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Dokumentenidentifikation DE102006049097A1 31.05.2007
Titel Nahfeldlinse mit verringerten Abmessungen
Anmelder Visteon Global Technologies, Inc., Van Buren Township, Mich., US
Erfinder Chinniah, Jeyachandrabose, Canton, Mich., US;
Fallahi, Amir P., West Bloomfield, Mich., US;
Erion, Jeffrey Allen, Plymouth, Mich., US;
Sayers, Edwin Mitchell, Saline, Mich., US;
Jones, Thomas Lee, Commerce Twp., Mich., US
Vertreter Dr. Heyner & Dr. Sperling Patentanwälte, 01277 Dresden
DE-Anmeldedatum 13.10.2006
DE-Aktenzeichen 102006049097
Offenlegungstag 31.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.05.2007
IPC-Hauptklasse F21V 5/04(2006.01)A, F, I, 20070124, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F21V 8/00(2006.01)A, L, I, 20070124, B, H, DE   G02B 3/08(2006.01)A, L, I, 20070124, B, H, DE   
IPC additional class F21W 101/00  (2006.01)  A,  L,  N,  20070124,  B,  H,  DE
F21Y 101/02  (2006.01)  A,  L,  N,  20070124,  B,  H,  DE
Zusammenfassung Es wird für eine Fahrzeugbeleuchtungsbaugruppe eine Nahfeldlinse offenbart, die eine verringerte Dicke aufweist. Die Nahfeldlinse umfasst allgemein einen Hauptkörper aus lichtleitendem Material. In den Hauptkörper ist eine Tasche zum Empfangen des Lichts von einer Lichtquelle eingeformt. Die Tasche ist durch eine innere Radialwirkfläche und eine innere Axialwirkfläche definiert. Die innere Radialwirkfläche ist derart konfiguriert, dass die Dicke der Nahfeldlinse verringert wird.

Beschreibung[de]
Fachgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Fahrzeugbeleuchtungsmodule mit Nahfeldlinsen, die das von Lichtquellen, wie z. B. Leuchtdioden, ausgesandte Licht sammeln und lenken.

Hintergrund der Erfindung

Leuchtdioden (LEDs) sind rasch zur bevorzugten Lichtquelle für den Einsatz bei der Fahrzeugbeleuchtung geworden, da sie wenig Energie verbrauchen, jedoch eine für solche Einsatzfälle akzeptable Lichtausbeute realisieren. Nahfeldlinsen werden zum Sammeln und zum Parallelrichten des von einer LED-Quelle ausgesandten Lichts verwendet und bieten im Allgemeinen einen hohen Lichtsammelwirkungsgrad (typischerweise 70 % bis 90 %), jedoch hängen die Abmessungen des Ausgangsstrahls für eine bestimmte Lichtquelle von den Abmessungen der Linse ab. Je größer die Linse (d. h. je größer die Ausgangsbrennweite der Linse) ist, desto kleiner sind die Abmessungen des Ausgangsstrahls und desto höher die Spitzenlichtintensität. Die Herstellung großer Linsen bringt jedoch komplexe Formungsprobleme mit sich und erfordert längere Zykluszeiten bei der Formung, so dass kostenintensive Formwerkzeuge und Formungsprozesse erforderlich sind.

Es besteht deshalb ein Bedarf für die Bereitstellung einer Beleuchtungsbaugruppe mit einer Linse, die die Abmessungen des Ausgangsstrahls und die Spitzenlichtintensität für Kraftfahrzeuganwendungsfälle bei gleichzeitiger Verringerung der Abmessungen der Nahfeldlinse realisiert.

Kurze Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung stellt eine Nahfeldlinse bereit, die in ihren Abmessungen reduziert ist. Die Nahfeldlinse umfasst allgemein einen Hauptkörper aus lichtleitendem Material. In den Hauptkörper ist eine Tasche zum Empfangen des Lichts von einer Lichtquelle eingeformt. Die Tasche ist durch eine innere Radialwirkfläche und eine innere Axialwirkfläche definiert. Die innere radiale Wirkfläche ist gekrümmt und folgt einem Kreisbogen.

