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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs zur Erzeugung von mindestens zwei unterschiedlichen Lichtverteilungen. Die Beleuchtungseinrichtung umfasst mindestens zwei Lichtquellen zum Aussenden von Licht und mindestens eine Vorsatzoptik zum Bündeln des von den Lichtquellen ausgesandten Lichts. Jeder der Lichtquellen ist eine der Lichtverteilungen zugeordnet.
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Aus dem Stand der Technik sind derartige Beleuchtungseinrichtungen für Fahrzeuge bekannt. Man unterscheidet dabei zwischen Scheinwerfern und Leuchten. Scheinwerfer sind ausschließlich im Frontbereich eines Fahrzeugs angeordnet. Sie dienen neben der Verkehrssicherheit durch eine Sichtbarmachung des Fahrzeugs für andere Verkehrsteilnehmer insbesondere der Ausleuchtung der Fahrbahn vor dem Fahrzeug in Form von Abblendlicht, Nebellicht, Fernlicht oder einer beliebig anderen geeigneten Lichtverteilung, um die Sicht für den Fahrer zu verbessern. Scheinwerfer können als Lichtquelle mindestens eine Glühlampe, Gasentladungslampe oder Halbleiterlichtquelle (z. B. Leuchtdiode) aufweisen. Es ist möglich, dass ein Scheinwerfer durch eines oder mehrere darin angeordnete Lichtmodule unterschiedliche Lichtverteilungen erzeugen kann. Scheinwerfer können nach einem Reflexionsprinzip arbeiten, wobei von einer Lichtquelle ausgesandtes Licht durch einen Reflektor auf die Fahrbahn vor das mit dem Scheinwerfer ausgestattete Fahrzeug zur Erzeugung einer gewünschten Lichtverteilung reflektiert wird. Alternativ können Scheinwerfer auch nach einem Projektionsprinzip arbeiten, wobei das von einer Primäroptik (z. B. einem Reflektor oder einer Vorsatzoptik) gebündelte Licht durch eine Sekundäroptik (z. B. eine Projektionslinse) zur Erzeugung der gewünschten Lichtverteilung auf die Fahrbahn vor das Fahrzeug projiziert wird.
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Leuchten dienen überwiegend der Verkehrssicherheit durch Sichtbarmachung des Fahrzeugs für andere Verkehrsteilnehmer. Die Leuchten können verschiedene Leuchtenfunktionen erfüllen und müssen gemäß gesetzlicher Vorgaben auch farbig leuchten. So werden Bugleuchten im Frontbereich des Fahrzeugs beispielsweise zur Erzeugung eines weiß leuchtenden Positionslichts, Begrenzungslichts oder Tagfahrlichts, bzw. eines gelb oder orangefarben leuchtenden Blinklichts eingesetzt. Die Bugleuchten können dabei im Scheinwerfer integriert sein, sie können aber auch als separate Leuchten ausgebildet sein. Heckleuchten werden im Heckbereich des Fahrzeugs beispielsweise zur Erzeugung eines rot leuchtenden Bremslichts oder Rücklichts, eines gelb oder orangefarbenen Blinklichts oder eines weiß leuchtenden Rückfahrlichts eingesetzt. Als Lichtquellen weisen Leuchten üblicherweise Glühlampen oder Halbleiterlichtquellen (zum Beispiel Leuchtdioden) auf. Leuchten arbeiten üblicherweise nach dem Reflexionsprinzip und weisen eine Primäroptik (z. B. ein Reflektor oder eine Vorsatzoptik) zum Bündeln des von der Lichtquelle ausgesandten Lichts auf.
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Insbesondere bei Verwendung von Halbleiterlichtquellen umfasst die Primäroptik in der Regel mindestens eine Vorsatzoptik, die in einer Hauptabstrahlrichtung der Lichtquellen vor diesen angeordnet ist. Die Vorsatzoptik besteht vorzugsweise aus einem transparenten Material, insbesondere Kunststoff, und weist totalreflektierende Eigenschaften auf. Das von den Lichtquellen ausgesandte Licht wird über eine oder mehrere Lichteintrittsflächen in die Vorsatzoptik eingekoppelt, zumindest ein Teil des eingekoppelten Lichts an Grenzflächen der Vorsatzoptik totalreflektiert und über eine oder mehrere Lichtaustrittsflächen aus der Vorsatzoptik ausgekoppelt. Durch Brechung an den Lichteintritts- und -austrittsflächen sowie durch die Totalreflexion an den Grenzflächen wird das von den Lichtquellen ausgesandte Licht gebündelt.
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Aus der
DE 10 2004 036 850 A1 ist eine Vorsatzoptik bekannt, die einer Glühlampe als Lichtquelle zugeordnet ist. Neben dem Bündeln von Lichtstrahlen kann in die Vorsatzoptik auch eine Streufunktion integriert sein (vgl. z. B.
US 7 222 995 B1 ). Eine Vorsatzoptik umfasst in der Regel eine der Lichtquelle zugeordnete Linse im inneren Bereich der Vorsatzoptik (vgl.
DE 197 28 354 A1 ) und zusätzlich äußere reflektierende, bevorzugt totalreflektierende, Grenzflächen. An der Lichtaustrittsfläche der Vorsatzoptik kann eine ebene Fläche (vgl.
DE 197 28 354 A1 ), eine Fresnel-Struktur (vgl.
US 2006 0044 806 A1 und
DE 197 28 354 A1 ), eine Freiformfläche oder auch eine Streustruktur (vgl.
US 7 222 995 B1 ) ausgebildet sein. Es kann auch an der Lichteintrittfläche der Vorsatzoptik eine Fresnellinse vorgesehen sein (vgl.
EP 1 746 339 A1 ).
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Bei der Beleuchtungseinrichtung der eingangs genannten Art dient das Licht einer ersten Lichtquelle zur Erzeugung einer ersten Lichtverteilung, und das Licht einer weiteren Lichtquelle dient zur Erzeugung einer von der ersten Lichtverteilung abweichenden weiteren Lichtverteilung. Die Lichtverteilungen können sich in der Farbe des Lichts, in der horizontalen und/oder vertikalen Erstreckung oder dem Umriss der Lichtverteilungen, in dem Wert der maximalen Beleuchtungsstärken, in dem Ort der maximalen Beleuchtungsstärken innerhalb der Lichtverteilungen, in einem Verlauf von Linien gleicher Beleuchtungsstärke (der sog. Isolux-Linien) innerhalb der Lichtverteilungen, dem Vorhandensein, der Ausgestaltung, dem Verlauf und/oder der Position einer Helldunkelgrenze oder durch beliebig andere Charakteristika unterscheiden. Üblicherweise sind verschiedene Lichtverteilungen auch verschiedenen Lichtfunktionen zugeordnet.
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Ein Nachteil der bekannten mit Vorsatzoptiken versehenen Beleuchtungseinrichtungen besteht darin, dass die Vorsatzoptiken immer nur auf den Einsatz in Verbindung mit einer einzigen Lichtquelle ausgelegt sind. Das bedeutet, dass jede Lichtquelle auch nur eine durch die Anordnung und Ausgestaltung der Vorsatzoptik vorgegebene Lichtverteilung bzw. Lichtfunktion erzeugen kann. Bekannt sind zwar auch Optikelemente bestehend aus einem Verbund mehrerer Vorsatzoptiken. Jeder der Vorsatzoptiken eines solchen Optikelements ist aber immer nur eine Lichtquelle zugeordnet. Die Lichtwege der einzelnen Lichtquellen verlaufen dabei jeweils nur durch eine Vorsatzoptik. Bei den bekannten mit Vorsatzoptiken versehenen Beleuchtungseinrichtungen ist es also nicht möglich, eine Kombination unterschiedlicher Lichtverteilungen, z. B. eine Kombination aus Blinklicht und Tagfahrlicht, gleichzeitig aus einer einzigen Vorsatzoptik zu bedienen.
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Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Beleuchtungseinrichtung zu schaffen, bei der mindestens zwei Lichtquellen einer gemeinsamen Vorsatzoptik zugeordnet sind, um damit unterschiedliche Lichtverteilungen bzw. Lichtfunktionen durch eine einzige Vorsatzoptik zu erzeugen, wobei ein optisches Erscheinungsbild bei einer Sicht auf die Beleuchtungseinrichtung von außen soll dabei möglichst unverändert sein.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ausgehend von der Beleuchtungseinrichtung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass den mindestens zwei Lichtquellen eine gemeinsame Vorsatzoptik zugeordnet ist, wobei die Vorsatzoptik in Bereiche unterteilte Flächen mit brechenden und/oder reflektierenden Eigenschaften aufweist. Einige Bereiche der Flächen sind als Primärbereiche einer ersten Lichtquelle zugeordnet und andere Bereiche der Flächen sind dieser Lichtquelle als Sekundärbereiche zugeordnet. Umgekehrt sind die der ersten Lichtquelle zugeordneten Sekundärbereiche der Flächen einer anderen Lichtquelle als Primärbereiche und die der ersten Lichtquelle zugeordneten Primärbereiche der Flächen der anderen Lichtquelle als Sekundärbereiche derart zugeordnet, dass von der ersten Lichtquelle ausgesandtes Licht nach einem Austritt aus der Vorsatzoptik zur Erzeugung einer ersten Lichtverteilung dient und von der anderen Lichtquelle ausgesandtes Licht nach einem Austritt aus der Vorsatzoptik zur Erzeugung einer zweiten Lichtverteilung dient.
