DE69803297T2

DE69803297T2 - Doppelreflektierende linse

Info

Publication number: DE69803297T2
Application number: DE69803297T
Authority: DE
Inventors: Marie Cote; A Griffin; David Jenkins; Robert Pagano
Original assignee: Decoma International Inc; Breault Research Organization Inc
Current assignee: Decoma International Inc; Breault Research Organization Inc
Priority date: 1997-08-12
Filing date: 1998-08-12
Publication date: 2002-08-22
Anticipated expiration: 2018-08-13
Also published as: EP1005619A1; CA2299543C; US6097549A; PT1005619E; CA2299543A1; AU8796098A; EP1005619B1; ATE209315T1; ES2168784T3; BR9811170A; WO1999009349A1; DE69803297D1

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft eine dünne lichtemittierende Anordnung und insbesondere eine dünne Doppelreflexionslinse, mit der eine wirksame Flächenausleuchtung mit nur einer einzigen Lichtquelle und dem Linsenelement erreicht wird.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Herkömmliche lichtemittierende Anordnungen für Automobilscheinwerfer, Seitenlichter und Rücklichter weisen typischerweise einen Lampenkolben-Glühfaden auf, der hinter einer Decklinse in einem Reflektorgehäuse aufgenommen ist. Das vom Lampenkolben-Glühfaden emittierte Licht wird unter Bildung eines Strahls oder eines planaren Lichtbilds vom Reflektorgehäuse durch die Decklinse nach außen reflektiert. Die Decklinse formt das Licht zu einem gewünschten Muster, d. h. zu einem fokussierten Scheinwerferstrahl oder einem mit einem Muster versehenen zur Seite oder nach hinten gerichteten Signal. Herkömmliche Lampenkolben- und Reflektor-Beleuchtungssysteme sind jedoch hinsichtlich der Flexibilität der Gestaltung und der Größe nachteilig. Der Lampenkolben und der Reflektor benötigen eine erhebliche Tiefe und Breite, um die gewünschte Fokussierung und die gewünschte Lichtdispersion durch die Decklinse zu erreichen, wodurch die Fähigkeit zum eleganten Ausgestalten und Formen des Lichtsystems begrenzt ist.
Es wurden andere Systeme entwickelt, um Alternativen zum herkömmlichen Lampenkolben-Glühfaden- und Reflektorsystem bereitzustellen, die ein Lichtrohr und einen Kollimator verwenden, um das Licht auf einen reflektierenden Emitter zu lenken, der mehrere Linsenfacetten aufweist, um das Licht zu dem gewünschten Weg und einem Muster umzulenken. Ein Beispiel eines solchen Systems ist beispielhaft in dem US-Patent 5 197 792 von Jiao u. a., erteilt am 30. März 1993, angegeben.
Das Patent '792 von Jiao u. a. hat jedoch eine Anzahl von Mängeln. Einer dieser Mängel besteht darin, daß infolge der Konstruktion der Beleuchtung in der Mitte der Linse ein "schwarzer" Bereich oder ein Schatten erzeugt wird. Dieser wird erzeugt, weil Licht nicht durch ein Ablenkelement laufen kann, das im Zentrum der Einrichtung montiert ist. Andere Mängel bestehen darin, daß die Konstruktion nicht rotationssymmetrisch ist und nicht einfach mit einer lichtemittierenden Diode kompatibel ist.
Ein weiteres derartiges System ist aus dem US-Patent 5 046 805 von J. H. Simon, erteilt am 10. September 1991, bekannt. Es betrifft sich verjüngende optische Wellenleiter, bei denen das emittierte Licht über die ganze Emissionsfläche gleichmäßig ist. In einer Ausführungsform wird das Licht zuerst von einem parabolischen Reflektor reflektiert, und es tritt in Prismen und anschließend in Lichtverteilungsvorrichtungen ein, wo es einige Male hin- und zurückreflektiert wird. Weil die Lichtstrahlen nicht vollkommen kollimiert sind, treten eine gewisse Dispersion und ein gewisser Intensitätsverlust auf, und das aus der Lichtverteilungsvorrichtung austretende Licht ist auch nicht kollimiert.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG UND VORTEILE

