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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine solche Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung ist aus der
DE 10 2005 046 538 A1 bekannt. Dort wird ein flächiger Lichtleiter für eine Kraftfahrzeug-Innenleuchte beschrieben, der auf seiner Rückseite Auskoppelelemente und auf seiner als Lichtaustrittsfläche dienenden Vorderseite optische Elemente zum Bündeln von Licht besitzt. Im Ergebnis erlaubt dieser bekannte Lichtleiter eine Auskopplung von kollimierten Lichtbündeln. Ein Nachteil des bekannten Lichtleiters besteht darin, dass die zur Lichtbündelung dienenden und auf der Vorderseite angeordneten Elemente die Ausbreitung von Licht stören, das nicht ausgekoppelt werden soll.
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Dieser Nachteil tritt bei der ebenfalls bekannten
EP 1 992 868 A1 nicht auf. Diese Schrift zeigt einen flächigen Lichtleiter mit seitlich abstrahlenden Leuchtdioden, die in Ausnehmungen des Lichtleiters in einer Einkoppelzone des Lichtleiters angeordnet sind. Der Lichtleiter besitzt die Form einer Platte mit einer jeweils vergleichsweise großen Länge und Breite und einer vergleichsweise geringen Dicke. Die Einkoppelzone ist längs einer Breite des Lichtleiters angeordnet und weist zwei parabolisch geformte Bereiche auf, deren Außenränder metallisch verspiegelt sind. Zwischen dem parabolischen Rand und dem übrigen flächigen Lichtleiter befindet sich jeweils eine Leuchtdiode, die im Inneren einer Ausnehmung aus dem Lichtleitermaterial angeordnet ist und die ihr Licht ring- oder kreisförmig zur Seite in das umgebende Lichtleitermaterial einstrahlt.
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Die Leuchtdiode beleuchtet damit jeweils den parabolisch geformten und verspiegelten Rand und koppelt darüber hinaus in den auf der anderen Seite der Leuchtdiode liegenden flächigen Lichtleiter direkt Licht ein. Das am parabolischen Rand reflektierte Licht wird, unter der Voraussetzung, dass die Leuchtdiode im Brennpunkt der Parabel angeordnet ist, parallel ausgerichtet und propagiert damit als paralleles Licht oder zumindest als Licht mit verringerter Divergenz in dem übrigen flächigen Lichtleiter weiter.
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Von diesem Stand der Technik unterscheidet sich die vorliegende Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung weist erste Ausnehmungen auf, die in einem Licht leitenden Volumen des Lichtleiters zwischen einer Lichteintrittsfläche und einer Lichtaustrittsfläche angeordnet sind. Die ersten Ausnehmungen weisen aktive Grenzflächen auf, an denen auftreffendes Licht interne Totalreflexionen oder Lichtbrechungen erfährt. Dabei sind die aktiven Grenzflächen so angeordnet, dass sich eine Divergenz des Lichtes verringert, das sich im Lichtleiter von der Lichteintrittsfläche aus divergent ausbreitet. Die Verringerung der Divergenz ergibt sich dabei als Folge der genannten Totalreflexionen und/oder Lichtbrechungen.
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Dadurch, dass die Divergenz des Lichtes, das sich in dem Lichtleiter von der Lichteintrittsfläche aus divergent ausbreitet, als Folge der an den aktiven Grenzflächen erfolgenden Totalreflexionen und/oder Lichtbrechungen verringert, müssen für die erwünschte Bündelung nur geringe Energieverluste in Kauf genommen werden. Dies ergibt sich daraus, dass bei internen Totalreflexionen nahezu 100% des auftreffenden Lichtes reflektiert werden und dass bei den Lichtbrechungen nur Fresnel-Verluste von etwa 4% pro Grenzfläche auftreten.
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Im Gegensatz dazu liegt der Reflexionsgrad einer metallisch bedampften Fläche, wie sie bei der
EP 1 992 868 A1 verwendet wird, deutlich unter 100%, meist bei etwa 85%. Daher müssen beim Stand der Technik größere Lichtverluste in Kauf genommen werden, als bei der vorliegenden Erfindung. Die Erfindung besitzt damit den Vorteil eines besseren Wirkungsgrades. Der Wirkungsgrad kann dabei als Quotient des Lichtstroms durch die Lichtaustrittsfläche im Zähler und des von der Lichtquelle abgestrahlten Lichtstroms im Nenner definiert werden.
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Vorteilhaft ist auch, dass die Erfindung im Gegensatz zum Stand der Technik nach der
EP 1 992 868 A1 einen aufwändigen Verspiegelungsprozess bei der Herstellung des Lichtleiters nicht erfordert. Beim Gegenstand der
EP 1 992 868 A1 müssen dagegen alle transparenten Bereiche des Lichtleiters nach dem Spritzgießen abgedeckt werden, so dass nur der zu verspiegelnde Bereich offen bleibt und anschließend bedampft wird.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass Licht, das sich von der Lichteintrittsfläche aus divergent in dem Lichtleiter ausbreitet, durch eine dicht vor der Lichteintrittsfläche angeordnete, als Halbraumstrahler Licht abstrahlende Halbleiterlichtquelle erzeugt wird, und dass die Lichteintrittsfläche so ausgestaltet ist, dass sich das genannte Licht im Lichtleiter längs einer Hauptausbreitungsrichtung divergent ausbreitet.
