Öffnungswinkel δ abgestrahlten Strahlenbündel Sd an den planebenen Facetten 110 des Linsenrings 11 gebrochen und zu einem auf den Brennpunkt Z des Hohlspiegels 100 zentrierten Strahlenbündel Sz vereinigt.
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4 zeigt einen Scheinwerfer 1 für ein Fahrzeug in einer meridionalen Schnittperspektive mit der Darstellung eines zweifach umgelenkten Strahlengangs, wobei die von den Leuchtdioden 12 jeweils in Lichtkegeln 120 emittierten divergenten Strahlenbündel Sd auf die planebenen Facetten 110 des Linsenrings 11 treffen. An den planebenen Facetten 110 werden die divergenten Strahlenbündel Sd gebrochen und, wie in 5 im Meridianschnitt gezeigt, zu einem auf den Brennpunkt Z des Hohlspiegels 100 zentrierten Strahlenbündel Sz vereinigt. Das zentrierte Strahlenbündel Sz wird an dem von einem Hohlspiegel 100 gebildeten Kollimator 10 als paralleles Strahlenbündel Sp reflektiert. Ein Teil der von den Leuchtdioden 12 in einem Lichtkegel 120 emittierten Strahlen wird von Prismen 130 durch Totalreflektion in den Linsenring 11 eingekoppelt, an der transparenten Kugelschicht 114 totalreflektiert und an dem abstrahlungsseitigen Kragen 13 über lichtbrechende Prismen 130 als funktionales Strahlenbündel Sf wieder ausgekoppelt. Die Leuchtdioden 12 sind auf einem Platinenring P zusammengefasst und stehen auf ihrer Rückseite in einem wärmeleitenden Kontakt mit einem beidseitig offenen Kühlkanal 14, der die Antriebswelle eines Wischers W für das Scheinwerferglas 160 aufnimmt.
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5 zeigt den Meridianschnitt des in 4 beschriebenen Scheinwerfers 1. Wie in 4 gezeigt, sind sechs Leuchtdioden 12 konzentrisch zu dem Brennpunkt Z des Hohlspiegels 100 auf einem Platinenring P angeordnet. Das zentrierte Strahlenbündel Sz wird von dem Hohlspiegel 100 in einem zu der optischen Achse O parallelen Strahlenbündel Sp reflektiert. Für das Abblendlicht des Autoscheinwerfers sind mit einem Versatz V zu den Brennpunkten F1–F6 des Linsenrings 11 angeordnete, versetzte Leuchtdioden 12 vorgesehen, deren divergente Strahlenbündel Sd jeweils an den planebenen Facetten 110 und an der transparenten Kugelschicht 114 des Linsenrings 11 gebrochen werden und als funktionales Strahlenbündel Sf von der oberen Hälfte des Hohlspiegel 100 als Abblendlicht reflektiert werden. Der Linsenring 11 ist mit einem radialen Abstand zu dem Brennpunkt Z des Hohlspiegels 100 angeordnet und bildet einen Lichtleiter L, bei dem ein divergentes Strahlenbündels Sd teilweise über totalreflektierende Prismen 130 in den Linsenring 11 eingekoppelt, an der Innenseite der transparenten Kugelschicht 114 totalreflektiert und über einen abstrahlungsseitigen Kragen 13 mit lichtbrechenden Prismen 130 als funktionales Strahlenbündel Sf wieder ausgekoppelt wird. Der schematische Meridianschnitt zeigt ein Scheinwerfergehäuse 16, das von einem beidseitig zur Atmosphäre geöffneten Kühlkanal 14 durchquert wird und die Antriebswelle 140 eines rotierenden Wischers W zur Reinigung des Scheinwerferglases 160 aufnimmt.
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6 zeigt die Bestandteile eines Scheinwerfers 1, bei dem ein mit 16 Leuchtdioden 12 besetzter Platinenring P auf der Oberfläche eines beidseitig offenen Kühlkanals 14 angeordnet ist. Die Leuchtdioden 12 sind in den Brennpunkten F1–F16 des Linsenrings 11 angeordnet und emittieren jeweils Lichtkegel 120 als divergente Strahlenbündel Sd, die an den 16 planebenen Facetten 110 des Linsenrings 11 gebrochen und zu einem zentrierten Strahlenbündel Sz vereinigt werden. Die Umlenkung der Strahlenbündel Sd, Sz, Sp ermöglicht eine quer zu der optischen Achse O flache Bauweise des Scheinwerfers 1 und die Ausbildung eines beidseitig offenen, mediendurchströmbaren Kühlkanals 14.