Was die Aspekte im Einzelnen anbelangt, so ist die innere Radialwirkfläche zwischen einem in Strahlrichtung vorgeordneten Punkt und einem in Strahlrichtung nachgeordneten Punkt gekrümmt, wobei eine Tangente der Kurve im in Strahlrichtung nachgeordneten Punkt im Allgemeinen parallel zur Längsachse ist. Der Radius des Kreisbogens ist größer als die oder gleich der Hälfte der radialen Höhe des Hauptkörpers. Vorzugsweise ist die gesamte Radialwirkfläche gekrümmt. Die innere Axialwirkfläche ist vorzugsweise ebenfalls gekrümmt und weist einen Anstieg der Krümmung auf, der größer als der Anstieg der Krümmung der inneren Radialwirkfläche ist. Eine äußere Axialwirkfläche des Hauptkörpers kann senkrecht zur Längsachse liegen, einen relativ zur Längsachse abgewinkelten, geneigten Abschnitt haben oder eine Vielzahl von Strahlspreizungskissen umfassen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die in der Spezifikation enthaltenen und einen Teil davon bildenden zugehörigen Zeichnungen stellen verschiedene Aspekte der Erfindung bildlich dar und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erklärung der Prinzipien der Erfindung. In den Zeichnungen sind:

1 eine Schnittdarstellung einer entsprechend den Lehren der Erfindung ausgelegten Nahfeldlinse;

2 eine weitere Schnittdarstellung der in 1 dargestellten Nahfeldlinse;

3 eine Schnittdarstellung einer alternativen Ausgestaltung der in 1 dargestellten Nahfeldlinse;

4 eine Schnittdarstellung einer anderen alternativen Ausgestaltung der in 1 dargestellten Nahfeldlinse; und

5 eine Schnittdarstellung einer weiteren alternativen Ausgestaltung der in 1 dargestellten Nahfeldlinse.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

In den 1 bis 3 ist eine Nahfeldlinse 20 für eine Fahrzeugbeleuchtungsbaugruppe mit einer Lichtquelle 10 dargestellt. Die Lichtquelle 10 ist vorzugsweise eine Leuchtdiode (LED), die Licht in einem Quellenpunkt 12 erzeugt. Die Nahfeldlinse 20 definiert allgemein eine Längsachse 14, in der die Nahfeldlinse 20 das Licht 16 sammelt, parallelrichtet und in Strahlrichtung nach der Lichtquelle 10 ablenkt.

Die Nahfeldlinse 20 umfasst allgemein einen Hauptkörper 22 mit einer äußeren Radialwirkfläche 24 und einer äußeren Axialwirkfläche 26. Der Hauptkörper 22 ist aus einem lichtleitenden Material, und zwar vorzugsweise aus einem optischen Kunststoff, hergestellt. Der Hauptkörper 22 bildet eine Tasche 30, die die LED 10 aufnimmt oder zumindest das Licht 16 von der LED 10 empfängt. Die Tasche 30 ist allgemein durch eine innere Radialwirkfläche 32 und eine innere Axialwirkfläche 34 definiert. Die innere Axialwirkfläche 34 ist gekrümmt und im Besonderen als Linse realisiert, um das Licht 16 axial parallelzurichten. Wie am besten in 3 zu erkennen ist, passiert das Licht 16 in der Tasche 30 die innere Axialwirkfläche 34, wird in Strahlrichtung anschließend parallelgerichtet und die Längsachse 14 entlang gebrochen und passiert die äußere Axialwirkfläche 26.