Die vorliegende Erfindung ist ein Doppelreflexionslinsenelement, das eine Lichteintrittsfläche und einen mit der Lichteintrittsfläche in Verbindung stehenden Direktübertragungsbereich aufweist. Ein erster Teil des eingetretenen Lichts wird in einem ersten vorgegebenen Muster durch die Linsenelemente gelenkt. Ein Primärreflexionsbereich und ein Sekundärreflexionsbereich liegen zwischen der Lichteintrittsfläche und einer Ausleuchtungsfläche, die den Direktlichtübertragungsbereich umgeben. Ein zweiter Teil des eingetretenen Lichts wird in einem zweiten vorgegebenen Muster durch das Linsenelement auf die Ausleuchtungsfläche umgelenkt.
Die vorliegende Erfindung beeinhaltet auch eine Lichtquelle, die neben der Lichteintrittsfläche liegt, um das Licht in das Linsenelement zu projizieren, wodurch eine lichtemittierende Einrichtung erzeugt ist.
Die vorliegende Erfindung umfaßt des weiteren, daß der Sekundärreflexionsbereich eine Vielzahl von Extraktionsfacetten aufweist, die sich nach innen in den Sekundärreflexionsbereich erstrecken, um Licht von dem Primärreflexionsbereich abzufangen. Die Facetten weisen jeweils eine im wesentlichen parabolische Fläche auf, um Licht von dem Primärreflexionsbereich nach außen, hinweg von dem Doppelreflexionslinsenelement auf die Ausleuchtungsfläche umzulenken.
Dementsprechend weist die vorliegende Erfindung die Vorteile einer dünnen lichtemittierenden Einrichtung auf, während jeder "schwarze" Bereich oder Schatten innerhalb der Linse beseitigt ist. Die vorliegende Erfindung weist des weiteren eine neuartige Konstruktion für die Facetten auf, um das Umlenken des Lichts von einer Lichtquelle zu der Ausleuchtungsfläche zu unterstützen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden offensichtlich werden, wenn sie beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung in Zusammenhang mit der anliegenden Zeichnung besser verstanden wird, wobei:
Fig. 1 eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Doppelreflexionslinsenelements ist, worin ein zentraler Primärreflexionsbereich und acht den zentralen Primärreflexionsbereich umgebende einzelne Sekundärreflexionsbereiche sowie in Konstruktionsdurchsichtlinien gezeigte virtuelle Abschnitte der Sekundärreflexionsbereiche dargestellt sind,
Fig. 2 eine Ansicht eines entlang der Linie 2-2 vorgenommenen Schnitts durch das Linsenelement aus Fig. 1 ist, wobei eine Schnittansicht einer kissenförmigen Linse als eine Erweiterung zum erfindungsgemäßen Doppelreflexionslinsenelement hinzugefügt ist,
Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht des Bereichs innerhalb des Kreises 3 in Fig. 2 ist,
Fig. 4 eine Ansicht eines in Richtung der in Fig. 2 angegebenen Linie 4-4 vorgenommenen Schnitts ist, worin eine lichtemittierende Diodenstruktur und Montagestützen des erfindungsgemäßen Doppelreflexionslinsenelements dargestellt sind,
Fig. 5 eine Einzelteilansicht einer alternativen Ausführungsform der Facetten ist,
Fig. 6 eine perspektivische Teilansicht eines Heckfensters eines Automobils mit einer mittleren hoch montierten Haltelampe ist, die erfindungsgemäße Doppelreflexionslinsenelemente aufweist,
Fig. 7 ein Längsschnitt einer optischen Doppelreflexionslinsenelement-Struktur ist,
Fig. 8 eine Quer-Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Doppelreflexionslinsenelements in Zusammenhang mit einer kissenförmigen Linse zur Lichtausbreitung ist, worin das Doppelreflexionslinsenelement bezüglich der kissenförmigen Linse leicht geneigt dargestellt ist,
Fig. 9 eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Doppelreflexionslinsenelements ist,
Fig. 10 eine Seitenansicht der alternativen Ausführungsform aus Fig. 9 ist,
Fig. 11 ein Längsschnitt einer weiteren alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Doppelreflexionslinsenelements ist,
Fig. 12 ein Längsschnitt einer weiteren alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Doppelreflexionslinsenelements ist und
Fig. 13 ein Längsschnitt einer weiteren alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Doppelreflexionslinsenelements ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Aus Zweckmäßigkeitsgründen werden in der folgenden Beschreibung bezüglich der Orientierung der in der Zeichnung dargestellten Struktur(en) verschiedene auf die Richtung bezogene oder andere räumliche Bezugnahmen gemacht. Es sei jedoch bemerkt, daß diese Bezugnahmen, die ohne Einschränkung oben, unten, Oberteil, Unterteil, vorne, hinten, links, rechts, vertikal, horizontal, seitlich oder längs einschließen, nur der Zweckmäßigkeit dienen und nicht notwendigerweise als die hier beschriebene Erfindung einschränkend ausgelegt werden sollten.
Ein erfindungsgemäßes Doppelreflexionslinsenelement ist in den Fig. 1 und 2 allgemein mit der Bezugszahl 10 bezeichnet. Das Linsenelement 10 hat eine Lichteintrittsfläche 12, einen Primärreflexionsbereich 14, der vorzugsweise einen zentral darin befindlichen Direktlichtübertragungsbereich 16 aufweist, einen den Primärreflexionsbereich 14 umgebenden Sekundärreflexionsbereich 18, eine Ausleuchtungs- oder Austrittsfläche 20 sowie Kanten 22, 24, 26 und 28.
Das erfindungsgemäße Doppelreflexionslinsenelement ist vorzugsweise aus einem Kunststoff mit optischer Qualität, wie Acryl/PMMA oder Polycarbonat, geformt.