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7 zeigt einen Scheinwerfer 1 mit einem Hohlspiegel 100 als Kollimator 10 in einer Schnittperspektive. Insgesamt acht Leuchtdioden 12 sind konzentrisch zu dem Brennpunkt Z des Hohlspiegels 100 auf der Oberfläche eines Rhombenkuboktaeders angeordnet. Die von den Leuchtdioden 12 in Lichtkegeln 120 emittierten divergenten Strahlenbündel Sd treffen auf konvexe Facetten 111 des Linsenrings 11 mit einer transparenten Kugelschicht 114, die bei diesem Ausführungsbeispiel zu einer transparenten Kugel erweitert ist. Das auf den Brennpunkt Z des Hohlspiegel 100 zentrierte Strahlenbündel Sz wird durch Brechung an den konvexen Facetten 111 des Linsenrings 11 hergestellt und von dem Hohlspiegel 100 als paralleles Strahlenbündel Sp reflektiert. Der Linsenring 11 ist in eine Kugel integriert, die in einem Kalottenlager 115 verschwenkbar gelagert ist, sodass die Lichtintensität des parallelen Strahlenbündels Sp variiert werden kann. Dabei weist die Längsmittelachse x des Kühlkanals 14 einen Anstellwinkel φ gegenüber der optischen Achse O des Scheinwerfers 1 auf.
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8 zeigt einen Scheinwerfer 1, bei dem 32 Leuchtdioden 12 in zwei Schichten konzentrisch zu dem Brennpunkt Z des Kollimators 10 in Form eines Hohlspiegels 100 angeordnet sind. Die transparente Kugelschicht 114 des Linsenrings 11 ist zu einer Glaskugel erweitert und zeigt auf ihrer den Leuchtdioden 12 zugewandten Innenseite 32 planebene Facetten 110, die in zwei Facettenschichten angeordnet sind. Der Linsenring 11 ist in einem Kalottenlager 115 gelagert und kann innerhalb eines definierten Schwenkbereichs mit einem Anstellwinkel φ, wie in 9 gezeigt, gegenüber der optischen Achse O verschwenkt werden, sodass sich die Leuchtdichte des von dem Hohlspiegel 100 reflektierten parallelen Strahlenbündels Sp variieren lässt.
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9 zeigt den Scheinwerfer 1 nach 8 in einem Meridianschnitt. Die planebenen Facetten 110 des Linsenrings 11 sind in zwei Facettenschichten angeordnet, die einen Neigungswinkel λ gegenüber der Längsmittelachse x des Kühlkanals 14 aufweisen. Die 32 Leuchtdioden 12 sind jeweils in den Brennpunkten F1–F32 des Linsenrings 11 angeordnet. Die transparente Kugelschicht 114 des Linsenrings 11 weist einen radialen Abstand zu dem Brennpunkt Z des Hohlspiegels 100 auf. Durch Verschwenken des Linsenrings 11 in dem Kalottenlager 115 wird die Leuchtdichte des von dem Scheinwerfer 1 abgestrahlten parallelen Strahlenbündels Sp variiert. Der Schwenkbereich des Kalottenlagers 115 ist durch den Anstellwinkel φ definiert.
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10 zeigt einen Scheinwerfer 1, bei dem der Kollimator 10 von einer Fresnellinse 101 gebildet wird und die Facetten des Linsenrings 11 eine der Anzahl der Leuchtdioden 12 entsprechenden Mehrzahl von Stufenfacetten 112 aufweisen. Insgesamt 16 Leuchtdioden 12 sind in den Brennpunkten F1–F16 der 16 Stufenfacetten 112 angeordnet und emittieren jeweils ein divergentes Strahlenbündel Sd in einem Lichtkegel 120. Die Stufenfacetten 112 des Linsenrings 11 transformieren das divergente Strahlenbündel Sd zu einem auf den Brennpunkt Z der Fresnellinse 101 zentrierten Strahlenbündel Sz. Die abstrahlungsseitig angeordnete Fresnellinse 101 kollimiert das zentrierte Strahlenbündel Sz zu einem parallelen Strahlenbündel Sp. Im Unterschied zu dem gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Fresnellinse auch gewölbt ausgebildet werden und eine von der Kreisform abweichende Form aufweisen, sodass ein funktionales, z. B. horizontal aufgeweitetes, Strahlenbündel Sf hergestellt werden kann. Der Linsenring 11 ist bei diesem Ausführungsbeispiel an der Innenseite einer Glaskugel angebracht, die in einem Kalottenlager 115 mit einem maximalen Anstellwinkel φ frei bewegt werden kann, um das parallele Strahlenbündel Sp in unterschiedliche Richtungen zu lenken.