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Die Vorteile werden wieder im Vergleich mit dem Gegenstand der
EP 1 992 868 A1 deutlich. Bei diesem Gegenstand wird eine kreisförmig abstrahlende side emitting LED als Halbleiterlichtquelle verwendet. Durch die kreisförmige Abstrahlung ergibt sich dann zunächst keine Vorzugsrichtung in der Lichtausbreitung und damit auch keine Hauptausbreitungsrichtung. Auch die Einkopplung des abgestrahlten Lichtes in den Lichtleiter bewirkt aufgrund der Rotationssymmetrie keine Bündelung. Daher muss zumindest die Hälfte des emittierten Lichtstroms an der verspiegelten und parabolischen Fläche reflektiert werden, so dass bereits das Umlenken des Lichtes in den durch die gewünschte, in der Längsausdehnung des Lichtleiters liegende Hauptausbreitungsrichtung vorgegebenen Halbraum zu einem Verlust von etwa 7,5% der abgestrahlten Lichtenergie führt. Der Wert von 7,5% ergibt sich dabei dadurch, dass die Hälfte des Lichtes der Leuchtdiode mit eine Wirkungsgrad von 85% an den parabolischen Grenzflächen reflektiert wird.
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Dadurch, dass bei der genannten Ausgestaltung der Erfindung eine als Halbraumstrahler Licht abstrahlende Halbleiterlichtquelle verwendet wird, wird das Licht direkt mit einer in die Hauptausbreitungsrichtung weisenden Richtungskomponente in den Lichtleiter eingekoppelt. Dadurch entfallen die beim Stand der Technik für die Umlenkung von ca. 50% des Lichtes aufzuwendenden Lichtverluste.
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Durch die dichte Anordnung vor der Lichteintrittsfläche kann nahezu alles von der Halbleiterlichtquelle in den Halbraum emittierte Licht in den Lichtleiter eingekoppelt werden. Dabei wird unter einer dichten Anordnung eine Anordnung verstanden, bei der der Abstand zwischen der Lichtaustrittsfläche der Halbleiterlichtquelle und der Lichteintrittsfläche des Lichtleiters kleiner ist als laterale Abmessungen der Lichtaustrittsfläche der Halbleiterlichtquelle.
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Durch die beim Einkoppeln in das optisch dichtere Material des Lichtleiters auftretende, zum Lot hin erfolgende Lichtbrechung erfolgt bereits bei der Einkoppelung eine gewünschte Bündelung. Für typische Lichtleitermaterialien wie PMMA (Polymethylmetacrylat) oder PC (Polycarbonat) verringert sich der Öffnungswinkel des Lichtkegels, jeweils gemessen von einer Mittelachse des Lichtausbreitungskegels, von etwa 90° in Luft auf etwa 40° im Lichtleitermaterial.
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Diese vergleichsweise starke Bündelung wird erzielt, ohne dass dafür zusätzliche, über die beim Einkoppeln auftretenden Fresnel-Verluste hinausgehenden Verluste in Kauf genommen werden müssen. Insgesamt trägt damit auch diese Ausgestaltung erheblich zu dem verbesserten Wirkungsgrad bei.
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Eine weitere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Lichtleiter eine ebene Platte oder eine im Raum gekrümmte Platte ist, deren zwischen der Austrittsfläche und der ihr gegenüberliegenden Fläche liegende Plattendicke kleiner ist als eine in Hauptausbreitungsrichtung des im Lichtleiter propagierenden Lichtes liegende Plattenlänge und kleiner ist als eine quer zu dieser Hauptausbreitungsrichtung und quer zur Plattendicke liegende Plattenbreite.
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Dadurch, dass die Erfindung sowohl bei ebenen als auch bei gekrümmten Platten funktioniert, ergibt sich ein großer Gestaltungsspielraum beim Design der Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung.
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Bevorzugt ist auch, dass die aktiven Grenzflächen so angeordnet sind, dass sich die Divergenz in einer Ebene verringert, die zwischen der Lichtaustrittsfläche und einer ihr gegenüberliegenden Fläche liegt, insbesondere in einer zur Lichtaustrittsfläche parallelen Ebene.
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Durch diese Ausgestaltung wird eine homogene Verteilung der Lichtenergie über die Lichtaustrittsfläche erzielt. Das ist von Vorteil, weil es eine homogene Verteilung auszukoppelnden Lichtes über der genannten Fläche erleichtert. Die homogene Verteilung von auszukoppelndem Licht trägt dazu bei, dass eine Lichtaustrittsfläche als gleichmäßig leuchtend empfunden wird.
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Im inneren und damit zentraleren Bereich des Ausbreitungskegels des im Lichtleiter propagierenden Lichtes ist die wenigstens eine erste Ausnehmung so angeordnet, dass sie die Divergenz des Lichtes durch eine bündelnde Brechung verringert. Die bündelnde Brechung wird bevorzugt durch eine Ausgestaltung der wenigstens einen im inneren Bereich liegenden Ausnehmung als Fresnel-Linse erzielt. Es hat sich gezeigt, dass damit gerade im Inneren Bereich eine gute und effiziente Bündelung erzielt werden kann.