Die Funktion des Linsenelements 10 besteht darin, von einer einzigen Lichtquelle in der Art einer allgemein mit 30 bezeichneten lichtemittierenden Diodenstruktur ("LED") emittiertes Licht zu empfangen und das Licht so umzulenken, daß das Licht von der Ausleuchtungsfläche 20 im wesentlichen senkrecht zu der Fläche 20 emittiert wird. Insbesondere tritt ein erster Teil des eingetretenen Lichts in einem ersten vorgegebenen Muster durch den Direktlichtübertragungsbereich 16 des Linsenelements 10. Ein zweiter Teil des eingetretenen Lichts wird in einem zweiten vorgegebenen Muster durch das Linsenelement 10 auf die Ausleuchtungsfläche 20 umgelenkt. Insbesondere wird der zweite Teil des eingetretenen Lichts durch die Lichteintrittsfläche zu dem Primärreflexionsbereich emittiert, der das eingetretene Licht zu dem Sekundärreflexionsbereich umlenkt. Das eingetretene Licht wird dann wieder von dem Sekundärreflexionsbereich zur Beleuchtungsfläche umgelenkt. Das erste vorgegebene Muster bildet eine Kombination mit dem zweiten vorgegebenen Muster, um Licht in einem im wesentlichen gleichmäßigen oder gewünschten Muster auszugeben.
Diese Flächenausleuchtung kann durch ein sehr dünnes Linsenelement erreicht werden. Die Winkelausbreitung des von der Fläche 20 emittierten Lichts kann durch ein anderes optisches Element, beispielsweise eine Anordnung von kissenförmigen Linsen, erreicht werden, die allgemein mit einer in Fig. 2 dargestellten Bezugszahl 32 bezeichnet ist und später näher beschrieben wird.
Wie in den Fig. 2 und 4 dargestellt ist, ist die Lichtquelle 30 als eine herkömmliche LED-Struktur dargestellt, die eine LED 34 und zugeordnete elektrische Leitungen (nicht dargestellt) aufweist, welche in einer Epoxidharzkörper-Struktur gekapselt sind, die einen Basisabschnitt 36 und einen gewölbten Abschnitt 38 aufweist. Der gewölbte Abschnitt 38 kann so ausgelegt sein, daß spezielle Austrittseigenschaften erreicht werden.
Es wird Fachleuten verständlich sein, daß die LED bzw. die LEDs auf einem Träger (nicht dargestellt) montiert sein kann (können), der eine Stütz- und Montagestruktur für die LED (LEDs) bildet und auch eine Schaltungsanordnung zum Versorgen der LED (LEDs) mit Leistung und zu ihrer Steuerung aufweisen kann.
Wie in Fig. 2 dargestellt ist, weist der Primärreflexionsbereich 14 eine Primärreflexionsfläche 40, vorzugsweise in Form einer umgeklappten gekrümmten oder im wesentlichen parabolischen Fläche auf, und der Sekundärreflexionsbereich 18 weist mehrere Extraktionsfacetten 42 und benachbarte Absätze 44 auf. Insbesondere weist der Sekundärreflexionsbereich 18 mehrere Facetten 42 auf, die sich nach innen in den Sekundärreflexionsbereich 18 erstrecken, um Licht vom Primärreflexionsbereich 14 abzufangen und das Licht zu der Ausleuchtungsfläche 20 umzulenken.
Wie schematisch durch den mit einem Bezugsbuchstaben "A" bezeichneten Pfeil dargestellt ist, empfängt das Linsenelement 10 Licht von der Lichtquelle 30, welches durch die Eintrittsfläche 12 auf der Rückseite des Elements 10 eintritt, und es reflektiert das Licht durch innere Totalreflexion von der Primärreflexionsfläche 40 zu den mehreren Extraktionsfacetten 42 des Sekundärreflexionsbereichs 18. Die Primärreflexionsfläche 40 lenkt das Licht in einer Richtung um, die radial nach außen und im allgemeinen parallel zu der Austrittsfläche 20 verläuft. Von den Extraktionsfacetten 42 wird das Licht wiederum durch innere Totalreflexion zu der Ausleuchtungsfläche 20 des Elements 10 reflektiert.
Wie in Fig. 3 dargestellt ist, ist jede Extraktionsfacette 42 vorzugsweise unter einem Winkel Θ = 45º bezüglich einer Normalen "N" zu der Austrittsfläche 20 orientiert, so daß das extrahierte Licht im wesentlichen senkrecht zu der Fläche 20 verläuft. Das von der Ausleuchtungsfläche 20 emittierte zweimal reflektierte Licht ist daher im wesentlichen kollimiert.
Der Primärreflexionsbereich 14 weist vorzugsweise einen peripheren Absatz 46 auf, der sich um den Umfang der umgeklappten Primärreflexionsfläche 40 erstreckt. Dieser Absatz 46 kann zum Erleichtern des Formens (Spritzgießens) mit einem kleinen Neigungswinkel versehen sein.
Einzelheiten der bevorzugten Ausführungsform der Extraktionsfacetten 42 und der Absätze 44 des Sekundärreflexionsbereichs 18 sind in Fig. 3 dargestellt. Wie zuvor erwähnt wurde, können die Extraktionsfacetten 42 durch mehrere Sätze von 45º-Facetten und zugeordneten Absätzen 44 gebildet sein, die um eine gemeinsame Achse geklappt sind, die sich durch die Mitte des Primärreflexionsbereichs 14 erstreckt. Die gemeinsame Achse, um die die Facetten 42 und die Absätze 44 umgeklappt sind, ist die optische Achse des Linsenelements 10.
Die Facetten 42 können so ausgelegt sein, daß die Absätze 44 um einen Neigungswinkel α leicht von der Normalen "N" weggeneigt sind. Der Neigungswinkel α erleichtert das Entfernen des Elements aus einer Form und kann fast jeden beliebigen Wert aufweisen, wenngleich gegenwärtig daran gedacht wird, einen Neigungswinkel α von etwa 5º zu verwenden. Die Absätze verbinden eine Hinterkante einer Facette mit einer Vorderkante einer benachbarten Facette.
In der dargestellten Ausführungsform sind die Absätze 44 so bemessen und orientiert, daß das facettierte Profil an einem Außenrand des ebenen Abschnitts der Eintrittsfläche 12 beginnt und sich bis zu der Ausleuchtungsfläche 30 erstrecken würde, wenn das Element 10 nicht an den Kanten 24 und 28 abgeschnitten wäre. Dieses Entwurfsmerkmal ist in Fig. 2 in einer Konstruktionsdurchsicht als ein "virtueller" Sekundärreflexionsbereich mit Extraktionsfacetten 42' und zugeordneten Absätzen 44', die sich zu der virtuellen Ausleuchtungsfläche 20' erstrecken, dargestellt.