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11 zeigt den zweifach umgelenkten Strahlengang des Scheinwerfers 1 nach 18 mit den Strahlenbündeln Sd, Sz, Sp in einer perspektivischen Schnittdarstellung. Das von 16 Leuchtdioden 12 emittierte Licht kann mittels des Kalottenlagers 115 als paralleles Strahlenbündel Sp in jede beliebige Richtung gelenkt werden. Die den Linsenring 11 aufnehmende Glaskugel kann mit einem Vakuum beaufschlagt werden, in welchem Fall die an den Leuchtdioden 12 anfallende Wärme von einer in dem Kühlkanal 14 mit Vor- und Rücklauf zirkulierenden Wärmeträgerflüssigkeit abgeleitet wird.
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12 zeigt einen Scheinwerfer 1 für ein Fahrzeug mit einem kugelförmigen Gehäuse 16, das in einem Kalottenlager 115 mit einem beliebig einstellbaren Anstellwinkel φ verschwenkbar gelagert ist. Der Hohlspiegel 100 liegt als Spiegelschicht auf der Rotationsfläche 113 des Linsenrings 11 und ist in das kugelförmige Gehäuse 16 des Scheinwerfers 1 eingebettet. Jeder der sechs in den Brennpunkten F1–F6 des Linsenrings 11 angeordneten Leuchtdioden 12 ist eine planebene Facette 110 zugeordnet, an der die von den Leuchtdioden 12 emittierten divergenten Strahlenbündel Sd gebrochen und zu einem auf den Brennpunkt Z des Hohlspiegels 100 zentrierten Strahlenbündel Sz vereinigt werden, um an dem Hohlspiegel 100 als paralleles Strahlenbündel Sp reflektiert zu werden. Die sechs planebenen Facetten 110 des Linsenrings 11 sind in einer Facettenschicht parallel zu der optischen Achse O des Kollimators 10 angeordnet und bilden zusammen mit dem Gehäuse 16 eine Kavität, in die der Kühlkanal 14 hineinragt. Der abstrahlungsseitige Kragen 13 des sechseckigen Linsenrings 11 ist in sechs radiale Sektoren unterteilt, von denen fünf als planebene Flächen ausgebildet sind und der sechste Sektor ein Prisma 130 zur Realisierung der Nebelscheinwerferfunktion mit dem funktionalen Strahlenbündel Sf trägt. Die parallelen Strahlenbündel Sp können durch Drehung des Scheinwerfers 1 mehr oder weniger zur Fahrbahn hin geneigt werden, um wahlweise Abblendlicht oder Fernlicht herzustellen.
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13 zeigt den Scheinwerfer 1 nach 12 in einem Horizontalschnitt durch den Brennpunkt Z des Hohlspiegels 100. Sechs Leuchtdioden 12 sind in den Brennpunkten F1–F6 des Linsenrings 11 angeordnet. Ein mittlerer Strahl Sm des von einer Leuchtdiode 12 emittierten divergenten Strahlenbündels Sd durchquert die planebene Facette 110 in ihrem optischen Mittelpunkt M ohne dabei gebrochen zu werden. Alle anderen, von einer Leuchtdiode 12 in einem Lichtkegel 120 mit einem Öffnungswinkel δ emittierten divergenten Strahlenbündel Sd werden an den planebenen Facetten 110 jeweils mit einem Einfallswinkel α und einem Ausfallswinkel β zu einem auf den Brennpunkt Z des Kollimators 10 zentrierten Strahlenbündel Sz vereinigt und von dem Hohlspiegel 100, wie in 12 gezeigt, als paralleles Strahlenbündel Sp reflektiert. Das Prisma 130 in einem der sechs Sektoren des Linsenrings 11 dient, wie in 12 gezeigt, der horizontalen Aufweitung des Sichtfelds des Scheinwerfers 1 als Nebelleuchte.
