DE102008001778A1 - Nahbereichslinse - Google Patents
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- F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
- F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]
Abstract
Description
- Fachgebiet der Erfindung
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Beleuchtungssysteme, die Lichtleiter beinhalten und im Besonderen auf Nahbereichslinsen, die das Licht von Lichtquellen sammeln und das Licht von Lichtquellen lenken und solches Licht in Lichtleiter senden.
- Hintergrund der Erfindung
- Licht abstrahlende Dioden(LED)-Lichtleiter finden wegen ihres ästhetischen Aussehens und der Stildifferenzierung zwischen Fahrzeugtypen zunehmend Anwendung für Kraftfahrzeugsignallampen. Typische LED-Lichtleiter haben Durchmesser zwischen 5 und 20 mm mit starken Unterschieden in ihrer Länge. Stilvorgaben erfordern Lichtleiter mit merkwürdig gekrümmten Formen, die optisch anspruchsvoll zu gestalten sind. Diese Zunahme der Formenkomplexität der Lichtleiter macht sowohl das optische Design als auch die Herstellung sehr schwierig. Lichtleiter mit komplexen Formen haben typischerweise eine geringere optische Effektivität und erfordern starke LEDs, um die Anforderungen der FMVSS (Federal Motor Vehicle Safety Standards – US-amerikanische Bundessicherheitsstandards für Automobile) zu erfüllen.
- Da die meisten der Hochleistungs-LEDs Licht nahezu nach dem Lambert-Muster (radial entlang einer Halbkugel) abgeben und die Lichtleiterdurchmesser so klein sind, gelangen typischerweise nur 10 bis 20% des Lichts der Lichtquelle in den Lichtleiter. Für viele Konstruktionen ist diese Lichtmenge nicht ausreichend.
- Typische Problemlösungen dafür sind die Reduzierung der Länge der Lichtleiter, eine Reduzierung der Komplexität des Lichtleiters oder zusätzliches Licht von der Quelle. Zum Beispiel können sehr starke LEDs oder andere Lichtquellen wie Mini-Halogen-Kolbenlampen mit elliptischen Reflektoren verwendet werden, um entsprechendes Licht in die Lichtleiter zu senden. Ebenso können komplex zusammengesetzte Licht spendende Systeme mit Kolbenlampen, Reflektoren, Glasstäben und optischen Fasern verwendet werden, um zu versuchen, entsprechendes Licht in die Lichtleiter zu senden. Zusätzlich kann der LED-Lichtaustritt durch eine gruppierende Anordnung und verbesserte Elektronik erhöht werden.
- Wenn jedoch die Lichtleiterdurchmesser reduziert werden müssen oder zusätzliches Licht hinzugefügt werden muss, können die Kosten und die Verbraucherzufriedenheit berührt werden. Deshalb kann eine optische Einrichtung genutzt werden, um die Lichtmenge zu verbessern, die in den Lichtleiter eintritt. Die optische Einrichtung, beispielsweise eine Nahbereichslinse, sammelt das von einer LED ausgesandte Licht und sendet es zum Eintritt des Lichtleiters. Da jedoch viele der Hochleistungs-LEDs kuppelartig 5 bis 8 mm Durchmesser über dem Chip aufragen, ist es schwierig, eine optische Einrichtung zu konstruieren, die die LED-Erscheinungsform und einen Lichtleiter mit einem kleinen Durchmesser (5 bis 10 mm) in Einklang bringen kann.
- Im Hinblick darauf ist es offenkundig notwendig, das Licht von einer LED-Lichtquelle oder anderen Lichtquellen, die keine plane Oberfläche haben, effektiver zu nutzen.