Das Licht 16 in der Tasche 30 passiert außerdem die innere Radialwirkfläche 32, die das Licht 16 in Richtung der äußeren Radialwirkfläche 24 bricht. Die äußere Radialwirkfläche 24 ist gekrümmt und eine vorzugsweise numerisch erzeugte Kurve, die auf der Gestalt der inneren Radialwirkfläche 32 basiert. Als solche ist die äußere Radialwirkfläche 24 derart gestaltet, dass das Licht 16 aufgrund Totalreflexion in Strahlrichtung anschließend axial parallelgerichtet und in Längsrichtung abgelenkt wird. Zusammengefasst wird ein Anteil des Lichts 16 in der Tasche 30 an der inneren Radialwirkfläche 32 gebrochen, durch die äußere Radialwirkfläche 24 reflektiert und parallelgerichtet und passiert anschließend die äußere Axialwirkfläche 26.

Die Erfindung stellt eine Nahfeldlinse 20 bereit, die durch die neuartige Gestaltung der Tasche 30 eine verringerte Dicke (gemessen in Längsrichtung längs der Längsachse 14) aufweist. Insbesondere ist die innere Radialwirkfläche 32 in einer solchen Weise gekrümmt, dass sie eine Verringerung der Dicke ermöglicht. Die innere Radialwirkfläche 32 ist zwischen einem in Strahlrichtung vorgeordneten Punkt 36 und einem in Strahlrichtung nachgeordneten Punkt 38 gekrümmt und bei der dargestellten Ausgestaltung auf ihrer gesamten Fläche gekrümmt. Außerdem verläuft eine im in Strahlrichtung nachgeordneten Punkt 38 an die Krümmung der inneren Radialwirkfläche 32 angelegte Tangente 15 allgemein parallel zur Längsachse 14. Der Begriff „allgemein" bedeutet, dass die Tangente 15 und die Längsachse 14 innerhalb von 1 Winkelgrad parallel zueinander sind.

Wie am besten in 2 zu erkennen, folgt die Krümmung der inneren Radialwirkfläche 32 vorzugsweise einem Kreisbogen. Der in Strahlrichtung nachgeordnete Punkt 38 ist der radial innerste Punkt der inneren Radialwirkfläche 32. Stärker bevorzugt ist, dass der Radius R des Kreisbogens größer als der oder gleich dem an der äußeren Axialwirkfläche 26 gemessenen Radius des Hauptkörpers 22 ist (oder in Fällen, bei denen der Hauptkörper 22 keinen zylindrischen Querschnitt hat, die bzw. der Hälfte der radialen Höhe des Hauptkörpers 22). Außerdem ist zu erkennen, dass die Steigung der Krümmung der inneren Axialwirkfläche 34 größer als die Steigung der Krümmung der inneren Radialwirkfläche 32 ist.

Dementsprechend ist von mit dem Fachgebiet vertrauten Personen zu erkennen, dass infolge der speziellen Gestaltung der Tasche 30 und insbesondere der inneren Radialwirkfläche 32die Nahfeldlinse 20 im Vergleich zu einer geradwandigen Konfiguration der Fläche 32, obwohl sie ebenso ein geeignetes Strahlmuster liefert, eine verringerte Axialdicke aufweist. Außerdem kann die Axialdicke der Nahfeldlinse 20 ohne Vergrößerung der radialen Höhe der Nahfeldlinse 20 verringert werden. Dadurch werden die zum Formen des Hauptkörpers 22 erforderliche Materialmenge verringert, die Fertigungszeit gesenkt und kostenintensive Formwerkzeuge und -prozesse eliminiert, während bezüglich der Spitzenintensität für Kraftfahrzeuganwendungen geeignete Ausgangsstrahlabmessungen realisiert werden. Der Hauptkörper 22 hat im Allgemeinen ein Dicke-Höhe-Verhältnis (gemessen zwischen den äußersten Enden) von kleiner als 0,60 und meistbevorzugt von kleiner als 0,55.