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Um Lichtverluste zu minimieren, die durch aus den Ausnehmungen heraus in die Umgebung des Lichtleiters gestreutes Licht bedingt sind, sieht eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung vor, dass die Ausnehmungen, die die innere Fresnel-Linse bilden, durch eine spiegelnd reflektierende Platte abgedeckt sind. Bei Ausnehmungen, die sich über die gesamte Dicke des Lichtleiters erstrecken, sieht eine Ausgestaltung eine Abdeckung der Ausnehmungen durch spiegelnd reflektierende Platten auf beiden Seiten des Lichtleiters vor.
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Dabei ist bevorzugt, dass die spiegelnd reflektierenden Platten die Ausnehmungen möglichst anliegend abdecken, um möglichst viel Licht über eine Lichteintrittsfläche der Ausnehmung wieder in den Lichtleiter eintreten zu lassen.
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Im äußeren Randbereich des Ausbreitungskegels des im Lichtleiter propagierenden Lichtes ist die interne Totalreflexion gut dazu geeignet, die Divergenz des Lichtes zu verringern. Daher sieht eine weitere bevorzugte Ausgestaltung vor, dass in einem äußeren Randbereich eines Ausbreitungskegels des im Lichtleiter propagierenden Lichtes erste Ausnehmungen so angeordnet sind, dass an ihren aktiven Grenzflächen interne Totalreflexionen erfolgen.
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Bevorzugt ist auch, dass der Lichtleiter im Lichtweg hinter den ersten Ausnehmungen zweite Ausnehmungen aufweist, an deren Grenzflächen Licht in vorbestimmter Weise gestreut wird. Dadurch lässt sich eine vorbestimmte Streubreite der Richtungen des im Lichtleiter weiter propagierenden Lichtes erzeugen, falls eine solche Streubreite erwünscht ist. Dadurch, dass diese Streubreite erst nach der durch die ersten Ausnehmungen erzeugten Kollimation erfolgt, kann die Streubreite recht einfach durch gleichmäßig verteilte und periodische Strukturen erzeugt werden, die wegen ihrer gleichmäßigen Anordnung und/oder Periodizität das Erscheinungsbild der Beleuchtungseinrichtung nicht negativ beeinflussen.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Lichtleiter auf einer der Lichteintrittsfläche gegenüberliegenden Ebene Lichtumlenkelemente aufweist, die auftreffendes Licht in einem Winkel auf die Lichtaustrittsfläche lenken, unter dem das Licht dort keine interne Totalreflexion erfährt, sondern ausgekoppelt wird. Die Lichtumlenkelemente nutzen bevorzugt interne Totalreflexionen zur Umlenkung des Lichtes. Auf diese Weise wird ein hoher Wirkungsgrad der Lichtumlenkung und damit der Lichtauskopplung erzielt, wobei dieser Vorteil mit der Möglichkeit verbunden ist, eine glatte Lichtaustrittsfläche zu verwenden.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Lichteintrittsfläche in Richtung der Plattenbreite eben und in Richtung der Plattendicke als Sammellinse ausgestaltet ist. Durch diese Ausgestaltung wird das in den Lichtleiter eintretende Licht zusätzlich in einer zur Lichtaustrittsfläche senkrechten Ebene gebündelt. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Sammellinse als Fresnel-Linse realisiert. Durch diese Bündelung ist der Winkel, unter dem das im Lichtleiter propagierende Licht auf die Lichtaustrittsfläche und/oder auf Auskoppelungsstrukturen auf der der Lichtaustrittsfläche gegenüberliegenden Rückseite des Lichtleiters trifft, weniger von der Entfernung von der Lichtquelle abhängig. Dadurch wird eine gleichmäßige und homogen verteilte Auskopplung des Lichtes mit gleichmäßig verteilten Auskoppelstrukturen erleichtert. Dies ist aus gestalterischen Gründen erwünscht.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigen, jeweils in schematischer Form:
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1 das technische Umfeld der Erfindung in Form einer stark schematisierten Kraftfahrzeug-Beleuchtungseinrichtung;
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2 einen aus der Beleuchtungseinrichtung der 1 herausgelösten Lichtleiter;
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3 eine vergrößerte Darstellung des Einkoppelbereichs und einer Kollimationsstruktur des Lichtleiters aus der 2;
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4 einen Querschnitt einer Ausgestaltung eines Lichtleiters mit einer Kollimationsstruktur und Auskoppelstrukturen;
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5 Querschnitte von Ausgestaltungen von Lichtleitern, die sich in der Form ihrer Lichteintrittsfläche unterscheiden;
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6 Ausgestaltungen von Lichtleitern, die sich durch ihre Krümmung im Raum unterscheiden, und
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7 eine weitere Ausgestaltung eines Lichtleiters, die zweite Ausnehmungen zur Erzielung einer vorbestimmten Streubreite des im Lichtleiter propagierenden Lichtes aufweist.
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Gleiche Bezugszeichen verweisen dabei in den verschiedenen Figuren jeweils auf gleiche oder zumindest ihrer Funktion nach gleiche Elemente.
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Im Einzelnen zeigt die 1 eine Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung 10 mit einem Gehäuse 12. Das Gehäuse 12 ist zu einer Seite hin offen, wobei die Öffnung durch eine transparente Abdeckscheibe 14 abgedeckt ist. Im Inneren des Gehäuses 12 ist ein Lichtleiter 16 angeordnet, der insbesondere eine Lichteintrittsfläche 18 und eine Lichtaustrittsfläche 20 aufweist. Die Lichtaustrittsfläche 20 wird durch die transparente Abdeckscheibe 14 abgedeckt, so dass aus der Lichtaustrittsfläche 20 des Lichtleiters 16 austretendes Licht durch die transparente Abdeckscheibe 14 hindurch in ein Vorfeld der Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung 10 abgestrahlt wird.