- Kurze Zusammenfassung der Erfindung
- Zur Erfüllung der oben genannten Notwendigkeit und zur Überwindung der aufgezählten Nachteile und Begrenzungen des Standes der Technik liefert die vorliegende Erfindung eine neuartige und nicht offenkundige Linse für den Gebrauch zusammen mit einer Lichtquelle. Diese Linse umfasst einen Hauptkörper mit einer Licht sammelnden Fläche und einer Licht abstrahlenden Fläche mit einer optischen Achse, die sich durch die Zentren der Licht sammelnden Fläche und der Licht abstrahlenden Fläche erstreckt. Um das Licht von der Lichtquelle aufzunehmen, ist eine Einstülpung in der Licht sammelnden Fläche ausgebildet. Diese Einstülpung wird durch eine innere, axial gerichtete Oberfläche bestimmt, umgeben von einer inneren, radial gerichteten Oberfläche. Die innere, axial gerichtete Oberfläche ist konkav und hat eine kugelige Form, während die innere, radial gerichtete Oberfläche eine nicht-kugelige, kegelige Form hat und sich von der axial gerichteten Oberfläche in der Richtung entfernend von der Lichtquelle erstreckt.
- In einer anderen Hinsicht wird eine Lichtbaugruppe zum Gebrauch mit einem Lichtleiter offenbart. Die Lichtbaugruppe hat eine Linse, wie oben dargestellt, und schließt weiterhin eine Licht abstrahlende Diode mit einer kuppelartigen Erscheinungsform ein, die in der Einstülpung der Linse angeordnet ist.
- Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden für den Fachmann nach Kenntnis der folgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen und Ansprüche, die einen Teil der Darstellung bilden, vollkommen klar.
- Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
1 ist ein Querschnitt in Seitenansicht von der Linse und der Licht abstrahlenden Diode zusammen mit einem Teil des Lichtleiters und verkörpert die Grundsätze der vorliegenden Erfindung. -
1A ist ein Querschnitt in Seitenansicht ähnlich der in1 und dazu einschließend ein zylindrisches Rohr, das die Linse mit dem Lichtleiter verbindet. -
2 ist eine perspektivische Ansicht der Linse, wie in den Zeichnungen1 und1A verwendet. -
3 ist ein Querschnitt in Seitenansicht der Linse aus den Zeichnungen1 ,1A und2 , der zeigt, wie die Lichtstrahlen durch sie hindurchgelangen. -
4 ist eine perspektivische Ansicht der Linse aus den Zeichnungen1 ,1A ,2 und3 , bei der ein Verbinder an die Linse angebracht ist. -
5 ist eine Seitenansicht der Linse mit dem Verbinder aus4 . - Detaillierte Beschreibung
- Bezogen nun auf die Zeichnungen ist eine Linse dargestellt, die die Grundsätze der vorliegenden Erfindung verkörpert und mit
10 bezeichnet ist. Die Linse10 umfasst einen Hauptkörper, der aus einem Licht leitenden Material hergestellt ist, vorzugsweise aus einem optisch geeigneten Kunststoff, wie Polykarbonat oder Acryl. Die Linse10 kann durch irgendein geeignetes Verfahren hergestellt sein, ohne Einschränkungen ist auch Spritzgießen eingeschlossen. Der Hauptkörper der Linse10 besitzt eine Licht sammelnde Fläche12 and eine Licht abstrahlende Fläche14 . Eine optische Achse X erstreckt sich durch den Hauptkörper der Linse10 durch die Zentren der Licht sammelnden Fläche12 und der Licht abstrahlende Fläche14 . - Die Licht sammelnde Fläche
12 bestimmt eine Einstülpung im Körper der Linse10 für den Empfang des Lichts16 von einer Lichtquelle18 , die in diesem Ausführungsbeispiel ein 2-Pi-Strahler, eine Faseroptikstrahlerspitze oder irgendeine andere geeignete Lichtquelle sein kann. - Die Einstülpung wird deutlicher bestimmt durch eine innere, axial gerichtete Oberfläche