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Die Flächenbereiche können Bereiche der Grenzflächen mit reflektierenden bzw. totalreflektierenden Eigenschaften und/oder Bereich der Lichteinkoppel- bzw. Lichtauskoppelflächen mit brechenden Eigenschaften umfassen also zwei verschiedene Typen von Flächenbereichen, die jeweils das Licht einer der beiden Lichtquellen primär zur Erzeugung der entsprechenden Lichtverteilung formen. Der restliche, sekundäre Anteil der Lichtverteilung wird von dem jeweils anderen Typ der Flächenbereiche erzeugt. Dabei wird davon ausgegangen, dass die primären und sekundären Flächenbereiche im Wesentlichen über alle Flächen (Lichteinkoppel- bzw. Lichtauskoppelflächen und/oder Grenzflächen) der Vorsatzoptik verteilt sind. Durch diese Ausgestaltung ergibt sich vorteilhafterweise die Möglichkeit einer multifunktionalen Nutzung der Vorsatzoptik und damit auch der gesamten Beleuchtungseinrichtung.
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Einige erste Flächenbereiche der Vorsatzoptik sind einer ersten Lichtquelle zur Erzeugung einer ersten Lichtverteilung als Primärbereiche zugeordnet. Einige andere Flächenbereiche sind einer zweiten Lichtquelle zur Erzeugung einer zweiten Lichtverteilung als Primärbereiche zugeordnet. Die ersten Flächenbereiche sind auf die Erzeugung der ersten Lichtverteilung anhand des von der ersten Lichtquelle ausgesandten Lichts ausgerichtet und optimiert. Die anderen Flächenbereiche sind auf die Erzeugung der zweiten Lichtverteilung anhand des von der ersten Lichtquelle ausgesandten Lichts ausgerichtet und optimiert. Gleichzeitig sind die anderen Flächenbereiche der ersten Lichtquelle als Sekundärbereiche zugeordnet und können – in der Regel nur zu einem geringen Teil – an der Bildung und Erzeugung der ersten Lichtverteilung mitwirken. Ebenso sind die ersten Flächenbereiche der zweiten Lichtquelle als Sekundärbereiche zugeordnet und können – in der Regel nur zu einem geringen Teil – an der Bildung und Erzeugung der zweiten Lichtverteilung mitwirken.
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Vorteilhafterweise hat die Vorsatzoptik erste Flächenbereiche, deren Brennpunkte im Bereich der ersten Lichtquelle angeordnet sind, die also der ersten Lichtquelle primär zugeordnet sind. Ferner hat die Vorsatzoptik zweite Flächenbereiche, deren Brennpunkte im Bereich der zweiten Lichtquelle angeordnet sind, die also der zweiten Lichtquelle primär zugeordnet sind. Vorzugsweise wechseln sich die ersten und zweiten Flächenbereiche auf den Flächen (Lichteintritts-, Lichtaustritts- und/oder Grenzfläche) der Vorsatzoptik ab. Ferner ist bevorzugt, dass die Flächenbereiche das Licht von der jeweils anderen Lichtquelle, der sie nicht primär, sondern lediglich sekundär zugeordnet sind, noch sinnvoll für die von den Primärbereichen erzeugten Lichtverteilung umlenken.
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Die verschiedenen Bereiche der Lichteintritts-, Lichtaustrittsflächen und/oder totalreflektierenden Grenzflächen können ohne Knicke, Kanten oder Stufen, also mit bloßem Auge nicht unmittelbar sichtbar, ineinander übergehen. Die Unterteilung der Flächen in die Flächenbereiche ist somit rein funktionaler Art. Selbstverständlich ist es aber auch denkbar, dass die Flächenbereiche mit Knicken, Kanten und/oder Stufen, also mit bloßem Auge sichtbar, zueinander abgegrenzt sind.
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Die durch die Vorsatzoptik der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung realisierten erste und zweite Lichtverteilungen können sich ergeben, ohne dass das Licht weitere optisch wirksame Elemente passiert. Alternativ ist es aber auch denkbar, dass sich die erste und zweite Lichtverteilungen erst ergeben, nachdem das aus der Vorsatzoptik ausgekoppelte Licht weitere optisch wirksame Elemente, z. B. Reflektoren, Linsen, Streustrukturen o. ä. passiert hat. So kann das von der Vorsatzoptik ausgesandte Licht zunächst an einer spiegelnden Oberfläche einer sich in einer horizontalen Ebene erstreckenden Spiegelblende reflektiert werden, um die gewünschte Lichtverteilung zu erzeugen. Ferner ist es denkbar, dass das von der Vorsatzoptik ausgesandte Licht bzw. das an der Spiegelblende reflektierte Licht durch eine Linse, insbesondere eine Projektionslinse eines Lichtmoduls, zur Erzeugung der gewünschten Lichtverteilung auf die Fahrbahn vor das Fahrzeug projiziert wird.
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Der Beitrag der sekundären Flächenbereiche zur entsprechenden, durch die primären Flächenbereiche erzeugten Lichtverteilung kann zur Erfüllung gesetzlicher Vorgaben an die Lichtverteilung notwendig sein, weil das von den primären Flächenbereichen reflektierte Licht die gesetzlichen Anforderungen noch nicht allein erfüllen kann. Es ist aber auch denkbar, dass allein durch die primären Flächenbereiche die gesetzlichen Anforderungen an die Lichtstärkeverteilung einer Lichtverteilung erfüllt werden, so dass diese bspw. eine Erstreckung von etwa +/–20° horizontal und etwa +/–10° vertikal aufweist. Das von den sekundären Flächenbereichen reflektierte Licht könnte dann zur Optimierung oder subjektiven Verbesserung der Lichtverteilung genutzt werden.
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Alternativ könnte das von den sekundären Flächenbereichen reflektierte Licht auch zur Verbesserung bzw. Erfüllung der gesetzlichen Anforderungen an eine Sichtbarkeit der Beleuchtungseinrichtung genutzt werden, so dass ein Strahlenbündel der Beleuchtungseinrichtung in horizontaler Richtung bspw. in einem Bereich von etwa 40° zur Fahrzeuginnenseite hin und etwa 80° zur Fahrzeugaußenseite hin und in vertikaler Richtung in einem Bereich von etwa +/–20° sichtbar ist. Die sekundären Flächenbereiche bewirken hierbei in erster Linie eine Streuung des von der entsprechend zugeordneten Lichtquelle ausgesandten Lichts.
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Dabei ist es auch möglich, dass die Vorsatzoptik Flächenbereiche aufweist, die im Wesentlichen nur als Primärbereiche der entsprechenden Lichtquelle zur Erzeugung einer ersten Lichtverteilung wirken. Die Wirkung dieser Flächenbereiche als Sekundärbereiche für die andere Lichtquelle ist dabei für die zweite Lichtverteilung vernachlässigbar.
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Die Lichteinkoppel- und/oder Lichtauskoppelflächen der Vorsatzoptik können in nahezu beliebiger Weise ausgestaltet sein. Insbesondere kann die Charakteristik der Lichteinkoppel- und/oder Lichtauskoppelflächen bezüglich bspw. Material, Form, Wölbung, Größe, Oberflächenbeschaffenheit und/oder Ausrichtung der Flächenbereiche variiert werden. Dadurch kann die Richtung, die horizontale und/oder vertikale Erstreckung sowie die Intensität der resultierenden Lichtverteilung beeinflusst werden. Dabei kann die Charakteristik der Lichteinkoppel- und/oder Lichtauskoppelflächen auf die Charakteristika (z. B. Material, Form, Wölbung, Größe, Oberflächenbeschaffenheit und/oder Ausrichtung) der entsprechenden Bereiche der totalreflektierenden Grenzflächen der Vorsatzoptik ausgelegt sein, damit am Ende durch die Vorsatzoptik die gewünschte Lichtverteilung erzeugt wird.