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An der Lichteintrittsfläche 18 ist eine Lichtquelle 22 so angeordnet, dass von der Lichtquelle 22 emittiertes Licht 24 über die Lichteintrittsfläche 18 in ein Licht leitendes Volumen des Lichtleiters 16 eingekoppelt wird. Das Licht leitende Volumen liegt zwischen der Lichteintrittsfläche 18 und der Lichtaustrittsfläche 20 des Lichtleiters 16. In das Licht leitende Volumen eingekoppeltes Licht 24 propagiert im Lichtleiter 16 und erfährt an dessen Innenflächen jeweils interne Totalreflexionen.
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Ein Teil des Lichtes 24 fällt auf Auskoppelstrukturen in Form von Lichtumlenkelementen 26, die bevorzugt in einer Grenzfläche oder Rückseite des Lichtleiters 16 angeordnet sind, die seiner Lichtaustrittsfläche 20 gegenüberliegt. Die Lichtumlenkelemente 26 zeichnen sich dadurch aus, dass sie das auf sie einfallende Licht 24 so umlenken, dass dieses beim nächsten Auftreffen auf die Lichtaustrittsfläche 20 dort unter einem Winkel einfällt, bei dem keine interne Totalreflexion mehr erfolgt, so dass das Licht 24 aus der Lichtaustrittsfläche 20 austritt.
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Bei der Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung 10 kann es sich um einen Scheinwerfer, eine Signalleuchte oder eine Innenleuchte eines Kraftfahrzeugs handeln. Ein Scheinwerfer eines Kraftfahrzeugs zeichnet sich dadurch aus, dass er einen Lichtstrom emittiert, der stark genug ist, das Vorfeld des Scheinwerfers zu beleuchten, so dass der Fahrer Hindernisse im Fahrweg erkennen kann. Beispiele von Scheinwerferlichtfunktionen sind Abblendlichtfunktionen, Fernlichtfunktionen, Stadtlichtfunktionen, Landstraßenlichtfunktionen, Autobahnlichtfunktionen und Nebellichtfunktionen, ohne dass diese Aufzählung als abschließend verstanden werden soll.
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Signalleuchten emittieren ein im Vergleich dazu in der Regel schwächeren Lichtstrom, der lediglich dazu dient, anderen Verkehrsteilnehmern Absichten des Fahrers oder das Vorhandensein des Kraftfahrzeugs oder dessen Verhalten zu signalisieren. Beispiele von Signallichtfunktionen sind Blinklichtfunktionen, Bremslichtfunktionen, Seitenmarkierungslichtfunktionen, Positionslichtfunktionen, Tagfahrlichfunktionen usw. Die Signalleuchten können als separate Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtungen realisiert sein, oder sie können alternativ auch als Signallichtmodule in einen Scheinwerfer integriert sein, der darüber hinaus weitere Lichtmodule zur Erfüllung seiner weiteren Lichtfunktionen aufweist.
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In diesem jeweiligen Umfeld wird die Erfindung bevorzugt zur Erzeugung einer Signallichtverteilung verwendet. Die Erfindung erlaubt die Auskopplung kollimierter Lichtbündel aus flächigen Lichtleitern, was die Erzeugung vorgeschriebener Signallichtverteilungen erleichtert. Mit anderen Worten: In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Beleuchtungseinrichtung eine Signalleuchte.
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Darüber hinaus eignet sich die Erfindung auch zur Realisierung von Innenleuchten von Kraftfahrzeugen, um dort eine bestimmte Lichtverteilung, zum Beispiel eine lokale, den Fahrer nicht blendende Leselichtverteilung für einen Beifahrer zu erzeugen. In einer alternativen, besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Beleuchtungseinrichtung demnach eine Innenleuchte eines Kraftfahrzeuges.
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Für alle diese Ausgestaltungen ist es ein Vorteil, dass die Verwendung eines flächigen Lichtleiters die gestalterische Freiheit beim Entwurf der Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung vergrößert.
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2 zeigt einen aus der Beleuchtungseinrichtung 10 der 1 herausgelösten Lichtleiter 16 aus einer Blickrichtung, die ungefähr der Gegenrichtung des aus der Beleuchtungseinrichtung 10 der 1 austretenden Lichtes 24 entspricht. Mit anderen Worten: Bei der Darstellung der 1 liegt die Lichtaustrittsfläche 20 des Lichtleiters 16 in der Zeichenebene. Das Licht leitende Volumen des Lichtleiters 16 befindet sich insofern zwischen seiner Lichteintrittsfläche 18 und der Lichtaustrittsfläche 20. Der Lichtleiter 16 besteht aus transparentem Material mit einer Brechzahl, die groß genug ist, um interne Totalreflexionen für einen weiten Bereich von Auftreffwinkeln erfolgen zu lassen. Beispiele solcher Materialien sind Glas und transparente Kunststoffe. Im Automobilbereich besonders bevorzugte Materialien sind PMMA (Polymethylmethacrylat) und PC (Polycarbonat), die sich beide durch Spritzgießen verarbeiten lassen.