20 , umgeben von einer inneren, radial gerichteten Oberfläche22 . Die innere axial gerichtete Oberfläche22 ist an der optischen Achse X zentriert, ist konkav und hat eine Halbkugelform. Diese Form erlaubt es der inneren, axial gerichteten Oberfläche20 , sich eng an die kuppelartige Oberflächenform24 der LED18 anzulegen. Es ist vorgesehen, dass sich die Oberkante26 der kuppelartigen Oberflächenform24 der LED18 etwa 0,5 bis etwa 2,0 mm, gemessen in Richtung der optischen Achse X, von der inneren, axial gerichteten Oberfläche20 entfernt befindet. - Die innere, radial gerichtete Oberfläche
22 hat eine nichtkugelige konische Gestalt, die sich von der axial gerichteten Oberfläche20 in einer Richtung weg von der Licht abstrahlenden Oberfläche14 erstreckt. Anders gesagt erstreckt sich die radial gerichtete Oberfläche zwischen der axial gerichteten Oberfläche20 und dem offenen Ende der Einstülpung. Die kegelige Gestalt der inneren, radial gerichteten Oberfläche22 ist so ausgebildet, dass sie der inneren, radial gerichteten Oberfläche22 gestattet, sich eng an die Seitenkante28 der kuppelartig geformten Oberflächen24 der LED18 anzulegen. Es ist vorgesehen, dass sich die Seitenkante28 der kuppelartig geformten Oberfläche24 der LED18 etwa 0,5 bis etwa 2,0 mm, von der inneren, radial gerichteten Oberfläche22 entfernt befindet. - Wegen der eigenartigen Gestalt der Einstülpung der Linse
10 , wobei sich sowohl die innere, axial gerichtete Oberfläche20 als auch die innere, radial gerichtete Oberfläche22 eng an die Kanten26 und28 der Oberfläche24 der LED18 anlegen, wird ein großer Anteil des Lichts16 , das von der LED18 ausgesendet wird, durch die Linse10 gesammelt. - Die Licht abstrahlende Fläche
14 der Linse10 besitzt einen zentralen Abschnitt30 und einen äußeren Abschnitt32 . Der äußere Abschnitt32 bestimmt eine kegelige, konkave Oberfläche, die den zentralen Abschnitt30 radial umgibt. Der zentrale Abschnitt30 ist nach außen hin kuppelartig geformt und auf der optischen Achse X radial zentriert. Bezogen auf3 werden die Lichtstrahlen16 durch die Licht sammelnde Oberfläche12 gesammelt, wenn Lichtstrahlen16 von der LED18 ausgesendet werden. Einige Lichtstrahlen16 werden durch die innere, axial gerichtete Oberfläche20 gesammelt und andere Lichtstrahlen16 werden durch die innere, radial gerichtete Oberfläche22 gesammelt. - Die Lichtstrahlen
16 , die durch die innere, axial gerichtete Oberfläche20 gesammelt werden, passieren den Hauptkörper der Linse10 geradlinig, bis sie den kuppelartig geformten zentralen Abschnitt30 der Licht abstrahlenden Fläche14 erreichen. Beim Erreichen des kuppelartig geformten zentralen Abschnitts30 werden die Lichtstrahlen16 aus der Linse10 abgestrahlt. Der kuppelartig geformte Abschnitt30 richtet die Lichtstrahlen16 parallel oder nahezu parallel und strahlt die Lichtstrahlen16 in Richtung Lichtleiter34 ab. - Diejenigen Lichtstrahlen
16 , die durch die innere, radial gerichtete Oberfläche22 gesammelt werden, werden durch den Hauptkörper der Linse10 gebrochen, bis sie eine seitliche Oberfläche36 der Linse10 erreichen. Beim Erreichen der seitlichen Oberfläche36 werden die Lichtstrahlen16 durch totale innere Reflexion zurückgeworfen, bis sie den äußeren Abschnitt32 der Licht abstrahlenden Fläche14 erreichen, der die Lichtstrahlen16 hin zur optischen Achse X der Linse10 bricht. - Tangentenlinien an die Oberfläche des äußeren Abschnitts