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Die Flächenbereiche der Lichteinkoppel- und/oder Lichtauskoppelflächen und/oder der Grenzflächen der Vorsatzoptik sind vorteilhafterweise in ihren Charakteristika derart ausgebildet, dass die einer der Lichtquellen zugeordnete und durch eine Überlagerung des an den der Lichtquelle zugeordneten Primär- und Sekundärbereichen der Flächenbereiche gebrochenen und/oder reflektierten Lichts gebildete Lichtverteilung gesetzliche Anforderungen an die Lichtverteilung erfüllt. Die Charakteristika der auf den Lichteinkoppel- und/oder Lichtauskoppelflächen und/oder den Grenzflächen ausgebildeten Flächenbereiche kann abhängig von der Position auf der Vorsatzoptik variieren. Es sind keine Regelmäßigkeiten oder Symmetrien in Bezug auf die Charakteristika der Flächenbereiche der Vorsatzoptik gefordert.
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Vorzugsweise ist mindestens einer der Flächenbereiche der Vorsatzoptik als eine glatte Linsenfläche ausgebildet, als eine Fresnellinse ausgebildet und/oder mit Facetten ausgestaltet. Das bedeutet, dass die Vorsatzoptik zumindest mit bestimmten Flächenbereichen – unabhängig von ihrer Zuordnung als primäre oder sekundäre Flächenbereiche – als Licht propagierender Lichtleiter wirkt und zusammen mit anderen Flächenbereichen, insbesondere an der Lichteintritts- oder Lichtaustrittsfläche der Vorsatzoptik, wo ein- oder austretendes Licht gebrochen wird, als Licht bündelndes optisches Element wirkt, das resultierend aus Lichtbrechungen und Lichtreflexionen die gewünschte Lichtbündelung bzw. Lichtverteilung erzeugt. An der Lichteintritts- oder Lichtaustrittsfläche vorgesehene Fresnellinsen oder Facetten können zudem eine streuende Wirkung realisieren.
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Insbesondere die Ausgestaltung der Flächenbereiche auf der Lichteintritts- und -austrittsfläche mit Facetten ermöglicht einen großen Freiraum zur Formung und Gestaltung der Lichtverteilung. Zum Beispiel kann die Form der Facetten in der Mitte eines Flächenbereichs rechteckig und zu einem Rand des Flächenbereichs hin quadratisch oder in anderer Weise geformt sein. Auch streifenförmige Facetten, die in eine beliebige Richtung (horizontal, vertikal oder schräg) angeordnet sein können, sind möglich. Die Wölbung der Facetten kann konkav oder konvex ausgebildet sein; natürlich können die Facetten auch gar keine Wölbung aufweisen und eben ausgebildet sein. Die Größe der Facetten kann sich beispielsweise zum Rand des Flächenbereichs oder der Fläche hin verändern und dabei kleiner oder größer werden. Die Oberfläche der Lichtaustrittsfläche kann – unabhängig von der Ausgestaltung mit Facetten – glatt oder auch bei Bedarf zur Erzeugung eines diffusen Lichts aufgeraut, mattiert oder mit einer streuenden Mikrostruktur versehen sein.
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Die Ausrichtung der nebeneinander angeordneten Facetten auf den Flächenbereichen sowie die Ausrichtung der Lichteintritts- und -austrittsflächen relativ zu den Lichtquellen beeinflusst die Abstrahlrichtung des Lichts aus der Vorsatzoptik und muss zur Erzeugung einer gewünschten Lichtverteilung mit hoher Genauigkeit erfolgen. Dabei kann sich die Ausrichtung von einer bestimmten Facette zur nächsten Facette des gleichen Typs ändern. Die einzelnen Facetten sowie die einzelnen Flächenbereiche können dabei ohne Knicke, Kanten oder Stufen, also übergangslos, ineinander übergehen. Die geeigneten Charakteristika, bspw. Form, Wölbung, Größe, Oberflächenbeschaffenheit und/oder Ausrichtung, der Facetten oder der Flächenbereiche an den verschiedenen Positionen der Vorsatzoptik können zum Beispiel mit Hilfe eines physikalischen Modells oder mit Hilfe eines rechnerischen Modells mittels einer Computersimulation (eines sog. Strahlberechnungsprogramms oder ray tracing programs) ermittelt werden.
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Vorteilhaft ist außerdem, dass die Lichtquellen als Halbleiterlichtquellen, insbesondere als Leuchtdioden, ausgestaltet sind und dass die Lichtquellen möglichst dicht nebeneinander angeordnet sind. Die Lichtquellen können prinzipiell in beliebiger Weise innerhalb der Beleuchtungseinrichtung angeordnet sein. Entscheidend ist, dass die durch die Beleuchtungseinrichtung erzeugten unterschiedlichen Lichtverteilungen durch Licht erzeugt werden, das in ein und derselben Voratzoptik aufbereitet wurde. Da die Halbleiterlichtquellen dicht nebeneinander angeordnet sind und die Flächenbereiche der verschiedenen Typen (Primär- und Sekundärflächen) vorzugsweise über die gesamte Vorsatzoptik verteilt sind, gewinnt ein Betrachter bei einem Blick entgegen einer Lichtaustrittsrichtung in die Beleuchtungseinrichtung den positiven subjektiven Eindruck, dass ein und dieselbe Lichtquelle in einem einzigen Lichtmodul die unterschiedlichen Lichtverteilungen erzeugt. Dadurch, dass erfindungsgemäß eine Vorsatzoptik mehreren Lichtquellen zugeordnet sein kann und zur Erzeugung unterschiedlicher Lichtverteilungen genutzt werden kann, ist eine besonderes kleinbauende und kompakte Ausgestaltung der Beleuchtungseinrichtung möglich.
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Selbstverständlich ist es denkbar, dass in der Beleuchtungseinrichtung mehr als eine Vorsatzoptik angeordnet ist. Entscheidend ist jedoch, dass mindestens eine der Vorsatzoptiken zur Erzeugung unterschiedlicher Lichtverteilungen im Sinne der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. Die von der Vorsatzoptik erzeugten unterschiedlichen Lichtverteilungen können auch zur Unterstützung durch andere Beleuchtungseinrichtungen oder Lichtmodule erzeugte Lichtverteilungen dienen. So wäre es bspw. denkbar, dass ein erstes Lichtmodul der Beleuchtungseinrichtung eine abgeblendete Lichtverteilung erzeugt und die von der Vorsatzoptik erzeugte erste Lichtverteilung diese abgeblendete Lichtverteilung ergänzt, bspw. in den Seitenbereichen oder in einem Overheadbereich oberhalb der Helldunkelgrenze. Ein anderes Lichtmodul der Beleuchtungseinrichtung kann bspw. eine Tagfahrlichtverteilung erzeugen, die durch die von der Vorsatzoptik erzeugte zweite Lichtverteilung ergänzt werden kann.
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Die mindestens zwei Lichtquellen der Beleuchtungseinrichtung müssen nicht unbedingt zwei getrennte Lichtquellen sein. Denkbar sind bspw. auch Lichtquellen in Form von mehreren Halbleiterchips, die Bestandteil einer einzigen Halbleiterlichtquelle sind und in einem gemeinsamen Halbleiterlichtquellengehäuses integriert sind. Halbleiterlichtquellen, die mehrere getrennt ansteuerbare Halbleiterchips aufweisen und jeweils unterschiedliche Lichtfarben emittieren können, sind an sich bekannt und werden als Multicolor Leuchtdioden bezeichnet.
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Die mindestens zwei Lichtquellen der Beleuchtungseinrichtung können jeweils als eine einzige lichtemittierende Quelle, zum Beispiel als eine Leuchtdiode, ausgebildet sein. Die Lichtquellen können aber auch jeweils eine Lichtquellengruppe (ein sog. Array) umfassen, die mehrere in der Regel matrixartig angeordnete Einzellichtquellen umfasst. Die Lichtquellengruppe kann dabei mehrere Leuchtdioden umfassen und auf einem einzigen Trägerelement angeordnet sein. Die Lichtquellengruppe kann aber auch mehrere Halbleiterchips, die in einer Halbleiterlichtquelle integriert sind, umfassen.
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Eine Beleuchtungseinrichtung mit Leuchtdioden eines LED-Arrays oder Halbleiterchips einer Leuchtdiode als Lichtquellen weist zusätzlich den Vorteil auf, dass ein Umschalten zwischen den verschiedenen Lichtfunktionen bzw. Lichtverteilungen ohne bewegliche Teile rein elektrisch durch geeignetes Ansteuern der Leuchtdioden bzw. der Halbleiterchips erfolgen kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung als Leuchte ausgebildet und weist genau zwei separat ansteuerbare Lichtquellen zur Erzeugung von mindestens zwei Leuchtenfunktionen auf. Dabei können die zwei Lichtquellen in einem gemeinsamen Lichtquellenmodul angeordnet sein. Eine solche als Leuchte ausgebildete Beleuchtungseinrichtung kann integraler Bestandteil eines Scheinwerfers oder als separate Leuchte ausgebildet sein. Erfindungsgemäß ist sogar denkbar, dass die Beleuchtungseinrichtung als ein Scheinwerfer ausgebildet ist, wobei durch das von der Vorsatzoptik erzeugte Lichtbündel sogar eine Scheinwerferfunktion, wie z. B. Fernlicht, realisiert werden könnte.