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Die Beleuchtungseinrichtung 10 weist in einer Ausgestaltung einen einzelnen Lichtleiter 16 und in einer alternativen Ausgestaltung mehrere Lichtleiter 16 auf. Die mehreren Lichtleiter liegen dabei zum Beispiel nebeneinander. In der Darstellung der 2 bedeutet dies, dass rechts und/oder links vom dargestellten Lichtleiter wenigstens ein weiterer Lichtleiter angeordnet ist, der die gleichen Merkmale aufweist, wie der Lichtleiter 16, aber in seiner äußeren Form von der Form des Lichtleiters 16 abweichen kann, zum Beispiel um die Form der leuchtenden Lichtleiterfläche an gestalterische Vorgaben und/oder vorgesehene Konturen der Beleuchtungseinrichtung 10 anzupassen.
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Die Lichtquelle 22 ist bevorzugt eine Halbleiterlichtquelle, insbesondere eine Leuchtdiode (LED) oder ein Lichtaustrittsende eines weiteren Lichtleiters. Beide Ausgestaltungen erlauben eine dichte Anordnung der Lichtquelle 22 vor der Lichteintrittsfläche, was für eine Einkopplung eines möglichst großen Anteils des von der Lichtquelle oder von dem Lichtaustrittsende emittierten Lichtes in den Lichtleiter 16 günstig ist. Aus dem gleichen Grund wird als Lichtquelle 22 bevorzugt ein Halbraumstrahler verwendet.
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An Stelle einer einzelnen LED kann die Lichtquelle 22 auch mehrere LED und/oder Lichtaustrittsenden weiterer Lichtleiter aufweisen. Die LED sind auf einem Schaltungsträger montiert, auf dem neben den LED auch Elemente wie Leiterbahnen und/oder Bonddrähte und auch weitere elektronische Bauteile angeordnet sein können. Die Schaltungsträger sind je nach Montagegeometrie flexibel oder starr ausgebildet. Der Schaltungsträger kann eine oder mehrere Vorrichtungen zur Durchführung der Wärme der LED an einen auf der Rückseite des Schaltungsträgers angeordneten Kühlkörper enthalten. Alternativ kann ein Schaltungsträger mit integriertem Kühlkörper, beispielsweise in Form einer Metallkernplatine, verwendet werden. Ferner kann das Modul eine oder mehrere optische Komponenten enthalten, die das Licht zur Einkopplung in den Lichtleiter bündeln. Mit geeigneten Mitteln werden die beschriebenen Komponenten zu einem Modul verbunden.
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Die Lichteintrittsfläche 18 ist bevorzugt so ausgestaltet, dass sich das eingekoppelte Licht im Lichtleiter 16 längs einer Hauptausbreitungsrichtung 28 divergent ausbreitet. Dabei wird der Öffnungswinkel des Ausbreitungskegels des Lichtes bereits durch die bei der Einkopplung über die Lichteintrittsfläche 18 als Folge der beim Übergang in ein optisch dichteres Medium auftretenden, zum Lot hin erfolgenden, Brechung verringert. Unter dem Öffnungswinkel wird hier der Winkel zwischen der senkrecht auf der Lichteintrittsfläche 18 stehenden Hauptausbreitungsrichtung 28 und den Randstrahlen des Ausbreitungskegels verstanden. Bei einem Halbraumstrahler ist dieser Winkel in Luft bis zu 90° groß und verringert sich durch die brechende Wirkung beim Übergang in den Lichtleiter 16 auf einen Wert im Bereich von ca. 40°, wobei dieser Wert vom Brechungsindex des Lichtleitermaterials abhängig ist. Der Wert von etwa 40° +/– einige Grad gilt dabei für PC und PMMA.
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In der Ausgestaltung, die in der 2 dargestellt ist, ist die Lichteintrittsfläche 18 in Richtung einer Plattenbreite b eben geformt. Eine davon abweichende konvexe Ausgestaltung der Lichteintrittsfläche 18 würde eine stärkere Bündelung des in den Lichtleiter 16 eingekoppelten Lichtes bewirken. Allerdings würde dieser Vorteil damit erkauft werden, dass weniger Licht in den Lichtleiter 16 eingekoppelt wird als bei einer ebenen Ausgestaltung der Lichteintrittsfläche 18. Dies liegt daran, dass bei einer konvexen Ausgestaltung im Ausbreitungskegel weit außen liegende Strahlen nicht mehr über die Lichteintrittsfläche 18 eingekoppelt, sondern von dieser streifend wegreflektiert werden.
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Um den Anteil des auf diese Weise wegreflektierten Lichtes möglichst gering zu halten, wäre es auch denkbar, die Lichteintrittsfläche 18 längs der Breite b konkav auszugestalten. Diese Ausgestaltung hätte jedoch den Nachteil, dass die Lichteintrittsfläche 18 dann aufgrund ihrer Form zerstreuend wirkt, was die an sich angestrebte Bündelung verringert.
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Im Ergebnis stellt die in Richtung der Breite b ebene Ausgestaltung der Lichteintrittsfläche 18 einen guten Kompromiss zwischen den Forderungen nach einem möglichst hohen Anteil an eingekoppeltem Licht und einer möglichst starken Bündelung dar, die bereits über die Lichteintrittsfläche 18 erfolgt. Eine alternative Ausgestaltung, die ebenfalls einen guten Kompromiss zwischen den genannten Forderungen darstellt, ergibt sich bei einer Ausgestaltung der Lichteintrittsfläche 18 als Fresnel-Linse.