Wie durch die mit "P" bezeichnete Bezugslinie dargestellt ist, sind die Absätze 44 und 44' und die Facetten 42 und 42' entlang eines linearen Basisprofils orientiert. Es können jedoch auch gekrümmte Basisprofile, wie konkave oder konvexe Profile, verwendet werden.
Weil auf die Primärreflexionsfläche 40 fallendes Licht seitlich zu den Extraktionsfacetten 42 umgelenkt wird, ist verständlich, daß die Ausgabe der Linse 10 durch die Ausleuchtungsfläche 20 definiert ist, in deren Mitte sich infolge des von dem Primärreflexionsbereich 14 geworfenen Schattens ein dunkler kreisförmiger Abschnitt befindet. Zum Minimieren der durch den Primärreflexionsbereich 14 bewirkten Schattenbildung ist der Direktübertragungsbereich 16 vorzugsweise in dem Zentrum des Primärreflexionsbereichs 14 ausgebildet ist. Wie durch den allgemein mit einem Bezugsbuchstaben "B" bezeichneten Pfeil dargestellt ist, wird von der Lichtquelle 30 übertragenes Licht, das durch die Eintrittsfläche 12 eindringt und auf den Direktübertragungsbereich 16 fällt, direkt durch das Linsenelement 10 übertragen, wodurch in dem Schattenbereich des Primärreflexionsbereichs 14 eine Ausleuchtung bereitgestellt wird und ein im wesentlichen gleichmäßiger oder breiter Ausleuchtungsbereich des Linsenelements 10 bereitgestellt wird.
Der Direktübertragungsbereich 16 ist vorzugsweise ein die Basis der Primärreflexionsfläche 40 definierender ebener Bereich, er kann jedoch auch ein durch das Zentrum des Primärreflexionsbereichs 14 ausgebildetes Loch oder eine Art einer direkt übertragenden Linsenstruktur wie eine konkave Linse, eine konvexe Linse oder eine Fresnel-Linse aufweisen. Die Linsenstruktur kollimiert Licht direkt durch das Linsenelement.
Der Sekundärreflexionsbereich 18 kann durch einen Satz von Extraktionsfacetten 42 und zugeordneten Facettenabsätzen 44, die um 360º um den Primärreflexionsbereich 14 gedreht sind, definiert sein, und die Form des Linsenelements 10 kann mit einem beliebigen Seitenverhältnis viereckig, quadratisch oder rund sein, oder es kann eine andere Form annehmen. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Form des Elements 10 viereckig, wobei die längere Abmessung eine Längsrichtung definiert und die kürzere Abmessung eine Querrichtung definiert.
Zum Erzeugen eines Linsenelements 10 mit einer viereckigen Form werden die Extraktionsfacetten in einzelne kuchenförmige Gebiete oder Sektoren eingeteilt, die jeweils einen abgeschnittenen umgeklappten Bogen aufweisen. Gemäß der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform sind acht einzelne Sektoren, die in Fig. 1 von ganz rechts im Uhrzeigersinn fortschreitend als 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60 und 62 angegeben sind, vorgesehen, wie später näher beschrieben wird.
Das in Fig. 1 dargestellte Element 10 hat einen rechten Sekundärreflexionsbereich 48. Weiterhin ist ein virtueller rechter Reflexionsbereich 48' in einer Konstruktionsdurchsicht dargestellt, um zu zeigen, wie weit sich der Reflexionsbereich 48 erstrecken würde, wenn sich das Facettenprofil von der Eintrittsfläche 12 bis zur virtuellen Ausleuchtungsfläche 20' (siehe Fig. 2) erstrecken könnte. Die virtuelle Ausleuchtungsfläche 20' ist eine virtuelle Erweiterung der tatsächlichen Ausleuchtungsfläche 20.
In ähnlicher Weise ist ein linker Sekundärreflexionsbereich allgemein mit einer Bezugszahl 56 bezeichnet, und der zugeordnete virtuelle linke Reflexionsbereich ist in einer Konstruktionsdurchsicht dargestellt und allgemein mit einer Bezugszahl 56' bezeichnet.
Der obere Sekundärreflexionsbereich und der zugeordnete virtuelle obere Sekundärreflexionsbereich sind allgemein mit Bezugszahlen 60 bzw. 60' bezeichnet. Der untere Sekundärreflexionsbereich und der zugeordnete virtuelle untere Sekundärreflexionsbereich sind allgemein mit Bezugszahlen 52 bzw. 52' bezeichnet.
Der obere rechte Sekundärreflexionsbereich und der zugeordnete virtuelle obere rechte Sekundärreflexionsbereich sind mit Bezugszahlen 62 bzw. 62' bezeichnet. Der untere rechte Sekundärreflexionsbereich und der zugeordnete virtuelle untere rechte Sekundärreflexionsbereich sind allgemein mit Bezugszahlen 50 und 50' bezeichnet.
Der obere linke Sekundärreflexionsbereich und der zugeordnete virtuelle obere linke Sekundärreflexionsbereich sind allgemein mit Bezugszahlen 58 bzw. 58' bezeichnet. Schließlich sind der untere linke Sekundärreflexionsbereich und der zugeordnete virtuelle untere linke Sekundärreflexionsbereich allgemein mit Bezugszahlen 54 bzw. 54' bezeichnet.
Für jeden einzelnen Sekundärreflexionsbereich stellt der zugeordnete virtuelle Reflexionsbereich das Ausmaß dar, bis zu dem sich dieser Reflexionsbereich radial nach außen zur virtuellen Ausleuchtungsfläche 20' erstrecken würde, wenn das Facettenprofil nicht an einer Kante des Linsenelements 10 abgeschnitten wäre.
Wie anhand Fig. 1 ersichtlich ist, ist das Linsenelement 10 vorzugsweise um die vertikale und die horizontale Achse symmetrisch, die sich durch sein Zentrum erstrecken. Das heißt, daß der rechte Sekundärreflexionsbereich 48 ein Spiegelbild des linken Sekundärreflexionsbereichs 56 ist, daß der obere Sekundärreflexionsbereich 60 ein Spiegelbild des unteren Sekundärreflexionsbereichs 52 ist und daß der obere rechte Sekundärreflexionsbereich 62, der untere rechte Sekundärreflexionsbereich 50, der obere linke Sekundärreflexionsbereich 58 und der untere linke Sekundärreflexionsbereich 54 alle Spiegelbilder voneinander sind.