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Erfindungsgemäß ist es möglich, dass die Flächenbereiche der Vorsatzoptik derart ausgebildet sind und die erste Lichtquelle derart relativ zu den Flächenbereichen der Vorsatzoptik angeordnet und/oder ausgerichtet ist, dass das Licht der ersten Lichtquelle in einer Frontleuchte eine Tagfahrlichtverteilung erzeugt. Die zweite Lichtquelle kann relativ zu den Flächenbereichen derart angeordnet und/oder ausgerichtet sein, dass das Licht der zweiten Lichtquelle eine gelbe/orangefarbene Blinklichtverteilung erzeugt. Damit wird in der Leuchte eine lichtstarke Tagfahrlichtverteilung und eine Blinklichtverteilung erzeugt. Die Erfindung kann natürlich auch zur Realisierung anderer Kombinationen von Leuchtenfunktionen eingesetzt werden. So kann die Erfindung in Heckleuchten eingesetzt werden, indem beispielsweise die erste Lichtquelle eine rot leuchtende Rücklicht- und/oder Bremslichtverteilung und die zweite Lichtquelle eine weiß leuchtende Rückfahrlichtverteilung oder eine gelbe/orangefarbene Blinklichtverteilung erzeugt.
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Die multifunktionale Nutzung der Beleuchtungseinrichtung kann noch durch Dimmen einer oder mehrerer der Lichtquellen erhöht werden. Wird beispielsweise die erste Lichtquelle oder Lichtquellengruppe gedimmt, kann die Leuchte außer zur Erzeugung einer Tagfahrlichtverteilung zusätzlich noch zur Erzeugung einer Begrenzungslichtverteilung eingesetzt werden, die gegenüber einer Tagfahrlichtverteilung eine geringere maximale Beleuchtungsstärke aber eine ähnliche relative Beleuchtungsstärkeverteilung aufweist. Ebenso ist es möglich, dass durch Dimmen und Dauerbetrieb einer Lichtquelle einer seitlich am Fahrzeug angeordneten Leuchte aus einem Blinklicht ein Seitenmarkierungslicht wird. Ferner kann durch Dimmen eines Bremslichts in einer Heckleuchte ein Rücklicht erzeugt werden. Um die entsprechenden Lichtverteilungen realisieren zu können, ist neben der geeigneten Ausgestaltung der Flächenbereiche und dem passenden Zusammenwirken der beiden Typen (Primärflächen und Sekundärflächen) der Flächenbereiche (so wie oben erläutert) auch die Position der beiden Lichtquellen in der Leuchte relativ zu den Flächenbereichen entscheidend.
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Da die gleiche Vorsatzoptik sowohl Licht zur Erzeugung einer ersten Lichtverteilung (z. B. Tagfahrlicht) als auch Licht zur Erzeugung einer zweiten Lichtverteilung (z. B. Blinklicht) erzeugt, kann es bei aktivierter erster Lichtverteilung und gleichzeitiger Aktivierung der zweiten Lichtverteilung bspw. erforderlich sein, die erste Lichtquelle zur Erzeugung der ersten Lichtverteilung vorübergehend, bspw. für die Dauer der Aktivierung der zweiten Lichtverteilung, zu dimmen, damit die zweite Lichtverteilung ausreichend deutlich wahrgenommen werden kann.
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Da eine der resultierenden Lichtverteilungen eine Blinklichtverteilung sein kann, die den gesetzlichen Vorgaben gemäß gelb beziehungsweise orangefarben leuchten muss, ist es vorteilhaft, dass mindestens eine der Lichtquellen, insbesondere eine zur Erzeugung einer Blinklichtverteilung dienende Lichtquelle, farbiges, insbesondere gelbes oder orangefarbenes Licht aussendet. Dazu kann bei Verwendung einer Leuchtdiode diese bevorzugt derart ausgebildet sein, dass sie direkt farbiges Licht emittiert. Bei Verwendung einer Glühlampe oder einen sonstigen, weißes Licht aussenden Lichtquelle kann diese einen farbigen Glaskolben oder ein in sonstiger Weise ausgebildetes Farbfilter im Strahlengang aufweisen. Dies gilt gleichermaßen für die Realisierung der Blinklichtverteilung in Front- und in Heckleuchten. Zur Realisierung der Rücklicht- oder Bremslichtverteilung in Heckleuchten, muss sichergestellt werden, dass die entsprechende Lichtquelle rot und zur Realisierung der Rückfahrlichtverteilung die entsprechende Lichtquelle weiß leuchten muss bzw. letzten Endes Licht der gewünschten Farbe aussendet. Bei Leuchtdioden ist es bspw. denkbar, dass die Licht emittierende Fläche eines Halbleiterchips blaues Licht aussendet, das mittels eines Konverters (bspw. mit Phosphor) in weißes Licht umgewandelt und von dem Halbleiterchip ausgesandt wird. Ebenso ist es denkbar, dass das Licht mehrerer unterschiedlich farbiger Halbleiterchips sich zu Licht einer neuen Farbe überlagert, das dann von der Leuchtdiode ausgesandt wird.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Figuren. Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs in einer bevorzugten Ausführungsform mit einer Vorsatzoptik in einem Längsschnitt;
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2 eine Ausgestaltung einer Vorsatzoptik zur Verwendung in einer Beleuchtungseinrichtung gemäß 1 in einer perspektivischen Rückansicht;
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3 die Vorsatzoptik aus 2 in einer perspektivischen Frontansicht;
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4 eine weitere Ausgestaltung einer Vorsatzoptik zur Verwendung in einer Beleuchtungseinrichtung gemäß 1 in einer perspektivischen Frontansicht;
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5 eine weitere Ausgestaltung einer Vorsatzoptik zur Verwendung in einer Beleuchtungseinrichtung gemäß 1 in einer perspektivischen Frontansicht;
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6 eine weitere Ausgestaltung einer Vorsatzoptik zur Verwendung in einer Beleuchtungseinrichtung gemäß 1 in einer perspektivischen Frontansicht;
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7 eine mögliche Ausgestaltung eines Flächenbereichs der Vorsatzoptik aus den 1 bis 5;
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8 bis 14 diverse an sich aus dem Stand der Technik bekannte Vorsatzoptiken.
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Beleuchtungseinrichtungen für Kraftfahrzeuge weisen üblicherweise eine Primäroptik zum Bündeln des von einer Lichtquelle ausgesandten Lichts auf. Die Beleuchtungseinrichtung kann als ein Scheinwerfer, als eine Leuchte für den Anbau im Front- oder Heckbereich oder an einer Seite des Fahrzeugs oder als eine Kombination von Scheinwerfer und Leuchte ausgebildet sein. Bei der vorliegenden Erfindung umfasst die Primäroptik mindestens eine Vorsatzoptik aus transparentem Material, insbesondere aus Kunststoff oder Glas, in die über mindestens eine Lichteintrittsfläche Licht eingekoppelt wird, das eingekoppelte Licht an Grenzflächen der Vorsatzoptik totalreflektiert wird und das Licht dann schließlich über mindestens eine Lichtaustrittsfläche aus der Vorsatzoptik ausgekoppelt wird. Die Vorsatzoptik ist in einer Hauptabstrahlrichtung vor einer oder mehreren Lichtquellen angeordnet. Die 5 bis 11 zeigen bekannte Vorsatzoptiken aus dem Stand der Technik bekannten Beleuchtungseinrichtungen.
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So zeigt die
8 eine erste aus der
DE 197 28 354 C2 bekannte Vorsatzoptik
10, die mit einem ihre optische Achse
102 umgebenden inneren Linsenbereich
104 für von einer Leuchtdiode
106 in einem begrenzten, inneren Raumwinkel abgestrahlte innere Lichtstrahlen
108. Ferner umfasst die Vorsatzoptik
10 einen den inneren Linsenbereich
104 ringförmig umgebenden äußeren Reflektorbereich
110 für in einem größeren, äußeren Raumwinkel abgestrahlte äußere Lichtstrahlen
112. Der äußere Reflektorbereich
110 schließt sich dabei unmittelbar an den inneren Linsenbereich
104 an. Die Lichtstrahlen
108,
112 werden über Lichteintrittsflächen in die Vorsatzoptik
10 eingekoppelt. Der äußere Reflektorbereich
110 weist an äußeren Grenzflächen
111 der Vorsatzoptik
10 totalreflektierende Eigenschaften auf. Lichtaustrittsflächen
114 der Vorsatzoptik
10 mit ebenen Flächen ausgebildet. Die äußeren Lichtstrahlen
112 werden vor dem Austritt aus der Vorsatzoptik
10 durch die Lichtaustrittsflächen
114 mindestens einmal an den Grenzflächen
111 totalreflektiert. Die Vorsatzoptik
10 bewirkt eine Bündelung des hindurchtretenden Lichts durch Brechung an den Lichteintrittsflächen und den Lichtaustrittsflächen
114, und/oder durch Totalreflexion an den schräg stehenden Grenzflächen
111.