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In Bezug auf seine Länge l lässt sich der Lichtleiter 16 in einen Einkoppel- und Kollimationsbereich 30 und einen Auskoppelbereich 32 unterteilen. In der dargestellten Ausgestaltung weist der Einkoppelbereich 30 in der Nähe der Lichteintrittsfläche 18 zunächst eine vergleichsweise geringe Breite auf und wird dann mit zunehmender Eindringtiefe des Lichtes in Richtung der Hauptausbreitungsrichtung 28 kontinuierlich breiter. Die Verbreiterung erfolgt bevorzugt so, dass der Winkel zwischen den auseinanderlaufenden Seitenflächen 34, 36 des Lichtleiters 16 in dem Einkoppelbereich 30 nicht kleiner als der Öffnungswinkel des Lichtausbreitungskegels im Lichtleiter 16 ist.
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Die Seitenflächen 34 und 36 besitzen keine wichtige optische Funktion und können auch gerade und parallel zueinander verlaufen, so dass der Lichtleiter 16 zum Beispiel eine Rechteckform besitzt. Die in diesem Fall vorhandenen Eckflächen zwischen der Lichteintrittsfläche 18 und den Seitenflächen 34, 36 können dann zum Beispiel für eine Befestigung des Lichtleiters 16 in der Beleuchtungseinrichtung 10 verwendet werden, da diese Bereiche nicht für eine Licht leitende Funktion benötigt werden.
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Bei der Ausgestaltung, die in der 2 dargestellt ist, erfolgt die Verbreiterung des Lichtleiters 16 in dessen Einkoppelbereich 30 solange, bis die Breite des sich im Inneren des Lichtleiters 60 ausbreitenden Lichtkegels die Breite b des Lichtleiters 16 erreicht hat. Der Lichtleiter 16 weist Kollimationsstrukturen 38 auf, die dazu eingerichtet sind, eine Divergenz von in dem Lichtleiter 16 von der Lichteintrittsfläche aus divergent propagierendem Licht zu verringern. Einzelheiten dieser Kollimationsstrukturen werden weiter unten unter Bezug auf die 3 näher erläutert.
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Das von den Kollimationsstrukturen 38 weitgehend im Sinne einer Parallelisierung gebündelte Licht propagiert dann weiter in den Lichtauskoppelbereich 32. Durch die Parallelisierung, die das Licht beim Durchlaufen der Kollimationsstrukturen 38 erfahren hat, ergibt sich eine erwünscht homogene Verteilung der Beleuchtungsintensität innerhalb des Auskoppelbereiches 32, wobei das Licht weitgehend parallel zur Hauptausbreitungsrichtung 28 fortschreitet. Dadurch werden auch die Lichtumlenkelemente 26 vergleichsweise homogen beleuchtet, was in der Folge zu einer homogenen Verteilung des durch die Reflexion von Licht an den Lichtumlenkelementen 26 aus der Lichtaustrittsfläche 20 ausgekoppelten Lichtes führt.
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3 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Einkoppelbereichs 30 und einer Kollimationsstruktur 38 des Lichtleiters 16. Die Kollimationsstrukturen 38 ergeben sich dadurch, dass das Licht leitende Volumen des Lichtleiters 16 erste Ausnehmungen 40 aufweist. Die ersten Ausnehmungen 40 zeichnen sich dadurch aus, dass sie aktive Grenzflächen 42 aufweisen, an denen auftreffendes Licht 24 interne Totalreflexionen oder Lichtbrechungen erfährt. Dabei sind die ersten Ausnehmungen 40 und ihre aktiven Grenzflächen 42 so angeordnet, dass sich eine Differenz von in dem Lichtleiter 16 von der Lichteintrittsfläche 18 aus divergent ausbreitendem Licht als Folge der an den aktiven Grenzflächen 42 erfolgenden Totalreflexionen oder Lichtbrechungen verringert. Die aktiven Grenzflächen sind bevorzugt als Flächen ausgestaltet, die auf Kegelschnitten wie Parabeln oder Ellipsen oder auch auf Kreisabschnitten basieren, oder sie sind als Freiformflächen ausgestaltet.
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Die ersten Ausnehmungen 40 weisen neben den aktiven Grenzflächen 42 weitere Grenzflächen auf, die keine bündelnde Wirkung entfalten und daher als passive Grenzflächen 44 betrachtet werden können. Die ersten Ausnehmungen 40 sind im Licht leitenden Volumen des Lichtleiters 16 bevorzugt dort angeordnet, wo die Breite des sich in dem Lichtleiter 16 divergent ausbreitenden Lichtes eine gewünschte Breite erreicht hat. Die gewünschte Breite ist in einer Ausgestaltung insbesondere die Breite b des Lichtleiters 16 in seinem Auskoppelbereich 32.
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Im Inneren des Ausbreitungskegels sind die ersten Ausnehmungen 40 bevorzugt so geformt, dass sie insgesamt wie eine Fresnel-Linse wirken, die aus einem optisch dünnen Medium wie Luft besteht, das in ein optisch dichteres Medium eingebettet ist. Beim Durchgang durch diese Fresnel-Linse erfährt das Licht zwei Brechungen an Grenzflächen, wobei jeweils entsprechende Fresnel-Verluste auftreten.