Es ist anhand Fig. 1 auch ersichtlich, daß sich, wie durch die zugeordneten virtuellen Sekundärreflexionsbereiche dargestellt ist, die Neigung des Facettenprofils zwischen den einzelnen Sekundärreflexionsbereichen ändert. Beispielsweise erstreckt sich der rechte virtuelle Sekundärreflexionsbereich 48' weiter radial nach außen als der obere rechte virtuelle Sekundärreflexionsbereich 62' bzw. der untere rechte virtuelle Sekundärreflexionsbereich 50', welche sich weiter radial nach außen erstrecken als der obere virtuelle Sekundärreflexionsbereich 60' bzw. der untere virtuelle Sekundärreflexionsbereich 52'. Demgemäß ist die Neigung des Facettenprofils des oberen Sekundärreflexionsbereichs 60 bzw. des unteren Sekundärreflexionsbereichs 52 steiler als diejenige der übrigen Sekundärreflexionsbereiche und ist die Steigung des Facettenprofils des oberen rechten Sekundärreflexionsbereichs 62, des unteren rechten Sekundärreflexionsbereichs 50, des oberen linken Sekundärreflexionsbereichs 58 bzw. des unteren linken Sekundärreflexionsbereichs 54 steiler als die Neigung des Facettenprofils des linken Sekundärreflexionsbereichs 56 bzw. des rechten Sekundärreflexionsbereichs 48, sie ist jedoch flacher als die Neigung des Facettenprofils des oberen Sekundärreflexionsbereichs 60 bzw. des unteren Sekundärreflexionsbereichs 52.
Weil der Winkel Θ der Reflexionsfacette vorzugsweise 45º beträgt und der Neigungswinkel α vorzugsweise etwa 5º beträgt, wird das Profil des Sekundärreflexionsbereichs durch Ändern der Länge der einzelnen Absätze 44 geändert, wenngleich, falls gewünscht, auch die Längen der einzelnen Facetten 42 geändert werden können.
Die Gleichmäßigkeit der Flächenausleuchtung von der Ausleuchtungsfläche 20 hängt davon ab, ob das eintretende Licht symmetrisch um die Primärreflexionsfläche 40 gelenkt wird. Es ist dementsprechend bevorzugt, daß die Lichtquelle 30 am horizontalen und vertikalen Zentrum des Primärreflexionsbereichs 14 angeordnet ist (also auf der optischen Achse des Linsenelements 10), weil eine Position außerhalb des Zentrums dazu führen kann, daß ein Abschnitt der Primärreflexionsfläche 40 durch andere Bereiche der Primärreflexionsfläche 40 abgeschattet wird.
Zum Erleichtern der richtigen Positionierung der Lichtquelle oder der LED-Struktur 30 bezüglich des Linsenelements 10 weist das Linsenelement 10 vorzugsweise Montagestützen 64, 66 zum Ausrichten und Positionieren des Linsenelements 10 bezüglich der Lichtquelle 30 auf. LED- Strukturen in der Art derjenigen, die vorzugsweise in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden, weisen typischerweise in dem Basisabschnitt 36 der LED- Struktur 30 ausgebildete Einkerbungen 68 und 70 auf (siehe die Fig. 2 und 4). Die Montagestützen 64, 66 erstrecken sich von entgegengesetzten Seiten der Eintrittsfläche 12 von Positionen, die sich in gleichem Abstand von ihrem Zentrum befinden, und sie sind in Querrichtung bezüglich des Elements 10 zentriert. Die Stützen 64 und 66 sind in einem Abstand angeordnet, der dem Abstand zwischen den innersten Abschnitten der Einkerbungen 68 und 70 entspricht.
Das Linsenelement 10 und die Lichtquelle 30 sind durch Einführen von Stützen 64 und 66 in Einkerbungen 68 bzw. 70 miteinander gekoppelt. Die Stützen 64 und 66 sind so positioniert und orientiert, daß der gewölbte Abschnitt 38 in eine zentrierte Position bezüglich des Primärreflexionsbereichs 14 des Elements 10 gebracht wird. Mit anderen Worten wird durch Einführen der Stützen 64 und 66 in die Einkerbungen 68 und 70 gewährleistet, daß die LED- Struktur 30 auf der optischen Achse des Doppelreflexionslinsenelements 10 positioniert wird.
Zwei oder mehr erfindungsgemäße Doppelreflexionslinsenelemente können an ihren jeweiligen Kanten miteinander gekoppelt werden. Eine aus zwei Elementen bestehende optische Struktur ist in Fig. 7 allgemein mit einer Bezugszahl 80 bezeichnet. Die optische Struktur 80 weist ein rechtes Doppelreflexionslinsenelement 82 und ein linkes Doppelreflexionslinsenelement 84 auf.
Das rechte Doppelreflexionslinsenelement 82 hat einen Primärreflexionsbereich 86 mit einer zugeordneten Primärreflexionsfläche 88 und einem Direktübertragungsbereich 90, einen Sekundärreflexionsbereich 92 mit mehreren Extraktionsfacetten 94 und zugeordneten Absätzen 96 und eine Eintrittsfläche 98 mit einer zugeordneten Lichtquelle 100, die durch Montagestützen 102 und 104 mit dem Element 82 gekoppelt ist.
In ähnlicher Weise hat das linke Doppelreflexionslinsenelement 84 einen Primärreflexionsbereich 106 mit einer zugeordneten Primärreflexionsfläche 108 und einer Direktübertragungsfläche 110, einen Sekundärreflexionsbereich 112 mit mehreren Extraktionsfacetten 114 und zugeordneten Absätzen 116 und eine Eintrittsfläche 118 mit einer zugeordneten Lichtquelle 120, die durch Montagestützen 122 und 124 mit dem Element 84 gekoppelt ist.
Das rechte Doppelreflexionslinsenelement 82 und das linke Doppelreflexionslinsenelement 84 sind an einem Übergangsbereich 126 miteinander verbunden und definieren eine gemeinsame Ausleuchtungsfläche 128. Das linke Doppelreflexionslinsenelement 82 und das rechte Doppelreflexionslinsenelement 84 könnten jedoch so orientiert sein, daß ihre jeweiligen Ausleuchtungsflächen nicht in einer Ebene liegen.