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Ferner zeigt die
DE 197 28 354 C2 eine in
9 dargestellte zweite Vorsatzoptik
10, bei der die dem zentralen Linsenbereich
104 zugeordnete Lichtaustrittsfläche
114 zumindest teilweise eine Fresnelstruktur
114' aufweist. Durch die Fresnelstruktur
114' hindurchtretende Lichtstrahlen
108 werden weitgehend parallelisiert sowohl bezüglich der optischen Achse
102 als auch relativ zueinander.
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10 zeigt eine aus der
DE 43 05 585 A1 bekannte Vorsatzoptik
10 zum Bündeln des von einer Leuchtdiode
132 ausgesandten Lichts. Die Vorsatzoptik
10 weist eine pyramidenstumpfförmige Ausgestaltung mit einer quadratischen Lichtaustrittsfläche
138 auf. Eine Lichteintrittsfläche
134 der Vorsatzoptik
10 ist durch vier parabelförmige Grenzlinien
136 begrenzt, die sich von der Spitze der Vorsatzoptik
10 zu den Ecken der Lichtaustrittsfläche
138 erstrecken. Auf der Lichtaustrittsfläche
138 ist eine sich kreisringförmig um die optische Achse
102 erstreckende Fresnelstruktur
140 ausgebildet.
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11 zeigt eine aus der
DE 10 2004 036 850 A1 bekannte Vorsatzoptik
10, der einer Glühlampe
144 als Lichtquelle zugeordnet ist. Die Vorsatzoptik
10 weist zum einen auf einer der Lichtquelle
144 zugewandten inneren Seite, zumindest auf einem Teil der Lichteintrittsfläche brechende optische Flächen
149, sowie auf einer der Lichtquelle
144 abgewandten äußeren Seite Reflexionsflächen
148 auf, an denen eine Totalreflexion von in die Vorsatzoptik
10 eingekoppeltem Licht erfolgt. Lichtaustrittsflächen
152 der Vorsatzoptik
10 weisen Licht brechende Eigenschaften auf.
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12 zeigt eine aus der
US 2006 0044 806 A1 bekannte Vorsatzoptik
10 für Leuchtdioden. Die Vorsatzoptik
10 weist eine als asphärisch geformte, Licht brechende Fläche ausgebildete Lichteintrittsfläche
158 auf, die von Flächen
160 mit reflektierenden Eigenschaften begrenzt wird. Eine Lichtaustrittsfläche
164 der Vorsatzoptik
10 weist eine Fresnelstruktur auf.
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13 zeigt eine aus der
US 7 222 995 B1 bekannte Vorsatzoptik
10 für Leuchtdioden. Die Vorsatzoptik
10 weist eine asphärisch geformte, in einer hohlzylinderförmigen Aussparung der Vorsatzoptik
10 angeordnete Lichteintrittsfläche
166 auf. Weitere Lichteintrittsflächen werden durch die Wandungen der hohlzylinderförmigen Aussparung gebildet. Ferner hat die Vorsatzoptik
10 an den äußeren Grenzflächen
168 totalreflektierende Eigenschaften. Eine Lichtaustrittsfläche
170 der Vorsatzoptik
10 weist eine kugelabschnittsförmig ausgebildete Streustruktur mit Erhebungen
172 und Vertiefungen
174 auf.
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14 zeigt eine aus der
EP 1 746 339 A1 bekannte Vorsatzoptik
10 für eine Leuchtdioden
176. Eine Lichteinkoppelfläche
178 der Vorsatzoptik
10 weist eine Fresnelstruktur
180 auf. Eine Lichtaustrittsfläche
184 ist mit einer Streustruktur versehen.
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Die bekannten Vorsatzoptiken 10 sind immer auf eine einzige Lichtquelle oder eine einzige Gruppe mehrerer Lichtquellen ausgelegt. Falls mehrere Lichtquellen vorgesehen sind, die Licht in eine Vorsatzoptik 10 einkoppeln, wird das in die Vorsatzoptik 10 eingekoppelte Licht aller Lichtquellen stets nur zur Erzeugung einer einzigen Lichtverteilung herangezogen. Das bedeutet, dass jede Lichtquelle bzw. Lichtquellengruppe auch nur eine Lichtverteilung bzw. Lichtfunktion erzeugen kann. Ferner ist jeder der bekannten Vorsatzoptiken zur Erzeugung lediglich einer Lichtverteilung ausgelegt.
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Die vorliegende Erfindung schlägt demgegenüber eine Beleuchtungseinrichtung mit einer in besonderer Weise ausgestalteten Vorsatzoptik vor, so dass von mehreren Lichtquellen in die Vorsatzoptik eingekoppeltes Licht in dieser derart gezielt umgelenkt wird, dass das Licht der verschiedenen Lichtquellen nach dem Austritt aus der Vorsatzoptik zur Erzeugung unterschiedlicher Lichtverteilungen oder Lichtfunktionen genutzt werden kann.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung 12 in einer bevorzugten Ausführungsform in einem Vertikalschnitt. Die Beleuchtungseinrichtung 12 kann als eine Front-, Seiten- oder Heckleuchte oder als ein Scheinwerfer eines Kraftfahrzeugs ausgebildet sein. Falls die Beleuchtungseinrichtung 12 als eine Leuchte ausgebildet ist, kann diese integraler Bestandteil eines Scheinwerfers oder einer Heckleuchte mit mehreren Leuchtenfunktionen sein. Die in 1 dargestellte Beleuchtungseinrichtung 12 weist ein Gehäuse 14 auf, das in einer Lichtaustrittsrichtung 16 eine mit einer transparenten Abdeckscheibe 18 verschlossene Lichtaustrittsöffnung aufweist. Die Abdeckscheibe 18 kann als eine Streuscheibe mit optisch wirksamen Profilen, bspw. Prismen oder Zylinderlinsen, ausgebildet sein. Alternativ kann die Abdeckscheibe 18 aber auch ohne optisch wirksame Profile als eine klare Scheibe ausgebildet sein.
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Im Innern des Gehäuses 14 ist ein Lichtmodul 20 angeordnet. Das Lichtmodul 20 weist in dem dargestellten Beispiel zwei Halbleiterlichtquellen 22, 24 auf, die bevorzugt als Leuchtdioden (LEDs) ausgebildet und getrennt ansteuerbar sind. Statt zweier separater Leuchtdioden 22, 24 kann auch lediglich eine Leuchtdiode mit zwei separat ansteuerbaren Halbleiterchips (sog. Multi-Chip-LED) vorgesehen sein. Ebenso wäre es denkbar, dass die zwei Leuchtdioden 22, 24 Bestandteil eines LED-Arrays sind. Für jede der zwei Lichtquellen 22, 24 können auch mehrerer LEDs oder Halbleiterchips vorgesehen sein. Dabei ist es ebenfalls denkbar, dass die zwei Lichtquellen 22, 24 eine unterschiedliche Anzahl von LEDs oder Chips aufweisen bzw. unterschiedlich viel Licht oder Licht unterschiedlicher Lichtfarbe aussenden. Die separate Ansteuerbarkeit der Lichtquellen 22, 24 umfasst auch die Möglichkeit, den Betriebsstrom der Lichtquellen 22, 24 unabhängig voneinander zu variieren, d. h. einzelne oder beide Lichtquellen 22, 24 zu dimmen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Beleuchtungseinrichtung 12 emittiert die Halbleiterlichtquelle 22 gelbes bzw. orangefarbenes Licht und die Halbleiterlichtquelle 24 weißes Licht. Zusätzlich können die Halbleiterlichtquellen 22, 24 auch noch dimmbar sein. Die Halbleiterlichtquellen 22, 24 sind auf einem Trägerelement 26 angeordnet. Das Trägerelement 26 kann auch als Wärmeleitkörper (sog. Kühlkörper) 28 dienen oder mit einem solchen wärmeleittechnisch verbunden sein, um die von den Halbleiterlichtquellen 22, 24 während des Betriebs erzeugte Wärme an die Umgebung abzugeben. Der Wärmeleitkörper 28 weist oberflächenvergrößernde Bereiche in Form von Kühlrippen oder Kühlstiften auf.