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Diese Verluste sind jedoch immer noch geringer als die bei Reflexionen an einer metallisch verspiegelten Oberfläche auftretenden Verluste. Darüber hinaus gilt, dass das Licht, das bei einer Reflexion an einer metallischen Oberfläche verloren geht, in andere Energieformen umgewandelt wird. Das Licht, das die Fresnel-Verluste darstellt, geht dagegen nur in die falsche Richtung. Es kann daher die Sichtbarkeit von Leuchten verbessern, was sich hier als Vorteil darstellt.
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In den weiter außen und damit weiter von der Hauptausbreitungsrichtung 28 des Lichtes 24 entfernt liegenden Bereichen des Ausbreitungskegels sind die ersten Ausnehmungen 40 bevorzugt so geformt, dass an ihren aktiven Grenzflächen 42 interne Totalreflexionen des auftreffenden Lichts erfolgen. Bei diesen Reflexionen findet kein Durchtritt durch eine oder mehrere Grenzflächen statt. Die Reflexionen erfolgen mit einem Wirkungsgrad von nahezu 100%, was insgesamt eine sehr effiziente, mit wenig Verlusten einhergehende Bündelung des Lichtes erlaubt.
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Die zur internen Totalreflexion dienenden ersten Ausnehmungen 40 besitzen bevorzugt einen Dreiecksquerschnitt mit einer langen Seite, die im Licht leitenden Volumen so angeordnet ist, dass an ihr interne Totalreflexionen erfolgen, bei denen das reflektierte Licht in die erwünschten Richtungen reflektiert wird. Darüber hinaus weisen die dreieckigen Querschnitte zwei kürzere Dreiecksseiten 44 auf, die als passive Grenzflächen lediglich dazu dienen, die Endpunkte der längeren Dreiecksseite unter Einschluss eines Luftvolumens zu verbinden, so dass sich längs der längeren Dreiecksseite eine aktive Grenzfläche ergibt.
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Die weiter außen liegenden ersten Ausnehmungen 40 sind relativ zueinander bevorzugt so angeordnet, dass dann, wenn man zwei benachbarte erste Ausnehmungen betrachtet, die obere Ecke der näher an der Hauptausbreitungsrichtung 28 liegenden ersten Ausnehmung den gleichen Abstand zur gestrichelt dargestellten Richtung 28 aufweist, wie die untere Ecke der weiter von der dargestellten Richtung 28 entfernt liegenden ersten Ausnehmung. Dadurch wird eine homogen verteilte Lichtintensität nach der Umlenkung an den außen liegenden ersten Ausnehmungen erzielt, was insgesamt zu einem homogenen Erscheinungsbild der leuchtenden Lichtaustrittsfläche 20 beiträgt.
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4 zeigt einen Querschnitt durch den Lichtleiter 16 aus der 2 längs der Linie IV-IV. 4 zeigt insbesondere die Lichtquelle 22, die dicht vor der Lichteintrittsfläche 18 des Lichtleiters 16 angeordnet ist und Licht 24 über die Lichteintrittsfläche 18 in das Licht leitende Volumen des Lichtleiters 16 einkoppelt. Das Licht 24 wird durch erste Ausnehmungen 40 der Kollimationsstruktur 38 in einer zur Lichtaustrittsfläche 20 parallelen Ebene 46 gebündelt, wie es im Zusammenhang mit den 2 und 3 erläutert worden ist.
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Dadurch verringert sich die Divergenz des in dem Lichtleiter 16 längs der Hauptausbreitungsrichtung 28 propagierenden Lichtes in der zur Lichtaustrittsfläche 20 parallelen Ebene 46. Das eingekoppelte Licht weist auch quer zu dieser Ebene 46 eine gewisse Divergenz auf, so dass das eingekoppelte Licht 24 auf Lichtumlenkelemente 26 trifft, die in einer Rückseite 48 des Lichtleiters 16 angeordnet sind. Dabei ist die Rückseite 48 des Lichtleiters 16 die der Lichtaustrittsfläche 20 gegenüberliegende Seite.
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Die Lichtumlenkelemente 26 können als Prismen, Kegel, Kugelabschnitte, Facetten, Kissen, Zylinder, polierte Flächen oder auch als matte Flächen realisiert sein. Darüber hinaus können die Lichtumlenkelemente 26 als Vertiefungen oder als Erhebungen aus der Rückseite 48 realisiert sein. Die 4 zeigt eine Ausgestaltung, bei der die Auskoppelstrukturen in Form von Lichtumlenkelementen 26 als prismenförmige Vertiefungen in dem Lichtleiter 16 realisiert sind.
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Der Lichtstrahl 50 veranschaulicht eine unerwünschte Auskopplung, die über die Öffnung einer ersten Ausnehmung 40 erfolgt. Die ersten Ausnehmungen 40 sollten in der Hauptausbreitungsrichtung 28 des Lichtes 24 nicht zu groß sein, da sonst ein Teil 50 des Lichtes, das sich im Lichtleiter 16 ausbreitet, zumindest wenn es nicht kollimiert ist, aus den Öffnungen der ersten Ausnehmungen 40 austreten kann. Je schmaler die ersten Ausnehmungen 40 in der Hauptausbreitungsrichtung 28 sind, desto weniger Austrittsverluste gibt es.
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Um diese Verluste weiter zu reduzieren, sieht eine Ausgestaltung vor, dass die ersten Ausnehmungen 40 auf wenigstens einer Seite, bevorzugt auf beiden Seiten 20, 48 des Lichtleiters 16 mit einer verspiegelten Platte abgedeckt sind. Dabei ist die Verspiegelung jeweils den Öffnungen der ersten Ausnehmungen 40 zugewandt, so dass Lichtstrahlen 50 durch die Verspiegelung daran gehindert werden, aus dem Lichtleiter 16 auszutreten.