Das erfindungsgemäße Doppelreflexionslinsenelement 10 kann vorteilhaft in vielen Anwendungen verwendet werden, bei denen eine Flächenausleuchtung einer optischen Struktur mit einem verhältnismäßig dünnen Profil erforderlich ist. Ein mit einer Lichtquelle in der Art einer LED gekoppeltes Doppelreflexionslinsenelement stellt ein Beispiel des Einheitszellenoptik-Entwurfsverfahrens dar, wobei eine optische Struktur oder mehrere optische Strukturen und zugeordnete Lichtquellen (also eine oder mehrere Einheitszellen) aufgebaut und angeordnet werden, um Beleuchtungs- Entwurfsanforderungen und/oder Unterbringungsbeschränkungen Rechnung zu tragen.
Insbesondere kann ein Doppelreflexionslinsenelement bei verschiedenen Auto-Signallampenanwendungen, beispielsweise bei einer mittleren hoch montierten Haltelampe ("CHMSL") oder einer hinteren Kombinationslampe, verwendet werden. Wie in Fig. 6 dargestellt ist, weist ein Motorfahrzeug 130 eine im Heckfenster 134 montierte CHMSL 132 auf. Die dargestellte CHMSL weist zwölf viereckige Doppelreflexionslinsenelemente 10 mit zugeordneten Lichtquellen (nicht dargestellt) auf, um eine Leuchtsignal-Lampenfläche zu erzielen.
Die CHMSL 132 ist innerhalb des Rückfensters 134 am Rücksitzbrett montiert. Eine CHMSL kann jedoch auch an einer Vielzahl von Stellen an einem Fahrzeug, beispielsweise am hinteren Kotflügel des Fahrzeugs oder am Dach des Fahrzeugs, montiert sein. Doppelreflexionslinsenelemente können unabhängig davon, wo sie montiert ist, in eine CHMSL aufgenommen sein.
Zusätzlich ist dargestellt, daß die CHMSL 132 mit zwei Reihen von sechs übereinander gestapelten Linsenelementen 10 versehen ist. Abhängig von der Helligkeit der einzelnen verwendeten Lichtquellen können in der CHMSL mehr oder weniger als zwölf Kombinationen eines Linsenelements und einer Lichtquelle verwendet werden. Weiterhin können die einzelnen Kombinationen eines Linsenelements und einer Lichtquelle auf verschiedene Arten angeordnet werden. Beispielsweise kann die CHMSL, abhängig von Styling- Anforderungen und/oder Fahrzeug-Unterbringungsbeschränkungen, eine Einzelreihe von Kombinationen eines Linsenelements und einer Lichtquelle aufweisen, oder es kann mehr als zwei Reihen von Kombinationen eines Linsenelements und einer Lichtquelle aufweisen.
Für eine CHMSL kann das Doppelreflexionslinsenelement 10 mit lichtdispergierenden Vorsprüngen 32 gekoppelt sein, die neben der Ausleuchtungsfläche 20 angeordnet sind, um das Dispergieren und Umlenken des zweiten Teils des eingetretenen Lichts aus dem Doppelreflexionslinsenelement 10 und/oder in dieses zurück zu unterstützen (vgl. Fig. 2, 8 und 12). Wie in den Figuren dargestellt ist, weisen die lichtdispergierenden Vorsprünge 32 ein kissenförmiges Linsenelement 32 mit einer Anordnung an einer Eintrittsfläche von diesem ausgebildeter Kissen 136 auf. Bundesstaatliche Verkehrssicherheitsvorschriften fordern, daß eine CHMSL an Punkten 10º links und rechts der Lampe und 10º oberhalb und 5º unterhalb der Lampe sichtbar ist. Dementsprechend sind die kissenförmigen Linsen 32 speziell so ausgelegt, daß das Licht über diesen Testpunktbereich ausgebreitet wird. Andere Beispiele lichtdispergierender Vorsprünge 32 können eine Anordnung von Prismen und/oder anderen geometrischen Formen einschließen. Tatsächlich können die lichtdispergierenden Vorsprünge 32 jede geeignete Form oder Größe annehmen, solange eine ausreichende Lichtmenge gleichmäßig durch die Ausleuchtungsfläche 20 dispergiert und/oder in das Linsenelement 10 zurück umgelenkt wird.
Die kissenförmige Linse 32 kann durch Ändern der Größe der einzelnen Kissen der Anordnung von Kissen 136 und durch Ändern der vertikalen und horizontalen Krümmungsradien der einzelnen Kissen ausgelegt werden. Verhältnismäßig kleine Optiken kissenförmiger Linsen sind bevorzugt, weil sie das teilweise kollimierte Bild des Doppelreflexionslinsenelements sehr wirksam aufteilen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform messen die Kissen 2 mm im Quadrat und haben einen vertikalen Krümmungsradius von 3,8 mm und einen horizontalen Krümmungsradius von 2,4 mm. Die parabolische Gleichung für die Oberfläche der kissenförmigen Linse ist:
x = y² / 4,8 + z² / 7,6
wobei
x < 1 mm
z < 1 mm
Weiterhin kann das Doppelreflexionslinsenelement 10, wie in Fig. 8 dargestellt, zum Berücksichtigen der asymmetrischen oberen und unteren Sichtbarkeitsanforderungen unter einem Winkel "β" von etwa 2,2º bezüglich einer Anordnung 32 kissenförmiger Linsen nach oben geneigt sein.
Die Doppelreflexionslinsenelemente und/oder kissenförmigen Linsenelemente oder andere Linsenelemente können in ähnlicher Weise so ausgelegt werden, daß sie auch andere gewünschte Lichtmusterentwürfe oder regionale Sichtbarkeitsanforderungen erfüllen.
Es wurde durch Computersimulation herausgefunden, daß Extraktionsfacetten 42 mit einer Breite von 1 mm oder darüber wirksamer arbeiten als Facetten mit einer Breite von nur 0,5 mm, wenn bei der Simulation ein Biegeradius "R" (siehe Fig. 4) von 0,2 mm angenommen wird. Der Biegeradius "R" ist ein Faktor, der in die Simulation eingeführt ist, um Herstellungstoleranzen und der Unfähigkeit, zwischen den Absätzen 44 und den Facetten 42 vollkommen scharfe Ecken zu formen, Rechnung zu tragen.
Abänderungen des grundlegenden Doppelreflexionslinsenelements aus Fig. 2 sind in den Fig. 9 bis 13 dargestellt.