32 sind so in einem Winkel in Bezug zur optischen Achse X angelegt, dass sie teilweise oder komplett die Richtung der Lichtstrahlen16 korrigieren können. Je näher der Winkel an einem rechten Winkel zur optischen Achse X liegt, desto stärker werden die Lichtstrahlen gerichtet oder fast gerichtet und verlaufen in einer Richtung parallel zur optischen Achse X. Wenn der Winkel so vorgesehen ist, dass er spitzer zur optischen Achse X verläuft, werden die Lichtstrahlen16 nicht gerichtet, sondern werden zur optischen Achse X hin geleitet, wie in3 dargestellt. Optische Prismen oder andere optisch wirkende Oberflächen können zusätzlich an der Oberfläche des äußeren Abschnitts32 wahlweise genutzt werden, um Abweichungen von der Ausrichtung zu verringern. - Um die Abmessungen der Linse
10 klein zu halten, ist der äußere Abschnitt32 vorzugsweise so zu gestalten, dass die Lichtstrahlen16 nicht gerichtet werden, sondern stattdessen hin zur optischen Achse X abgelenkt werden mit dem Ergebnis, dass die Lichtstrahlen16 zu großen Teilen in den Lichtleiter34 gelenkt werden. Wenn der äußere Abschnitt32 stark genug geneigt ist, um die Lichtstrahlen16 stärker zur optischen Achse X hin zu lenken, statt die Lichtstrahlen16 zu richten, wird der resultierende äußere Durchmesser des äußeren Abschnitts32 der Linse10 verringert. Das erlaubt es, den äußeren Durchmesser des äußeren Abschnitts32 auf fast die gleiche Größe zu bringen, wie die des Lichtleiters34 . In den Zeichnungen ist nur ein Teil des Lichtleiters34 dargestellt. - Typische Lichtleiter
34 , die in Fahrzeuganwendungen vorkommen, haben Durchmesser zwischen 5 und 15 mm. In solchen Anwendungen haben die Lichtleiter34 eine Länge, die viel größer ist als ihre Dicke, und in einigen Anwendungen hat der Lichtleiter34 Bögen. - Um einen ausreichenden Betrag an Lichtintensität in den Teilen eines gebogenen Lichtleiters
34 zu haben, die am weitesten von der Lichtquelle entfernt sind, ist vorzugsweise eine wesentlicher Teil des Lichts16 in die gebogenen Lichtleiter34 zu lenken. Wenn der äußere Durchmesser des äußeren Abschnitts32 der Linse10 ungefähr bei der Größe des Durchmessers des Lichtleiters34 gehalten wird, wird der größte Teil des Lichts16 der LED18 in den Lichtleiter34 gelenkt. Anders gesagt, lenkt die Linse10 einen hohen Prozentsatz der Lichtstrahlen16 , die sie passieren, in den Lichtleiter34 , weil die Linse10 einen Durchmesser hat, der nicht viel größer ist als der des Lichtleiters34 . Es ist festzustellen, dass der äußere Durchmesser des äußeren Abschnitts32 zwischen 5 und 20 mm betragen kann, abhängig von der Größe des entsprechenden Lichtleiters34 . Vorzugsweise soll der äußere Durchmesser des äußeren Abschnitts zwischen 5 und 10 mm betragen, um Übereinstimmung damit zu erreichen, dass die Lichtleiter34 ähnliche Größen aufweisen. - Der Lichtleiter
34 wird vorzugsweise in einer Entfernung von ungefähr 2,0 mm von der Linse10 angeordnet, dargestellt als Maß A in1A . Um alle Lichtstrahlen16 einzufangen, die an dem 2,0-mm-Spalt austreten, erstreckt sich ein zylindrisches Rohr38 zwischen der Linse10 und dem Lichtleiter34 . Ein erstes Ende40 des zylindrischen Rohres38 ist an der Linse angebracht und ein zweites Ende42 des zylindrischen Rohres38 ist an dem Lichtleiter34 angebracht. Das zylindrische Rohr38 ist vorzugsweise ausgestattet mit einer reflektierenden inneren metallischen Beschichtung, um alle Lichtstrahlen16 , die mit ihr in Berührung kommen, in Richtung auf den Lichtleiter zu reflektieren. - Bezogen auf