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14 zeigt einen Scheinwerfer 1, dessen Scheinwerfergehäuse 16 von einem Ring 15 in Form eines Ringtorus gebildet wird, der einen Hohlraum 150 umschließt. Insgesamt 16 auf einem Platinenring P zusammengefasste Leuchtdioden 12 sind in den Brennpunkten F1–F16 der planebenen Facetten 110 des Linsenrings 11 angeordnet. Der Kollimator 10 liegt als Hohlspiegel 100 auf der äußeren Rotationsfläche 113 des Linsenrings 11. Die jeweils in Lichtkegeln 120 emittierten divergenten Strahlenbündel Sd der Leuchtdioden 12 werden an dem Linsenring 11 gebrochen und zu einem auf den Brennpunkt Z des Kollimators 10 zentrierten Strahlenbündel Sz vereinigt. Der abstrahlungsseitige Kragen 13 des Linsenrings 11 ist als planebene Fläche ausgebildet, sodass die parallelen Strahlenbündel Sp das Scheinwerferglas 160 ohne Richtungsänderung durchqueren.
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15 zeigt den in 14 beschriebenen Scheinwerfer 1 in einer Schnittperspektive. Das als Ring 15 ausgebildete Scheinwerfergehäuse 16 hat die Form eines Ringtorus. Durch die Kollimation aller Lichtstrahlen zu einem parallelen Strahlenbündel Sp eignet sich dieser Scheinwerfer für unterschiedlichste Aufgaben und kann sowohl als batteriebetriebener, netzunabhängiger Scheinwerfer als auch mit Netzanschluss ausgebildet werden. Der Ring 15 kann in unterschiedlichsten Größen aus einem elastischen Material hergestellt werden und z. B. über einen Flaschenhals oder über eine Luft- oder Wasserleitung gestülpt werden.
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16 zeigt einen Scheinwerfer 1 als Taschenlampe. In den Kühlkanal 14 ist ein abstrahlungsseitig angebrachter Betätigungsknopf integriert, mit dem vier konzentrisch zu dem nicht näher bezeichneten Brennpunkt des Kollimators 10 angeordnete Leuchtdioden 12 an- und ausgeschaltet werden. Der Linsenring 11 hat vier planebene Facetten 110 und eine transparente Kugelschicht 114 als äußere Oberfläche. Die von den Leuchtdioden 12 emittierten, divergenten Strahlenbündel Sd werden an den planebenen Facetten 110 gebrochen und zu einem auf den Brennpunkt des Hohlspiegels 100 zentrierten Strahlenbündel Sz vereinigt, das an dem Hohlspiegel 100 reflektiert und in einem parallelen Strahlenbündel Sp abgestrahlt wird. Im Griff der Taschenlampe befindet sich ein Batteriefach.
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17 zeigt den vorderen Abschnitt eines Akkuschraubers. Konzentrisch zu der Aufnahmevorrichtung für das jeweilige Werkzeug ist ein Scheinwerfer 1 in das Gehäuse des Akkuschraubers integriert, der ein paralleles Strahlenbündel Sp auf den einzudrehenden Schraubenkopf wirft. Das parallele Strahlenbündel Sp wird von einem Kollimator 10 reflektiert, der als Hohlspiegel 100 unmittelbar auf der äußeren Rotationsfläche 113 eines Linsenrings 11 angeordnet ist. In den Brennpunkten F1–F6 der sechs planebenen Facetten 110 des Linsenrings 11 sind sechs Leuchtdioden 12 angeordnet, die jeweils ein divergentes Strahlenbündel Sd abstrahlen, das an den planebenen Facetten 110 gebrochen und zu einem auf den Brennpunkt Z des Hohlspiegels 100 ausgerichteten zentrierten Strahlenbündel Sz transformiert wird, sodass der Hohlspiegel 100 ein paralleles Strahlenbündel Sp reflektiert. Die Leuchtdioden 12 sind auf einem Platinenring P zusammengefasst, der den Kühlkanal 14 umgibt und die Welle 140 des Akkuschraubers aufnimmt. Der umgelenkte Strahlengang des Scheinwerfers 1 mit den Strahlenbündeln Sd, Sz, Sp entspricht dem in den 12 und 13 ausführlich beschriebenen Beispiel.