In den Fig. 9 und 10 ist eine alternative Doppelreflexionslinse 10 dargestellt, bei der die flachen ebenen Flächen 43 zwischen den Facetten 42 der bevorzugten Ausführungsform angeordnet sind. Der Primärreflexionsbereich 14 weist eine konusförmige Fläche 41 auf, die sich von dem ebenen Basisbereich des Direktübertragungsbereichs 16 zu der Ausleuchtungsfläche 20 erstreckt. Zusätzlich sind die Sekundärreflexionsbereiche 18 leicht nach innen geneigt, um ein konkaves Linsenelement 10 zu bilden. Schließlich ist eine Linsenstruktur 74 in der Art einer Fresnel-Linse an der Eintrittsfläche 12 ausgebildet, um Licht direkt durch das Linsenelement 10 zu kollimieren.
In Fig. 5 ist am besten eine alternative Anordnung von Facetten dargestellt, die vorzugsweise eine Reflexionsfläche aufweist, welche eine zusammengesetzte Kurve zum Umlenken des Lichts zur Ausleuchtungsfläche 20 definiert. Wie auch in Fig. 5 dargestellt ist, sind die Facetten durch benachbarte ebene Flächen 43 voneinander beabstandet. Alternativ sind die Extraktionsfacetten 42 und die Absätze 44 in der bevorzugten Ausführungsform aus den Fig. 2 und 3 als flach, eine gleichmäßige Größe aufweisend und über das gesamte Facettenprofil beabstandet dargestellt. Die Größe, die Form und die Orientierung der Facetten und/oder der Absätze können geändert werden, um das austretende Licht entsprechend den jeweiligen Ausleuchtungsanforderungen auszulegen. Das Reflexionsvermögen der Reflexionsfläche 40 und der Facetten 42 kann auch durch eine Reflexionsbeschichtung in der Art im Vakuum aufgebrachten Aluminiums erhöht werden.
Wie in Fig. 11 dargestellt ist, weist ein Linsenelement 140 einen Primärreflexionsbereich 142 mit einer Primärreflexionsfläche 144 auf, die keine umgeklappt gekrümmte oder im wesentlichen parabolisch geformte Fläche ist, sondern die Form eines geraden Konus mit einem Winkel γ von beispielsweise 45º aufweist. Zusätzlich ist die Eintrittsfläche 146 des Elements 140 keine ebene Fläche, sondern sie ist als eine lichtmanipulierende optische Fläche, in der dargestellten Ausführungsform als eine Fresnel- Fläche, ausgebildet.
In Fig. 12 weist ein Linsenelement 150 eine Austrittsfläche 152 auf, die nicht eben ist, sondern eine Anordnung von Kissen 154 aufweist, die integriert mit dem Element 150 ausgebildet ist.
In Fig. 13 weist ein Linsenelement 160 einen Primärreflexionsbereich 162 auf, der mehrere Primärreflexionsflächen 164 aufweist, um umgeklappt gekrümmte oder im wesentlichen parabolisch geformte Flächen, die durch umlaufende Facetten 166 getrennt sind, zu bilden. Die Ausführungsform der Fig. 13 ist ein weiteres Mittel, wodurch Licht innerhalb des vom Primärreflexionsbereich 162 geworfenen Schattens bereitgestellt werden kann.
Licht von einer Lichtquelle (nicht dargestellt) tritt durch eine Eintrittsfläche 168 in das Element 160 ein. Ein Teil des Lichts wird durch innere Totalreflexion von den Primärreflexionsflächen 164 zu den Extraktionsfacetten 170 des Sekundärreflexionsbereichs 172 reflektiert. Ein anderer Teil des eintretenden Lichts wird direkt durch den Direktübertragungsbereich 174 und die Facetten 166 des Primärreflexionsbereichs 162 zur Ausleuchtungsfläche 176 übertragen.
Die Facetten 166 verlaufen vorzugsweise im wesentlichen parallel zu der Ausleuchtungsfläche 176, sie können jedoch auch eine geneigte Orientierung aufweisen, um das durch die Facette oder eine gekrümmte Form übertragene Licht zu lenken und das durch die Facette übertragene Licht auszubreiten oder zu fokussieren.
Außerdem können die Primärreflexionsflächen 164 statt gekrümmter Flächen konische Flächen sein.
Das erfindungsgemäße dünne Doppelreflexionslinsenelement bietet zusätzlich zu seinem sehr dünnen Profil und seiner Entwurfs- bzw. Gestaltungsflexibilität eine Anzahl von Vorteilen.
Das Doppelreflexionslinsenelement erreicht wirksam, also mit einer begrenzten Anzahl von Lichtquellen, eine Flächenausleuchtung. Bei herkömmlichen Versuchen zum Erhöhen der Wirksamkeit eines Beleuchtungssystems wurden typischerweise sekundäre optische Behandlungen oder Komponenten, wie reflektierende Kegel zum Einfangen und Fokussieren von Licht von einer Lichtquelle, verwendet. Beim Bereitstellen einer solchen Sekundärbehandlung können wegen der erforderlichen zusätzlichen Komponenten und Herstellungsschritte die Kosten und die Komplexität erhöht werden.
Durch das Doppelreflexionslinsenelement wird mit nur einer einzigen Punktlichtquelle und dem Linsenelement über einen weiten Bereich eine wirksame und gleichmäßige Flächenausleuchtung erreicht. Daher ist die Wirksamkeit verbessert, während sekundäre optische Behandlungen des Beleuchtungssystems überflüssig gemacht sind.
Weil sekundäre optische Behandlungen, wie reflektierende Kegel, bei einem Doppelreflexionslinsenelement typischerweise nicht erforderlich sind, kann die Fläche hinter den Linsenelementen weiterhin durch die Ausleuchtungsfläche des Linsenelements sichtbar sein, wenn die Lichtquelle abgeschaltet ist. Die Möglichkeit, durch das Linsenelement zu sehen, wenn die Lichtquelle abgeschaltet ist, ist bei manchen Gestaltungs-Szenarien vorteilhaft, in denen es erwünscht ist, die Sichtbarkeit eines Lichtsystems, in dem Doppelreflexionslinsenelemente verwendet werden, zu minimieren, wenn die Lichtquellen abgeschaltet sind. In ähnlicher Weise kann durch Bereitstellen eines farbigen Hintergrunds hinter den Linsenelementen, der die gleiche Farbe wie die das Beleuchtungssystem umgebende Struktur aufweist, erreicht werden, daß sich das Beleuchtungssystem in seine Umgebung einfügt, wenn die Lichtquellen abgeschaltet sind.