Eine alternative Ausgestaltung der Nahfeldlinse 120 ist in 4 dargestellt. Ein Hauptkörper 122 umfasst eine äußere Radialwirkfläche 124 und eine äußere Axialwirkfläche 126, die hier als eine einen äußeren Abschnitt 126a und einen inneren Abschnitt 126b umfassende geneigte Fläche dargestellt worden ist. Der innere Abschnitt 126b ist allgemein senkrecht zur Längsachse 114, während der äußere Abschnitt 126a zur Längsachse 14 abgewinkelt ist. Eine Tasche 130 ist durch eine innere Radialwirkfläche 132 und eine innere Axialwirkfläche 134 definiert, die den voranstehenden Lehren entsprechend ausgeführt sind. Licht 116 wird von einer Lichtquelle 110 in Richtung Tasche 130 ausgesandt und entweder durch die innere Axialwirkfläche 134 parallelgerichtet oder von der inneren Radialwirkfläche 132 gebrochen.

Anders als bei der vorherigen Ausgestaltung wird das Licht 116 durch die äußere Radialwirkfläche 124 in einer unvollkommenen parallelrichtenden Art und Weise reflektiert, sodass das Licht 116 radial einwärts in Richtung des geneigten äußeren Flächenabschnitts 126a abgelenkt wird, der seinerseits das Licht 116 in Strahlrichtung anschließend in Längsrichtung lenkt. Dementsprechend ist von Fachleuten zu erkennen, dass die durch den geneigten äußeren Flächenabschnitt 126a und den inneren Flächenabschnitt 126b definierte äußere Axialwirkfläche 126 zu einer Nahfeldlinse 120 mit verringerter radialer Höhe führt, die ein gut fokussiertes und parallelgerichtetes Strahlmuster liefert.

In 5 ist eine weitere alternative Ausgestaltung der den Lehren der Erfindung entsprechenden Nahfeldlinse 220 dargestellt. Die Nahfeldlinse 220 umfasst einen Hauptkörper 222 mit einer äußeren Radialwirkfläche 224 und einer äußeren Axialwirkfläche 226. Der Hauptkörper 222 umfasst eine Tasche 230, die durch eine innere Radialwirkfläche 232 und eine innere Axialwirkfläche 234 definiert ist, die den voranstehenden Lehren entsprechend ausgeführt sind. In dieser Ausgestaltung umfasst die äußere Axialwirkfläche 226 eine Vielzahl von Strahlausbreitungsoptiken, nämlich eine Anzahl kreisförmiger, rechteckiger oder anderer beliebig geformter Strahlausbreitungskissen 227, die zu einer Brechung des von der Nahfeldlinse 220 ausgesendeten Lichts 216 führen.

Von Fachleuten ist zu erkennen, dass durch die wie zuvor beschriebene neuartige Ausführung der Nahfeldlinse die Abmessungen der Nahfeldlinse in Längs-(Axial-)richtung signifikant verringert werden können, ohne dass die radiale Höhe oder der Durchmesser der Nahfeldlinse vergrößert wird. Gleichzeitig wird ein Strahlmuster mit einer für Kraftfahrzeuganwendungen gewünschten und erforderlichen Größe und Intensität realisiert. Durch diese Konfiguration werden zahlreiche Vorteile bezüglich der Kosten, des Gewichts und der Herstellung erreicht.

Die voranstehende Beschreibung der verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung ist zum Zwecke der Darstellung und Beschreibung präsentiert worden. Es ist nicht beabsichtigt, die Erfindung erschöpfend zu behandeln oder auf genau die offenbarten Ausgestaltungen zu beschränken. Zahlreiche Modifikationen oder Variationen sind im Lichte der voranstehend aufgeführten Lehren möglich. Die beschriebenen Ausgestaltungen wurden zwecks Bereitstellung der besten Darstellung der Prinzipien der Erfindung und ihrer praktischen Anwendung ausgewählt und beschrieben, um dadurch eine mit dem Fachgebiet vertraute Person zu befähigen, die Erfindung in verschiedenen Ausgestaltungen und mit verschiedenen Modifikationen anzuwenden, wenn sie einer bestimmten ins Auge gefassten Verwendung angepasst werden. Sämtliche Modifikationen und Variationen befinden sich innerhalb des durch die beigefügten Patentansprüche festgelegten Geltungsbereichs der Erfindung, solange sie in Übereinstimmung mit der Breite, in der sie angemessen, legal und billigerweise zulässig sind, umgesetzt werden.