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18 zeigt einen Scheinwerfer 1, der in einen Duschkopf integriert ist und in seinem Aufbau dem in 6 beschriebenen Beispiel entspricht. Der Kühlkanal 14 versorgt als Wasserleitung 142 die nicht näher bezeichneten Wasserdüsen des Duschkopfs, während das Gehäuse 16 auf seiner Innenseite als Hohlspiegel 100 mit einem Brennpunkt Z ausgebildet ist. Konzentrisch um den Brennpunkt Z ist der Linsenring 11 angeordnet und weist auf seiner den Leuchtdioden 12 zugewandten Innenseite 16 planebene Facetten 110 auf. Die Leuchtdioden 12 sind in den Brennpunkten F1–F16 des Linsenrings 11 angeordnet. Der umgelenkte Strahlengang mit den Strahlenbündeln Sd, Sz, Sp entspricht dem in 6 beschriebenen Beispiel. Mit einem schematisch dargestellten Betätigungsknopf am Scheitelpunkt des Duschkopfs werden die Leuchtdioden 12 ein- und ausgeschaltet. Der Kollimator 10 in Form des Hohlspiegels 100 reflektiert ein paralleles Strahlenbündel Sp parallel zu den Wasserstrahlen des Duschkopfs. Die Leuchtdioden 12 können Licht in unterschiedlichen Farben emittieren.
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19 zeigt die Integration eines erfindungsgemäßen Scheinwerfers 1 in ein Schreibgerät. Der Kühlkanal 14 nimmt die Mine 141 z. B. eines Kugelschreibers auf. Vier Leuchtdioden 12 sind in den Brennpunkten F1–F4 der vier planebenen Facetten 110 des Linsenrings 11 angeordnet, sodass die divergenten Strahlenbündel Sd an den Facetten 110 gebrochen und zu einem auf den Brennpunkt des Hohlspiegels 100 zentrierten Strahlenbündel Sz vereinigt werden. Der Hohlspiegel 100 liegt unmittelbar auf der Rotationsfläche 113 des Linsenrings 11 und lenkt das parallele Strahlenbündel Sp in einen Konus 132, der als Lichtleiter L den Kragen 13 des Linsenrings 11 bildet. Nach mehrfacher Totalreflektion an den Wandungen des Konus 132 wird ein funktionales Strahlenbündel Sf aus dem Konus 132 ausgekoppelt und beleuchtet einen begrenztes Feld konzentrisch zur Mine 141 des Schreibgeräts. Der Linsenring 11 und der Konus 132 bilden bei diesem Ausführungsbeispiel die Spitze eines Kugelschreibers und werden in einem Stück als transparentes Spritzgussteil hergestellt.
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20 zeigt den Meridianschnitt durch den vorderen Teil eines Kameraobjektivs 152 mit einem Scheinwerfer 1, der als Ring 15 ausgebildet ist und einen von dem Kameraobjektiv 152 eingenommenen Hohlraum 150 umschließt. Insgesamt 24 Leuchtdioden 12 emittieren divergente Strahlenbündel Sd in Lichtkegeln 120 auf 24 planebene Facetten 110 des Linsenrings 11. An den planebenen Facetten 110 werden die divergenten Strahlenbündel Sd gebrochen und zu einem auf den Brennpunkt Z des Kollimators 10 zentrierten Strahlenbündel Sz vereinigt. Der Kollimators 10 bildet als Hohlspiegel 100 die äußere Rotationsfläche 113 des Linsenrings 11 und reflektiert ein paralleles Strahlenbündel Sp. Der Kragen 13 des Linsenrings 11 weist Linse 131 auf, die als Zerstreuungslinse das parallele Strahlenbündel Sp zu einem funktionalen Strahlenbündel Sf aufweitet, um das von der Kamera mit einem Weitwinkelobjektiv erfasste Motiv auszuleuchten.