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Eine Ausgestaltung der Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung 10 zeichnet sich dadurch aus, dass eine Rückseite 48 des Lichtleiters 16 wenigstens zu einem Teil einer farbigen Fläche, einer weißen oder farbigen und/oder matten und/oder reflektierenden Blende gegenüberliegt und/oder durch eine weitere Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung 10 so beleuchtet wird, dass das Licht der weiteren Lichtquelle über die Rückseite 48 in den Lichtleiter 16 eintritt und über dessen Lichtaustrittsfläche 20 austritt.
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Durch die Flächen und Blenden kann das Erscheinungsbild der Leuchte gestaltet werden. Eine farbige Hinterlegung lässt zum Beispiel die Lichtaustrittsfläche 20 bei nicht eingeschalteter Lichtquelle farbig erscheinen, wenn Licht von außen einfällt. Durch die weitere Lichtquelle können platzsparend mehrere Lichtfunktionen realisiert werden, die die gleiche Lichtaustrittsfläche verwenden.
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5 zeigt Ausgestaltungen möglicher Querschnitte durch den Lichtleiter 16 aus der 2 längs der Linie V-V. In der 5a ist die Lichteintrittsfläche 18 in Richtung der Plattendicke d eine Gerade. Aufgrund des Brechzahlunterschiedes wird das Licht 24 beim Eintreten in den Lichtleiter 16 zum Lot hin gebrochen, so dass sich der Öffnungswinkel des Lichtkegels verringert. Für eine als Halbraumstrahler ausgestaltete Halbleiterlichtquelle in Form einer LED als Lichtquelle 22 und PMMA oder PC als Material des Lichtleiters 16 verringert sich der Öffnungswinkel von ca. 90° in Luft auf ca. 40° im Lichtleiter 16. Dabei beziehen sich diese Angaben jeweils auf den Winkel zwischen einer zentralen Hauptausbreitungsrichtung 28, zum Beispiel einer Rotationsachse eines rotationssymetrischen Lichtkegels, und einem Randstrahl des Lichtkegels.
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5b zeigt eine alternative Ausgestaltung, bei der die Lichteintrittsfläche 18 in Richtung der Plattendicke d als Sammellinse ausgestaltet ist. Die Ausgestaltung als Sammellinse ergibt sich dabei durch die in Richtung der Plattendicke konvexe Form. Alternativ zu einer Realisierung durch eine konvexe Form kann die Sammellinse auch als Fresnel-Linse realisiert sein. Dies gilt sowohl für die Richtung der Plattendicke d in 5 als auch für die dazu orthogonale Ausdehnung der Lichteintrittsfläche 18 in Richtung der Lichtleiterbreite b.
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5c zeigt eine Ausgestaltung, bei der die Lichteintrittsfläche 18 als Fresnel-Linse ausgestaltet ist.
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Die 6 zeigt Ansichten von Ausgestaltungen erfindungsgemäßer Lichtleiter 16, bei denen die Lichteintrittsfläche 18 dem Betrachter zugewandt ist. 6a zeigt eine Ausgestaltung, bei der der Lichtleiter 16 als ebene Platte realisiert ist. 6b zeigt eine dazu alternative Ausgestaltung, bei der der Lichtleiter 16 eine Krümmung in Richtung der Plattenbreite b aufweist. Alternativ oder ergänzend dazu kann der Lichtleiter 18 auch eine Krümmung in Richtung seiner Länge l aufweisen.
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7 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Lichtleiters 16. Der Lichtleiter 16 nach der 7 unterscheidet sich von dem Lichtleiter 16 der 2 und 3 dadurch, dass er im Lichtweg hinter den ersten Ausnehmungen 40 zweite Ausnehmungen 54 aufweist, an deren Grenzflächen Licht 24 in vorbestimmter Weise gestreut wird. Dadurch lässt sich eine vorbestimmte Streubreite der Richtungen des im Lichtleiter weiter propagierenden Lichtes erzeugen, falls eine solche Streubreite erwünscht ist. In der dargestellten Ausgestaltung sind die zweiten Ausnehmungen 54 gleichmäßig verteilt und periodisch angeordnet so dass sie das Erscheinungsbild der Beleuchtungseinrichtung nicht negativ beeinflussen.
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Die zweiten Ausnehmungen 54 können so angeordnet sein, wie es in der 7 dargestellt ist. Dann müssen Stege zwischen jeweils zwei benachbarten zweiten Ausnehmungen 54 vorhanden sein, um den Lichtleiter 16 zusammenhängend und damit einstückig herstellen zu können.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht dagegen vor, dass einige der zweiten Ausnehmungen 54 nicht in einer Reihe mit den übrigen zweiten Ausnehmungen 54 liegen, sondern darüber oder darunter angeordnet sind. Besonders bevorzugt ist, dass die zweiten Ausnehmungen 54 in zwei Reihen angeordnet sind, die einen Abstand voneinander aufweisen, wobei in einer Richtung quer zur Hauptausbreitungsrichtung 28 liegende zweite Ausnehmungen abwechselnd in der einen und der anderen Reihe angeordnet sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005046538 A1 [0002]
- EP 1992868 A1 [0003, 0008, 0009, 0009, 0011]