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Es ist auch denkbar, dass im Lichtmodul 20 nur eine einzige Halbleiterlichtquelle ausgebildet ist, die einen ersten Halbleiterchip, beispielsweise zum Aussenden von gelbem oder orangefarbenem Licht, und einen zweiten Halbleiterchip zum Aussenden von weißem Licht, erzeugt. Beide Halbleiterchips sind dabei getrennt ansteuerbar. Matrixartig angeordnete Arrays von mehreren Halbleiterchips bzw. von mehreren Halbleiterlichtquellen sind auch möglich, wobei ein komplettes Array Licht in einer bestimmten Farbe aussendet. Auch könnte eine einzige Halbleiterlichtquelle als eine Multi-Color-Leuchtdiode ausgebildet sein, bei der durch eine Variation der elektrischen Stromstärke bzw. elektrischen Spannung die emittierte Lichtfarbe nahezu beliebig eingestellt werden kann. Solche Halbleiterchips oder Arrays können in der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung 12 als Halbleiterlichtquellen 22 und 24 eingesetzt werden.
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Den Halbleiterlichtquellen 22, 24 ist in dem Lichtmodul 20 eine gemeinsame transparente Vorsatzoptik 10 zugeordnet. Die Vorsatzoptik 10 weist Lichteinkoppelflächen 30 auf, über die von den Halbleiterlichtquellen 22, 24 emittiertes Licht in die Vorsatzoptik 10 eingekoppelt wird. Zumindest ein Teil des eingekoppelten Lichts wird innerhalb der Vorsatzoptik 10 durch Totalreflexion an äußeren Grenzflächen 31 in Richtung von Lichtauskoppelflächen 32 der Vorsatzoptik 10 gelenkt. Durch die Lichtaustrittsflächen 32 wird das Licht aus der Vorsatzoptik 10 wieder ausgekoppelt. Bei Übergang des Lichts an den Einkoppel- bzw. Auskoppelflächen 30, 32 sowie durch Totalreflexion an den Grenzflächen 31 wird das von den Lichtquellen 22, 24 ausgesandte Licht durch die Vorsatzoptik 10 gebündelt. Eine genaue Erläuterung der Vorsatzoptik 10, insbesondere der Ausgestaltung der Grenzflächen, sowie deren Funktion folgt weiter unten.
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Das von der Vorsatzoptik 10 geformte und/oder umgelenkte und/oder gestreute Licht kann unmittelbar zur Realisierung einer gewünschten Licht- oder Leuchtenfunktion herangezogen werden. Es ist ferner möglich, dass das aus der Vorsatzoptik 10 austretende Licht die gewünschte Licht- oder Leuchtenfunktion nicht allein realisiert, sondern eine durch ein anderes Lichtmodul erzeugte Licht- oder Leuchtenfunktion nur ergänzt. Des weiteren ist es denkbar, dass das aus der Vorsatzoptik 10 ausgekoppelte Licht zunächst noch durch ein im Strahlengang des Lichtmoduls 20 befindliches optisch wirksames Element, bspw. durch eine reflektierende Spiegelblende reflektiert wird oder durch eine Sekundäroptik, insbesondere in Form einer Projektionslinse (nicht dargestellt), hindurchtritt, bevor es zur Realisierung der gewünschten Licht- oder Leuchtenfunktion genutzt wird. Auch die Abdeckscheibe 18 kann das von der Vorsatzoptik 10 erzeugte und ggf. von einer Sekundäroptik veränderte Lichtbündel nochmals verändern, insbesondere streuen.
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In der bevorzugten Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung 12 dient eine gelb bzw. orangefarben leuchtende Halbleiterlichtquelle 22 für eine von dem Lichtmodul 20 erzeugbare Blinklichtverteilung und die weiß leuchtende Halbleiterlichtquelle 24 bspw. für eine von dem Lichtmodul 20 erzeugbare Tagfahrlichtverteilung in einer Frontleuchte. In einer Heckleuchte kann z. B. die Halbleiterlichtquelle 24 ein rot leuchtendes Bremslicht oder Rücklicht erzeugen, das mit dem von der Halbleiterlichtquelle 22 erzeugten gelb oder orangefarben leuchtenden Blinklicht, oder einem von der Halbleiterlichtquelle 22 erzeugten weiß leuchtenden Rückfahrlicht kombiniert werden kann. Natürlich können auch beide Halbleiterlichtquellen 22 und 24 bei Bedarf in einer gleichen Lichtfarbe strahlen und dabei trotzdem zwei unterschiedliche Lichtverteilungen (z. B. rot leuchtendes Bremslicht und Rücklicht) erzeugen.
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Die multifunktionale Nutzung der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung 12 kann noch durch Dimmen mindestens einer der Halbleiterlichtquellen 22, 24 erhöht werden. Wird beispielsweise die zur Erzeugung einer Tagfahrlichtverteilung vorgesehene Halbleiterlichtquelle 24 durch Verringern des Betriebsstroms gedimmt, kann die Beleuchtungseinrichtung 12 zusätzlich noch eine Begrenzungslichtverteilung erzeugen, die sich von einer Tagfahrlichtverteilung hauptsächlich nur durch eine geringere maximale Beleuchtungsstärke unterscheidet. Ebenso ist es möglich, dass durch Dimmen einer zur Erzeugung einer Blinklichtverteilung vorgesehenen Halbleiterlichtquelle einer seitlich am Fahrzeug angeordneten Leuchte, die Leuchte auch ein Seitenmarkierungslicht erzeugen kann. Ferner kann durch Dimmen des Bremslichts in einer Heckleuchte ein Rücklicht erzeugt werden. Ist bspw. die Lichtstärke einer weiß leuchtenden Halbleiterlichtquelle 24 derart stark ausgelegt, dass durch die Halbleiterlichtquelle 24 auch eine Fernlichtverteilung erzeugt werden kann, kann diese durch Dimmen zur Erzeugung einer Tagfahrlicht- oder Positionslichtfunktion genutzt werden, und es können in ein und derselben Beleuchtungseinrichtung 12 sowohl Scheinwerferfunktionen als auch Leuchtenfunktionen realisiert werden. Dabei ist es denkbar, dass das Licht einer ersten Lichtquelle oder Lichtquellengruppe von mehreren Vorsatzoptiken das Fernlicht erzeugt, und das von der zweiten Lichtquelle oder Lichtquellengruppe ausgesandte Licht der verschiedenen Vorsatzoptiken zur Erzeugung unterschiedlicher Leuchten- oder Scheinwerferfunktionen dient. Durch Dimmen könnte aus der Fernlichtverteilung die lichtschwächere Tagfahrlichtverteilung erzeugt werden. Die Halbleiterlichtquelle 22 kann parallel dazu mindestens eine weitere Lichtverteilung (z. B. Blinklicht) erzeugen.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorsatzoptik 10 wie sie bei der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung 12 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zum Einsatz kommt in einer perspektivischen Rückansicht bei einem Blick von schräg oben. 3 zeigt die Vorsatzoptik 10 aus 2 in einer perspektivischen Frontansicht bei einem Blick von schräg unten. Die Vorsatzoptik 10 ist aus einem transparenten Material, vorzugsweise Kunststoff oder Glas, hergestellt. Sie umfasst einen im Wesentlichen trapezförmig ausgebildeten Körper, der an zwei gegenüberliegenden Seiten (Oberseite und Unterseite in den 2 und 3) zwei parallel zueinander verlaufende, ebene Grenzflächen 31 aufweist. Die Grenzflächen 31 verlaufen in etwa rechtwinklig zu der vorderen Lichtaustrittsfläche 32 der Vorsatzoptik 10. Parallel zu der Austrittsfläche 32 weist die Vorsatzoptik 10 eine Rückfläche 38 auf, die zumindest teilweise als Lichteintrittsfläche 30 dient. Die Rückfläche 38 weist aufgrund der trapezförmigen Ausgestaltung des Körpers der Vorsatzoptik 10 eine kleinere Fläche als die Austrittsfläche 32 auf. Wegen des trapezförmig ausgebildeten Körpers verlaufen die zu den Grenzflächen 31 um 90° versetzten und eben ausgebildeten seitlichen Grenzflächen 31' der Vorsatzoptik 10 bis zur Rückfläche 38 schräg zusammen, wobei der Winkel der Grenzflächen 31' zur Frontfläche 32 auf beiden Seiten unterschiedlich sein kann.