10
Lichtquelle bzw. LED
12
Quellenpunkt
14
Längsachse
15
Tangente
16
Licht
20
Nahfeldlinse
22
Hauptkörper
24
äußere Radialwirkfläche
26
äußere Axialwirkfläche
30
Tasche
32
innere Radialwirkfläche
34
innere Axialwirkfläche
36
in Strahlrichtung vorgeordneter Punkt
38
in Strahlrichtung nachgeordneter Punkt
110
Lichtquelle
114
Längsachse
116
Licht
120
Nahfeldlinse bzw. Linse
122
Hauptkörper
124
äußere Radialwirkfläche
126
äußere Axialwirkfläche
126a
äußerer Flächenabschnitt
126b
innerer Flächenabschnitt
130
Tasche
132
innere Radialwirkfläche
134
innere Axialwirkfläche
220
Nahfeldlinse bzw. Linse
222
Hauptkörper
224
äußere Radialwirkfläche
226
äußere Axialwirkfläche
227
Strahlausbreitungskissen
230
Tasche
232
innere Radialwirkfläche
234
innere Axialwirkfläche


Anspruch[de]
Nahfeldlinse (20, 120, 220) für Fahrzeugbeleuchtungsbaugruppen mit einer Lichtquelle (10, 110), wobei die Linse das Licht (16, 116) entlang einer Längsachse (14, 114) nach außen lenkt, umfassend:

– einen Hauptkörper (22, 122, 222) aus lichtleitendem Material;

– eine in den Hauptkörper (22, 122, 222) eingeformte Tasche (30, 130, 230) zum Empfangen des Lichts (16, 116) von der Lichtquelle (10, 110), wobei die Tasche (30, 130, 230) durch eine innere Radialwirkfläche (32, 132, 232) und eine innere Axialwirkfläche (34, 134, 234) definiert ist;

– wobei die innere Radialwirkfläche (32, 132, 232) gekrümmt ist und einem Kreisbogen folgt.
Nahfeldlinse (20, 120, 220) nach Anspruch 1, wobei die innere Radialwirkfläche (32, 132, 232) zwischen einem in Strahlrichtung vorgeordneten Punkt (36) und einem in Strahlrichtung nachgeordneten Punkt (38) gekrümmt ist und eine Tangente (15) der Kurve im in Strahlrichtung nachgeordneten Punkt (38) allgemein parallel zur Längsachse (14, 114) verläuft. Nahfeldlinse (20, 120, 220) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die gesamte innere Radialwirkfläche (32, 132, 232) gekrümmt ist. Nahfeldlinse (20, 120, 220) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Radius des Kreisbogens größer als die oder gleich der Hälfte der radialen Höhe des Hauptkörpers (22, 122, 222) ist. Nahfeldlinse (20, 120, 220) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die innere Axialwirkfläche (34, 134, 234) gekrümmt ist, wobei eine Steigung der Krümmung der inneren Axialwirkfläche (34, 134, 234) größer als eine Steigung der Krümmung der inneren Radialwirkfläche (32, 132, 232) ist. Nahfeldlinse (20, 120, 220) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die innere Axialwirkfläche (34, 134, 234) zum in Strahlrichtung anschließenden Fokussieren des von der Tasche (30, 130, 230) kommenden Lichts (16, 116) als Linse konfiguriert ist. Nahfeldlinse (20, 120, 220) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Hauptkörper (22, 122, 222) ein Dicke-Höhe-Verhältnis kleiner als 0,60 aufweist. Nahfeldlinse (20, 120, 220) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Hauptkörper (22, 122, 222) ein Dicke-Höhe-Verhältnis kleiner als 0,55 aufweist. Nahfeldlinse (20, 120, 220) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Hauptkörper (22, 122, 222) eine zum Parallelrichten und Ablenken des Lichts (16, 116) konfigurierte äußere Radialwirkfläche (24, 124, 224) umfasst. Nahfeldlinse (20, 120, 220) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die innere Radialwirkfläche (32, 132, 232) das von der Tasche (30, 130, 230) kommende Licht (16, 116) bricht und das Licht (16, 116) anschließend durch die äußere Radialwirkfläche (24, 124, 224) reflektiert wird. Nahfeldlinse (20, 120, 220) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die äußere Radialwirkfläche (24, 124, 224) einer numerisch generierten Kurve folgt. Nahfeldlinse (20, 120, 220) für Fahrzeugbeleuchtungsbaugruppen mit einer Lichtquelle (10, 110), wobei die Linse das Licht (16, 116) entlang einer Längsachse (14, 114) nach außen lenkt, umfassend:

– einen Hauptkörper (22, 122, 222) aus lichtleitendem Material;

– eine in den Hauptkörper (22, 122, 222) eingeformte Tasche (30, 130, 230) zum Empfangen des Lichts (16, 116) von der Lichtquelle (10, 110), wobei die Tasche (30, 130, 230) durch eine innere Radialwirkfläche (32, 132, 232) und eine innere Axialwirkfläche (34, 134, 234) definiert ist;

– wobei die innere Radialwirkfläche (32, 132, 232) zwischen einem in Strahlrichtung vorgeordneten Punkt (36) und einem in Strahlrichtung nachgeordneten Punkt (38) gekrümmt ist und eine Tangente (15) der Kurve im in Strahlrichtung nachgeordneten Punkt (38) allgemein parallel zur Längsachse (14, 114) verläuft.
Nahfeldlinse (20, 120, 220) nach Anspruch 12, wobei die innere Radialwirkfläche (32, 132, 232) einem Kreisbogen folgt. Nahfeldlinse (20, 120, 220) nach Anspruch 12 oder 13, wobei die gesamte innere Radialwirkfläche (32, 132, 232) gekrümmt ist. Nahfeldlinse (20, 120, 220) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die innere Axialwirkfläche (34, 134, 234) gekrümmt ist, wobei eine Steigung der Krümmung der inneren Axialwirkfläche (34, 134, 234) größer als eine Steigung der Krümmung der inneren Radialwirkfläche (32, 132, 232) ist. Nahfeldlinse (20, 120, 220) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei der Hauptkörper (22, 122, 222) ein Dicke-Höhe-Verhältnis kleiner als 0,60 aufweist. Nahfeldlinse (20, 120, 220) nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei der Hauptkörper (22, 122, 222) ein Dicke-Höhe-Verhältnis kleiner als 0,55 aufweist. Nahfeldlinse (20, 120, 220) nach einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei der Hauptkörper (22, 122, 222) eine zur Längsachse (14, 114) allgemein senkrechte äußere Axialwirkfläche (26, 126, 226) enthält. Nahfeldlinse (20, 120, 220) nach einem der Ansprüche 12 bis 18, wobei der Hauptkörper (22, 122, 222) eine äußere Axialwirkfläche (26, 126, 226) mit einem geneigten äußeren Abschnitt (126a) enthält, der zur Längsachse (14, 114) abgewinkelt ist. Nahfeldlinse (20, 120, 220) nach einem der Ansprüche 12 bis 19, wobei der Hauptkörper (22, 122, 222) eine äußere Axialwirkfläche (26, 126, 226) mit einer Vielzahl von Strahlausbreitungskissen (227) enthält. Nahfeldlinse (20, 120, 220) nach einem der Ansprüche 12 bis 20, wobei der in Strahlrichtung nachgeordnete Punkt (38) der radial innerste Punkt der inneren Radialwirkfläche (32, 132, 232) ist.






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