4 bis5 , kann ein Verbinder44 mit dem äußeren Abschnitt32 der Linse10 geformt oder mit ihm verbunden sein. Der Verbinder44 ist mit dem äußeren Abschnitt32 durch einen radialen Bund verbunden und erstreckt sich in axialer Richtung im Wesentlichen parallel zur optischen Achse X auf den LED-Schaltkreis (nicht dargestellt) zu, sodass die LED18 damit verbunden oder davon gehalten wird. Der Verbinder44 hält die Linse10 um die LED18 herum und verbindet die Linse10 direkt mit dem LED-Schaltkreis (nicht dargestellt) und hält sie dadurch. - Wie ein Fachmann vollständig anerkennen wird, ist die obige Beschreibung als Illustration einer Verwirklichung der Grundsätze dieser Erfindung aufzufassen. Die Beschreibung beabsichtigt nicht, die Reichweite oder Anwendung dieser Erfindung darin zu begrenzen, dass die Erfindung für Modifikationen, Variationen und Änderungen offen ist, ohne sich vom Geist dieser Erfindung zu entfernen, wie sie in den folgenden Ansprüchen definiert ist.
-
- 10
- Linse
- 12
- Licht sammelnde Fläche
- 14
- Licht abstrahlende Fläche
- 16
- Licht/Lichtstrahlen
- 18
- Lichtquelle LED
- 20
- innere, axial gerichtete Oberfläche
- 22
- innere, radial gerichtete Oberfläche
- 24
- kuppelartige Oberflächenform
- 26
- Oberkante
- 28
- Seitenkante
- 30
- zentraler Abschnitt
- 32
- äußerer Abschnitt
- 34
- Lichtleiter
- 36
- seitliche
Oberfläche
von
10 - 38
- zylindrisches Rohr
- 40
- erstes Ende des zylindrischen Rohrs
- 42
- zweites Ende des zylindrischen Rohrs
- 44
- Verbinder
- X
- optische Achse
Claims (19)
- Eine Linse
10 für die Anwendung mit einer Lichtquelle18 , umfassend: einen Hauptkörper, der eine Licht sammelnde Fläche12 und eine Licht abstrahlende Fläche14 hat, wobei der Hauptkörper eine optische Achse X bestimmt, die sich durch die Zentren der Licht sammelnden Fläche12 und der Licht abstrahlenden Fläche14 erstreckt; eine Einstülpung in dem Hauptkörper, die bestimmt wird durch eine Licht sammelnde Fläche12 für den Empfang von Licht von einer Lichtquelle18 , die bestimmt wird durch eine innere, axial gerichtete Oberfläche20 , umgeben von einer inneren, radial gerichteten Oberfläche22 , die Einstülpung hat ein offenes Ende und die innere, axial gerichtete Oberfläche20 ist konkav und kugelförmig; die innere, radial gerichtete Oberfläche22 , die kegelförmig ist und sich zwischen der inneren, axial gerichteten Oberfläche20 und dem offenen Ende der Einstülpung erstreckt. - Die Linse
10 nach Anspruch 1, wobei die Licht abstrahlende Fläche14 einen zentralen Abschnitt30 und einen äußeren Abschnitt32 umfasst, der äußere Abschnitt32 umschließt radial den zentralen Abschnitt30 und das offene Ende der Einstülpung. - Die Linse
10 entsprechend einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der äußere Abschnitt32 im Allgemeinen eine konkave kegelige Oberfläche bestimmt und so gestaltet ist, dass er das Licht16 in Richtung auf die optische Achse X richtet. - Die Linse
10 entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der zentrale Abschnitt30 kuppelartig ist. - Die Linse
10 entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin enthaltend einen Verbinder44 , der die Linse10 radial abstützt. - Die Linse