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Die Rückfläche 38 weist eine im Wesentlichen quaderförmig ausgebildete Aussparung 40 auf, die sich durchgehend von oben nach unten erstreckt und in etwa mittig zwischen den beiden seitlichen Grenzflächen 31' angeordnet ist. In der Aussparung 40 sind im Wesentlichen mittig übereinander die beiden Halbleiterlichtquellen 22 und 24 angeordnet. Die Halbleiterlichtquellen 22 und 24 emittieren in einer zu der Austrittsfläche 32 gerichteten Hauptabstrahlrichtung 34 Licht. Abhängig vom Öffnungswinkel des von den Halbleiterlichtquellen 22, 24 emittierten Lichtbündels emittieren diese Licht in etwa in einem 180°-Halbraum um die Hauptabstrahlrichtung 34 herum. Oberhalb der Halbleiterlichtquelle 22 und unterhalb der Halbleiterlichtquelle 24 ist in 2 in der Aussparung 40 jeweils eine zylinderabschnittförmige Grenzfläche 30 angeordnet, die ebenfalls als Lichteintrittsflächen für das von den Lichtquellen 22, 24 ausgesandte Licht dienen.
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Die Lichtaustrittsfläche 32 ist in Randbereichen und im Bereich der unter der Frontfläche 32 angeordneten Aussparung 40 eben ausgebildet. Zusätzlich ist parallel zu den langen Seitenflächen der im Wesentlichen quaderförmig ausgebildeten Aussparung 40 beidseitig auf der Lichtaustrittsfläche 32 eine gerade verlaufende Fresnelstrukur 44 ausgebildet. Auf die Fresnelstruktur 44 kann in weiteren Ausbildungsformen der Vorsatzoptik 10 auch verzichtet werden, wobei dann die Lichtaustrittsfläche 32 bspw. gleichmäßig eben ausgebildet sein kann. Die Frontfläche 32 kann aber auch beliebig anders ausgestaltet sein. Nähere Informationen hierzu folgen weiter hinten.
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Insbesondere die Lichteintrittsflächen 30 sowie die Lichtaustrittsfläche 32 sind in verschiedene Flächenbereiche 46 unterteilt, die speziell zur Erzeugung gewünschter Lichtverteilungen unterschiedliche optische Elemente mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften aufweisen können. Zur besseren Verdeutlichung sind die Bereiche 46 in den 2 und 3 durch Linien getrennt gezeichnet. Die Übergänge von einem Bereich 46 zu einem benachbarten Bereich 46 können dabei mit oder ohne Knicke, Kanten oder Stufen verlaufen. Die in den 2 und 3 gekennzeichneten Bereiche 46 sind lediglich beispielhaft und können jede beliebige Position, Ausrichtung, Form und Größe aufweisen. Der Übersichtlichkeit wegen sind in den 2 und 3 nur einige der Flächenbereiche mit dem Bezugszeichen 46 gekennzeichnet.
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Die auf den Lichteintrittsflächen 30 ausgebildeten Bereiche 46 haben die Aufgabe, das von den Halbleiterlichtquellen 22, 24 ausgesandte Licht beim Eintritt in die Vorsatzoptik 10 in gewünschter Weise zu brechen. Die auf den Grenzflächen 31, 31' ausgebildeten Bereiche 46 haben die Aufgabe das eingekoppelte Licht in gewünschter Weise zu reflektieren. Die auf der Auskoppelfläche 32 ausgebildeten Bereiche 46 haben die Aufgabe, das Licht aus der Vorsatzoptik 10 beim Austritt in gewünschter Weise zu brechen. Durch die Bereiche 46 kann also das durch die Vorsatzoptik 10 gebündelte Licht so geformt und umgelenkt werden, dass das Licht der Halbleiterlichtquellen 22, 24 jeweils eine gewünschte Lichtverteilung erzeugt. Dabei sind bestimmte Flächenbereiche 46 primär der ersten Lichtquelle 22 zur Erzeugung einer ersten Lichtverteilung und andere Flächenbereiche 46 primär der zweiten Lichtquelle 24 zur Erzeugung einer zweiten Lichtverteilung zugeordnet. Weitere Informationen hierzu folgen weiter unten. Prinzipiell können die Bereiche 46 gerade oder gewölbt ausgebildet sein. Sie können eben ausgebildet sein oder optisch wirksame Elemente mit entsprechenden Licht ablenkenden Eigenschaften aufweisen. Die Bereiche 46 können dabei unterschiedlich ausgestaltet sein. Die optisch wirksamen Elemente können bspw. als Fresnelstrukturen, konkav oder konvex ausgebildete Facetten, Wellenstrukturen, Kissenstrukturen und/oder um ein diffuses Licht zu erzeugen, als Streustrukturen, insbesondere als Aufrauungen, Mattierungen oder als Mikrostrukturierung ausgebildet sein.
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Ferner können unterschiedliche transparente Materialien in der Vorsatzoptik 10 eingesetzt werden, die unterschiedliche Brechzahlen aufweisen, welche eine Brechung des Lichts an den Lichteintrittsflächen 30 oder den Lichtaustrittsflächen 32 beeinflussen können. Die Bereiche 46 der Grenzflächen 31 sind vorzugsweise ohne optischen Elemente ausgebildet und dienen als totalreflektierende Flächen für das in die Vorsatzoptik 10 eingekoppelte Licht. Die Bereiche 46 der Grenzflächen 31 können aber auch als spiegelnde Flächen für eine Spiegelreflexion ausgebildet sein, wobei die entsprechenden Bereiche 46 dann mit einer spiegelnden Beschichtung versehen sein können. Die Anordnung und Ausgestaltung der Bereiche 46 auf den Einkoppel-, Auskoppel- und Grenzflächen 30, 31, 32 kann zum Beispiel mit Hilfe eines physikalischen Modells oder mit Hilfe eines rechnerischen Modells mittels einer Computersimulation (sog. Strahlsimulationsprogramm oder „ray tracing program”) ermittelt werden.
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Weitere mögliche Ausgestaltungen der Vorsatzoptik 10 aus 3 sind beispielhaft in den 4 und 5 dargestellt. Die 4 und 5 zeigen dabei ebenfalls eine Ansicht auf die Lichtauskoppelfläche 32 der Vorsatzoptik 10 von schräg unten. Auf der Auskoppelfläche 32 sind optisch wirksame Elemente 36, bspw. in Form von Linsenelementen, ausgebildet. Dabei bilden die Elemente 36 Flächenbereiche 46 der Vorsatzoptik 10, die jeweils einer der Lichtquellen 22, 24 primär zugeordnet sind. Die ersten ohne Schraffur gezeichneten Bereiche 46' haben bspw. ihren Fokus auf der ersten Lichtquelle 22, und die schraffiert gezeichneten Bereiche 46'' haben bspw. ihren Fokus auf der zweiten Lichtquelle 24. Die erste Lichtquelle 22 erzeugt unter Mitwirkung der ihr primär zugeordneten Bereiche 46' eine erste Lichtverteilung, und die zweite Lichtquelle 24 erzeugt unter Mitwirkung der ihr primär zugeordneten Bereiche 46'' eine zweite Lichtverteilung.
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Die Flächenbereiche 46' sind der zweiten Lichtquelle 24 lediglich sekundär zugeordnet, das heißt sie sind an der Erzeugung der zweiten Lichtverteilung nur zu einem geringen Teil beteiligt. Ebenso sind die Flächenbereiche 46'' der ersten Lichtquelle 22 lediglich sekundär zugeordnet, das heißt sie sind an der Erzeugung der ersten Lichtverteilung nur zu einem geringen Teil beteiligt.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorsatzoptik 10 zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung 10 ist beispielhaft in 6 dargestellt. Dabei hat die Vorsatzoptik 10 eine Längserstreckung quer zur Lichtaustrittsrichtung 34. Auf der Rückseite 38 sind mehrere Vertiefungen 40 ausgebildet, in denen jeweils mindestens eine erste Lichtquelle 22 und mindestens eine zweite Lichtquelle 24 angeordnet sind und über die Lichteinkoppelflächen 30 Licht in die Vorsatzoptik 10 einkoppeln.
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Bei allen in den 2 bis 6 gezeigten Ausführungsbeispielen der Vorsatzoptiken 10 können die Lichtquellen 22, 24 selbstverständlich auch anders als dargestellt angeordnet sein. Denkbar ist bspw., dass die Lichtquellen 22, 24 nebeneinander oder schräg versetzt zueinander angeordnet sind. Auch die Anzahl, Anordnung und Gruppierung der Lichtquellen 22, 24 kann von den dargestellten Ausführungsformen abweichen.