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21 zeigt das Kameraobjektiv nach 20 in einem Horizontalschnitt durch den Brennpunkt Z des Kollimators 10. In den 24 Brennpunkten F1–F24 der 24 planebenen Facetten 110 des Linsenrings 11 liegen 24, auf einem Platinenring P angeordnete Leuchtdioden 12, die jeweils ein divergentes Strahlenbündel Sd emittieren, das an den planebenen Facetten 110 gebrochen und zu einem auf den Brennpunkt Z des Hohlspiegels 100 zentrierten Strahlenbündel Sz vereinigt werden. Die Reflektion des zentrierten Strahlenbündels Sz an dem als Hohlspiegel 100 ausgebildeten Kollimator 10 geht aus 20 hervor.
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22 zeigt eine Armbanduhr mit einem integrierten Scheinwerfer
1, bei dem zwölf Leuchtdioden
12 in einem Ring
15 angeordnet sind, der einen Innenraum
150 umschließt, in dem das nicht näher dargestellte Uhrwerk sitzt. Das Uhrglas ist als Scheinwerferglas
160 Teil des Gehäuses
16 für den Scheinwerfer
1 und die Uhr
151. Der Linsenring
11 weist 12 planebene Facetten
110 auf, an denen die von den Leuchtdioden
12 emittierten divergenten Strahlenbündel Sd gebrochen und zu einem auf den Brennpunkt Z des Hohlspiegels
100 zentrierten Strahlenbündel Sz vereinigt werden. An dem von dem Hohlspiegel
100 auf der Rotationsfläche
113 gebildeten Kollimator
10 wird das zentrierte Strahlenbündel Sz zu einem parallelen Strahlenbündel Sp ausgerichtet und senkrecht zu dem Uhrglas abgestrahlt. Durch Betätigung eines Druckknopfs an dem Gehäuse
16 können alle zwölf Leuchtdioden
12 eingeschaltet werden, sodass die Armbanduhr in der Art einer Taschenlampe einen weitreichenden Lichtstrahl abstrahlen kann. In einer weiteren Schaltung ist vorgesehen, dass zu jeder vollen Stunde eine der zwölf Leuchtdioden
12 aufleuchtet und die Uhrzeit mit einem Lichtstrahl signalisiert. Weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten des Scheinwerfers
1 betreffen z. B. eine Richtungsanzeige mit Kompassfunktion. Die Batterien für den Scheinwerfer
1 können in das Uhrenarmband integriert werden. Bezugszeichenübersicht
| Scheinwerfer | 1 | Optische Achse | O |
| Kollimator | 10 | Paralleles Strahlenbündel | Sp |
| Hohlspiegel | 100 | Brennpunkt | Z |
| Fresnellinse | 101 |
| Linsenring | 11 | Zentriertes Strahlenbündel | Sz |
| Planebene Facette | 110 | Brennpunkte | F1–Fn |
| Konvexe Facette | 111 |
| Stufenfacette | 112 |
| Rotationsfläche | 113 | Längsmittelachse | x |
| Transparente Kugelschicht | 114 |
| Kalottenlager | 115 | Anstellwinkel | φ |
| Leuchtdiode | 12 | Divergentes Strahlenbündel | Sd |
| Versetzte Leuchtdiode | 12 | Versatz | V |
| Lichtkegel | 120 | Öffnungswinkel | δ |
| Kragen | 13 | Funktionales Strahlenbündel | Sf |
| Prisma | 130 |
| Linse | 131 |
| Konus | 132 |
| Kühlkanal | 14 | Platinenring | P |
| Welle | 140 | Optischer Mittelpunkt | M |
| Mine | 141 | Mittlerer Strahl | Sm |
| Wasserleitung | 142 | Lichtleiter | L |
| Ring | 15 | Einfallswinkel | α |
| Hohlraum | 150 | Ausfallswinkel | β |
| Uhr | 151 | Neigungswinkel | λ |
| Kameraobjektiv | 152 | Anode | (+) |
| Gehäuse | 16 | Kathode | (–) |
| Scheinwerferglas | 160 | Wischer | W |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013013411 A1 [0005]
- DE 102007008403 A1 [0006]
- DE 19860461 A1 [0007]
- DE 102009021353 A1 [0008]
- DE 602004007318 T2 [0009]
- US 2008/0316760 A1 [0010]
- DE 602005000798 T2 [0011]
- DE 2006046438 B4 [0012]