10 entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Linse10 einen wirklichen äußeren Durchmesser im Bereich von ungefähr 5 bis ungefähr 20 mm aufweist. - Die Linse
10 entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Linse10 einen wirklichen äußeren Durchmesser im Bereich von ungefähr 5 bis ungefähr 10 mm aufweist. - Die Linse
10 entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Lichtquelle18 eine Licht abstrahlende Diode ist. - Eine Lichtbaugruppe umfassend: eine Linse
10 mit: einem Hauptkörper mit einer Licht sammelnden Fläche12 und einer Licht abstrahlenden Fläche14 , die eine optische Achse X bestimmt, die sich durch die Zentren der Licht sammelnden Fläche12 und der Licht abstrahlenden Fläche14 erstreckt; einer in die Licht sammelnde Fläche12 geformten Einstülpung, die ein offenes Ende hat, und bestimmt wird durch eine innere, axial gerichtete Oberfläche20 , umgeben von einer inneren, radial gerichteten Oberfläche22 , die im Allgemeinen konkav ist und eine Halbkugelform hat, wobei die innere, radial gerichtete Oberfläche22 eine kegelige Form hat und sich zwischen der axial gerichteten Oberfläche20 und dem offenen Ende der Einstülpung erstreckt und einer Licht abstrahlenden Diode18 , die eine kuppelartige Oberflächenform24 hat und im Allgemeinen in der Einstülpung der Linse10 angeordnet ist. - Die Lichtbaugruppe des Anspruchs 9, wobei die Licht abstrahlende Fläche
14 der Linse10 einen zentralen Abschnitt30 und einen äußeren Abschnitt32 enthält, wobei der äußere Abschnitt32 den zentralen Abschnitt30 umschließt und eine kegelige Form hat. - Die Lichtbaugruppe entsprechend einem der Ansprüche 9 oder 10, worin die der äußere Abschnitt
32 so gestaltet ist, dass die Lichtstrahlen16 zur optischen Achse X hin gerichtet werden. - Die Lichtbaugruppe entsprechend einem der Ansprüche 9 bis 11, worin der zentrale Abschnitt eine kuppelartige Gestalt hat.
- Die Lichtbaugruppe entsprechend einem der Ansprüche 9 bis 12, weiterhin umfassend einen Verbinder
44 , der die Linse10 abstützt und so gestaltet ist, dass er die Linse10 mit dem Schaltkreis verbindet. - Die Lichtbaugruppe entsprechend einem der Ansprüche 9 bis 13, worin die Linse
10 einen äußeren Durchmesser im Bereich von ungefähr 5 bis ungefähr 20 mm aufweist. - Die Lichtbaugruppe entsprechend einem der Ansprüche 9 bis 14, worin der äußere Durchmesser im Bereich ungefähr 5 bis ungefähr 10 mm beträgt.
- Die Lichtbaugruppe entsprechend einem der Ansprüche 9 bis 15, worin ein Anteil der kuppelartigen Oberflächenform
24 der Licht abstrahlenden Diode18 im Bereich von ungefähr 0,5 bis ungefähr 2 mm von der inneren, axial gerichteten Oberfläche20 der Licht sammelnden Fläche12 angeordnet ist. - Die Lichtbaugruppe entsprechend einem der Ansprüche 9 bis 16, worin ein Anteil der kuppelartigen Oberflächenform
24 der Licht abstrahlenden Diode18 im Bereich von ungefähr 0,5 bis ungefähr 2 mm von der inneren, radial gerichteten Oberfläche22 der Licht sammelnden Fläche12 entfernt angeordnet ist. - Die Lichtbaugruppe entsprechend einem der Ansprüche 9 bis 17, weiterhin umfassend ein zylindrisches Rohr
38 mit einem ersten offenen Ende40 , das an der Linse10 angebracht ist, wobei das zylindrische Rohr38 so gestaltet ist, dass es sich zwischen der Linse10 und einem Lichtleiter erstreckt. - Die Lichtbaugruppe des Anspruchs 18, worin das zylindrische Rohr
38 eine reflektierende innere Oberfläche hat.
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