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7 zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiels einer möglichen Strukturierung der Flächenbereiche 46 auf den Grenzflächen 31 mit einer Facettenstruktur 48. In 7 sind zwei Typen 50, 52 von Facetten ausgebildet, wobei die Typen 50, 52 schachbrettartig auf den Bereichen 46 angeordnet sind. Jede Facette 50, 52 kann einem Flächenbereich 46 entsprechen. Es ist aber auch denkbar, obwohl in 7 nicht dargestellt, dass zumindest einige der Bereiche 46 innerhalb der einzelnen Bereiche 46 jeweils facettiert sind, d. h. jeder Bereich 46 mehrere Facetten aufweist. Selbstverständlich können alternativ oder zusätzlich auch auf der Lichteinkoppelfläche 30 und/oder der Lichtauskoppelfläche 32 unterschiedliche Flächenbereiche 46, die bspw. mit den unterschiedlichen Facetten 50, 52 ausgestattet sind, ausgebildet sein. Die verschiedenen Typen 50, 52 der Facetten können durch unterschiedliche Charakteristika unterschiedliche optische Eigenschaften aufweisen. Insbesondere können die einzelnen Facetten 50, 52 in ihrer Anordnung, Form, Wölbung, Größe, Oberflächenbeschaffenheit und/oder Ausrichtung beliebig variieren und leisten so jeweils einen Beitrag zur gezielten Erzeugung der gewünschten Lichtverteilung. Dabei können die Facetten 50, 52 auch streifenförmig oder in anderer Weise ausgebildet und in beliebiger Richtung (horizontal, vertikal oder schräg) ausgerichtet sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung arbeitet die Vorsatzoptik 10 beispielsweise folgendermaßen: Ein Teil der Bereiche 46, bspw. die Facetten des Typs 50, sind primär der ersten Lichtquelle 22 und der andere Teil der Bereiche 46, bspw. die Facetten des Typs 52, der Lichtquelle 22 nur sekundär zugeordnet ist. Andererseits sind die Facetten des Typs 52, die der ersten Lichtquelle 22 sekundär zugeordnet sind, der anderen Lichtquelle 24 primär zugeordnet. Ferner sind die Facetten des Typs 50, die der ersten Lichtquelle 22 primär zugeordnet ist, der anderen Lichtquelle 24 lediglich sekundär zugeordnet. Die Zuordnung ergibt sich vorzugsweise dadurch, dass die Lichtquellen 22, 24 jeweils in den Brennpunkten, im Bereich der Brennpunktwolken oder in einer Brennpunktebene der ihnen jeweils zugeordneten entsprechenden Flächenbereiche 46, d. h. der Facetten 50, 52, angeordnet sind.
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Das von der Lichtquelle 22 ausgesandte Licht wird bevorzugt über die Einkoppelflächen 30 im Bereich der Aussparung 40 in die Vorsatzoptik 10 eingekoppelt. Anschließend wird das eingekoppelte Licht an den Grenzflächen 31 bzw. 31' der Vorsatzoptik 10 totalreflektiert und letztendlich über Lichtaustrittsflächen 32 wieder ausgekoppelt. Ein Großteil des von der ersten Lichtquelle 22 stammenden und in die Vorsatzoptik 10 eingekoppelten Lichts wird an den Primärfacetten vom Typ 50 totalreflektiert. Lediglich ein kleinerer Teil des Lichts wird an den Sekundärfacetten vom Typ 52 reflektiert. Das von den Primärfacetten 50 und den Sekundärfacetten 52 reflektierte Licht erzeugt nach der Auskopplung aus der Vorsatzoptik 10 und gegebenenfalls nach dem Durchlaufen eines oder mehrerer weiterer im Strahlengang angeordneter optischer Elemente (z. B. Reflexion an einer Spiegelblende und/oder Strahlformung durch eine Projektionslinse) eine erste Lichtverteilung einer ersten Lichtfunktion.
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In entsprechender Weise wird ein Großteil des von der anderen Lichtquelle 24 stammenden und in die Vorsatzoptik 10 eingekoppelten Lichts an den dieser Lichtquelle 24 zugeordneten Primärfacetten vom Typ 52 totalreflektiert. Lediglich ein kleinerer Teil des Lichts wird an den Sekundärfacetten 50 reflektiert. Das von den Primärfacetten 52 und den Sekundärfacetten 50 reflektierte Licht erzeugt nach der Auskopplung aus der Vorsatzoptik 10 und gegebenenfalls nach dem Durchlaufen eines oder mehrerer weiterer im Strahlengang angeordneter optischer Elemente eine zweite Lichtverteilung einer zweiten Lichtfunktion.
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Auf diese Weise ist eine multifunktionale Nutzung der Vorsatzoptik 10 und damit auch des Lichtmoduls 20 bzw. der Beleuchtungseinrichtung 12 möglich, denn das von den Lichtquellen 22, 24 ausgesandte Licht dient zur Erzeugung verschiedener Lichtverteilungen mittels einer einzigen gemeinsamen Vorsatzoptik 10. Jede der resultierenden Lichtverteilungen kann durch eine geeignete Adaption der Charakteristika der der jeweiligen Lichtquelle 22; 24 primär zugeordneten Bereiche 46 die gesetzlichen Anforderungen an die Lichtverteilung erfüllen. Es ist jedoch auch denkbar, dass die ersten und zweiten Lichtverteilungen erst mit weiteren Lichtbündeln von anderen Lichtmodulen ergänzt werden müssen, um die gesetzlichen Anforderungen zu erfüllen. Das von den der jeweiligen Lichtquelle 22; 24 sekundär zugeordneten Bereichen 46 stammende Licht fließt ebenfalls in die Erzeugung der durch die Primärbereiche 46 erzeugten Lichtverteilung mit ein. Bei der Auslegung der Charakteristika der Flächenbereiche 46 wird zunächst versucht, diese im Hinblick auf die Primärfunktion der Bereiche 46, d. h. zur Erzeugung der gewünschten Lichtverteilung, zu optimieren. Ferner kann versucht werden, die Primärbereiche 46 für die ihnen zugeordnete Lichtquelle 22; 24 so auszugestalten, dass sie gleichzeitig in ihrer Funktion als Sekundärbereiche für die andere, ihnen nicht zugeordnete Lichtquelle 24; 22 möglichst wenig Licht erzeugen, das die mittels der Primärbereiche 46 erzeugte Lichtverteilung stören könnte, bzw. sogar nur oder überwiegend Licht erzeugen, das der Bildung der Lichtverteilung förderlich ist.
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In der bevorzugten Anwendung der Vorsatzoptik 10 erzeugt eine weißes Licht emittierende erste Lichtquelle 22 bspw. in einer Frontleuchte mit den entsprechend ausgebildeten Bereichen 46 (Primärfacetten 50 und Sekundärfacetten 52) eine Tagfahrlichtverteilung und eine gelbes beziehungsweise orangefarbenes Licht emittierende zweite Lichtquelle 24 mit den entsprechend ausgebildeten Bereichen 46 (Primärfacetten 52 und Sekundärfacetten 50) eine Blinklichtverteilung. Die den beiden Lichtquellen 22, 24 zugeordneten Primär- und Sekundärbereiche 46 ergänzen sich jeweils bei der Erzeugung der entsprechenden Lichtverteilung. Zur Realisierung beispielsweise einer Rücklicht- oder Bremslichtverteilung in einer Heckleuchte, muss sichergestellt werden, dass die entsprechende Lichtquelle rotes Licht und zur Realisierung einer Rückfahrlichtverteilung die entsprechende Lichtquelle weißes Licht aussendet.
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Die multifunktionale Nutzung der Vorsatzoptik 10 kann weiter gesteigert werden, indem mindestens eine der Lichtquellen 22, 24 gedimmt werden kann. In einer solchen Ausgestaltung können aus einer lichtstarken Lichtverteilung allein durch Dimmen, bspw. der weiß leuchtenden Lichtquelle 22, weitere weniger lichtstarke Lichtverteilungen erzeugt werden. So ist es beispielsweise möglich, aus einer Fernlichtverteilung durch Dimmen ein lichtschwächeres Tagfahrlicht zu erzeugen. Durch weiteres Dimmen kann aus einer Tagfahrlichtverteilung ein nochmals lichtschwächeres Positionslicht erzeugt werden. Durch die Lichtquelle 24 kann zusätzlich durch entsprechende Ansteuerung zusätzlich eine Blinklichtverteilung im gleichen Lichtmodul 20 erzeugt werden. Das bedeutet, dass in der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung 12 allein durch multifunktionale Nutzung der Vorsatzoptik 10 Scheinwerferfunktionen (z. B. Fernlicht) und Leuchtenfunktionen (z. B. Tagfahrlicht, Positionslicht, Blinklicht) miteinander kombiniert werden können.
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Zum Dimmen gibt es bevorzugt zwei Möglichkeiten. So kann bei einer ersten Möglichkeit das Dimmen analog durch Reduzieren der betreibenden Stromstärke realisiert werden. Alternativ dazu kann eine Stromstärke auch mittels einer Pulsweitenmodulation reduziert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004036850 A1 [0005, 0046]
- US 7222995 B1 [0005, 0005, 0048]
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- DE 19728354 C2 [0043, 0044]
- DE 4305585 A1 [0045]