Claims

1. Doppelreflexionslinsenelement mit einer Lichteintrittsfläche und einer Ausleuchtungsfläche, gekennzeichnet durch:

einen Direktübertragungsbereich (16; 90, 110; 174), der mit der Lichteintrittsfläche (12) in Verbindung steht und einen ersten Teil von eingetretenem Licht in einem ersten festgelegten Muster durch das Linsenelement (10; 82, 84) lenkt,

einen Primärreflexionsbereich (14; 86, 106; 142; 162) und einen Sekundärreflexionsbereich (18) zwischen der Lichteintrittsfläche (12) und der Ausleuchtungsfläche (20), die den Direktlichtübertragungsbereich (16) umgeben und einen zweiten Teil von eingetretenem Licht in einem zweiten vorgegebenen Muster durch das Linsenelement (10; 82, 84) auf die Ausleuchtungsfläche (20) umlenken.

2. Doppelreflexionslinsenelement (10; 82, 84) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Direktübertragungsbereich (16) einen im wesentlichen ebenen Bereich umfaßt, der eine Basis des Primärreflexionsbereichs definiert.

3. Doppelreflexionslinsenelement (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ebene Bereich eine Linse (74) zum Kollimieren von Licht direkt durch das Linsenelement umfaßt.

4. Doppelreflexionslinsenelement (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärreflexionsbereich (14; 86, 106; 162) eine im wesentlichen parabolische Fläche (40; 88, 108) umfaßt, die sich von dem ebenen Basisbereich (10) zu der Ausleuchtungsfläche (20) erstreckt, um den zweiten Teil von eingetretenem Licht von der Lichteintrittsfläche (12) zu dem Sekundärreflexionsbereich (18) umzulenken.

5. Doppelreflexionslinsenelement (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärreflexionsbereich (142) eine im wesentlichen konusförmige Fläche (144) umfaßt, die sich von dem ebenen Basisbereich (16) zu der Ausleuchtungsfläche (20) erstreckt, um den zweiten Teil von eingetretenem Licht von der Lichteintrittsfläche (12) zu dem Sekundärreflexionsbereich (18) umzulenken.

6. Doppelreflexionslinsenelement (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärreflexionsbereich (18) eine Vielzahl von Extraktionsfacetten (42) umfaßt, die sich nach innen in den Sekundärreflexionsbereich (18) erstrecken, um den zweiten Teil von eingetretenem Licht von dem Primärreflexionsbereich (14) abzufangen und das Licht zu der Ausleuchtungsfläche (20) umzulenken.

7. Doppelreflexionslinsenelement (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Facetten (42) durch benachbarte Absätze (44) beabstandet sind, die eine Hinterkante einer Facette (42) mit einer Vorderkante einer anschließenden Facette verbinden.

8. Doppelreflexionslinsenelement (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Facetten (42) durch benachbarte flache, ebene Flächen (43) beabstandet sind.

9. Doppelreflexionslinsenelement (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Facetten (42) eine im wesentlichen parabolische Reflexionsfläche zum Umlenken des zweiten Teils von eingetretenem Licht auf die Ausleuchtungsfläche (20) umfaßt.

10. Doppelreflexionslinsenelement (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärreflexionsbereich (18) im wesentlichen viereckig ist und die Ausleuchtungsfläche (20) definiert, und daß die Facetten (42) in acht einzelne kuchenförmige Gebiete (48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62) aufgeteilt sind.

11. Doppelreflexionslinsenelement (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärreflexionsbereich (14) zentral in dem viereckigen Sekundärreflexionsbereich angeordnet ist.

12. Doppelreflexionslinsenelement (10) nach Anspruch 1, des weiteren gekennzeichnet durch eine Anordnung von lichtdispergierenden Vorsprüngen (136; 154), die benachbart zu der Ausleuchtungsfläche (20) angeordnet sind, um den Sekundärbereich beim Dispergieren und Umlenken von eingetretenem Licht aus dem Doppelreflexionslinsenelement (10) und zurück in das Doppelreflexionslinsenelement (10) zu unterstützen.

13. Doppelreflexionslinsenelement (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtdispergierenden Vorsprünge (136; 154) eine Anordnung (32) von kissenförmigen Linsen zum Dispergieren des eingetretenen Lichts umfassen.

14. Doppelreflexionslinsenelement (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Linsenelement (10) bezüglich der Anordnung (32) aus kissenförmigen Linsen aufwärts geneigt ist.

15. Doppelreflexionslinsenelement (10; 150) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die kissenförmigen Linsen (154) integraler Bestandteil des Sekundärreflexionsbereichs (18) sind und damit die Ausleuchtungsfläche bilden.

16. Doppelreflexionslinsenelement (10) nach Anspruch 1, des weiteren gekennzeichnet durch einen Übergangsbereich (126) zum Verbinden zweier Doppelreflexionslinsenelemente (82, 84) und zum Bilden einer gemeinsamen Ausleuchtungsfläche (128).

17. Doppelreflexionslinsenelement (10) nach Anspruch 2 des weiteren gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Primärreflexionsbereichen zum Bilden umgeklappter parabolischer Flächen (164), die durch umlaufende Facetten (166) getrennt sind, um den zweiten Teil von eingetretenem Licht in den Sekundärreflexionsbereich umzulenken.

18. Doppelreflexionslinsenelement (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es Montagestützen zum Ausrichten und Positionieren des Linsenelements bezüglich einer Lichtquelle (30) zum Projizieren von Licht in das Linsenelement umfaßt.

19. Doppelreflexionslinsenelement (10) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle 30 eine lichtemittierende Diode (LED) ist.

20. Lichtemittierende Einrichtung zur Verwendung in einem Fahrzeug, die ein Doppelreflexionslinsenelement nach einem der vorstehenden Ansprüche umfaßt.