AT505107B1 - Mikrolinsenarray, optisches modul und scheinwerfer - Google Patents

Description

AT505107B1 2009-08-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Mikrolinsenarray, ein optisches Modul und einen Scheinwerfer.

[0002] Es sind unterschiedliche Arrays von Lichtquellen bekannt. Solche Arrays können auch miniaturisiert ausgebildet sein, wenn die Lichtquellen Leuchtdioden oder Halbleiterlaser sind. So gibt es von der Firma Lamina Ceramics, Inc. USA drei verschiedene Produktlinien, die die Produktbezeichnungen BL-1000 bzw. BL-2000 bzw. BL-3000 tragen, bei welchen jeweils auf einem Substrat mehrere Leuchtdioden eng nebeneinander liegend angeordnet sind. Die Substrate weisen eine Fläche von 7,3 mm x 8,4 mm (BL-1000) bzw. 14,1 mm x 14,1mm (BL-2000) bzw. 26,7 mm x 31,8 mm (BL-3000) auf. Diese Mikroarrays von Lichtquellen besitzen durch das Vorsehen von einer Vielzahl von Leuchtdioden eine Lichtstärke, die herkömmlichen Hochleistungsglühlampen bzw. Hochdruckentladungslampen entspricht.

[0003] Diese Lichtquellenarrays sind grundsätzlich vorgesehen, um Glühlampen bzw. Hochdruckentladungslampen zu ersetzen.

[0004] Für viele Anwendungen ist es notwendig, dass das abgestrahlte Licht gebündelt wird. Hier besitzen derartige Arrays von Lichtquellen jedoch einen Nachteil gegenüber einzelnen Hochleistungslampen, da das Licht über eine wesentlich größer verteilte Fläche austritt und wegen grundlegender thermodynamischer Gesetze sich bei einer Bündelung von Licht die Querschnittsfläche des Lichtstrahlbündels erhöht, wodurch die ursprünglich bereits schon relativ große Fläche noch weiter vergrößert werden würde.

[0005] Es hat sich gezeigt, dass mit einer herkömmlichen Optik für Hochleistungslampen es nicht möglich ist, die gewünschte Bündelung des Lichtes eines Arrays von Lichtquellen mit der gewünschten kleinen Querschnittsfläche zu erzielen.

[0006] Es sind Mikrolinsenarrays bekannt, die mehrere optische Elemente in Form von lichtbündelnden Trichtern aufweisen. Weiterhin gibt es Linsenarrays für Arrays von großen Lichtquellen, wie z. B. Glühlampen, bei welchen jeder Lichtquelle eine Linse zugeordnet ist. Diese besitzen eine konvexe oder planare Linseneintrittsfläche und eine konvexe Linsenaustrittsfläche. Diese Linsenarrays sind zum Bündeln von Licht, das von einem Array von Lichtquellen abgegeben wird, nicht geeignet und auch hierfür nicht vorgesehen.

[0007] Aus der DE 202 14 182 U1 geht eine Leuchte hervor, die ein Leuchtengehäuse aufweist, das einen Innenraum umgibt. In dem Innenraum ist ein Leuchtmittel, z.B. in Form einer Leuchtstofflampe, angeordnet. Mit Abstand zum Leuchtmittel ist eine Linsenplatte mit einer Vielzahl von Mikrolinsen angeordnet. Die Mikrolinsen sind Sammellinsen, die einen scharfkantigen, im Wesentlichen homogenen Lichtkegel bilden. Eine solche Linsenplatte kann mit Mikrolinsen ausgebildet sein, die auf der zum Leuchtmittel weisenden Seite sphärische Ausnehmungen und auf der vom Leuchtmittel wegweisende Seite sphärische Wölbungen besitzen. Diese Mikrolinsen sind somit konkav-konvex ausgebildet. Vorzugsweise ist der Radius der konkaven Ausnehmungen größer als der Radius der konvexen Wölbungen.

[0008] Die DE 100 05 795 A1 bzw. WO 01/59360 A1 beschreibt einen steuerbaren Scheinwerfer mit einem Feld von Einzellichtemittern und wenigstens ein vor jedem Einzellichtemitter angeordnetes verstellbares optisches Lichtlenkungselement zur Beeinflussung eines jeweiligen von dem zugeordneten Einzellichtemitter ausgesandten Lichtstrahls.

[0009] Aus der US 5,644,431 geht ein Mikrolinsenarray hervor, bei dem die Mikrolinsen konkave und konvexe Flächen aufweisen. Die konkave und konvexen Flächen können zur Korrektur der sphärischen Abberation asphärische Flächen sein. Die Linsen bilden in Form eines galilei-schen Fernrohrs ab. Es sind optisch abbildende Linsen, die jeweils einen Bildpunkt der Abbildungsebene auf einen Bildpunkt einer Bildebene abbilden bzw. parallel einfallendes Licht wieder auf parallel ausfallendes Licht umlenken.

[0010] Die JP 3-188685 A zeigt ein Linsenarray mit auf der Abstrahlseite sphärisch konvexen Oberflächen. Auf der gegenüberliegenden Seite sind Lichtquellen in Form von Leuchtdioden in das Mikrolinsenarray eingegossen. 1 /17 äktsüiscisssthes Paten·»»* AT505107B1 2009-08-15 [0011] Ein weiteres Mikrolinsenarray geht aus der US 6,473,238 B1 hervor, bei welcher die Linsen konkave und konvexe Flächen aufweisen. Es ist jedoch nur eine Fläche als Asphäre ausgebildet. Des Weiteren sollen die einzelnen Linsen eine optische Punkt-zu-Punkt-Abbildung erzeugen.

[0012] Die JP 11/202103 A offenbart ein Mikrolinsenarray, dessen Linsen nur eine asphärische Lichtaustrittsfläche besitzen. Die Eintrittsflächen der Linsen sind jeweils einer Lichtquelle in Form einer Leuchtdiode zugewandt und planar ausgebildet.

[0013] In der WO 2000/36336 A1 ist eine Beleuchtungseinheit mit einem LED-Array beschrieben, die in einem Gehäuse angeordnet ist. Den LEDs sind ein Mikrolinsenarray und eine Fresnellinse nachgeschaltet, wobei das Mikrolinsenarray als Kollimator dient und die Mikrolinsen eine konvexe Eintritts- und eine konvexe Austrittsfläche aufweisen.

[0014] Aus der EP 1 270 324 A2 geht ein Fahrzeugscheinwerfer mit einem zweidimensionalen Array von Leuchtdioden hervor. Das Array von Leuchtdioden ist im Brennpunkt einer Sammellinse angeordnet. Der Sammellinse ist eine Fresnellinse nachgeschaltet, wodurch eine Abbildung des von den Dioden abgestrahlten Lichtes in vorbestimmte Winkel erfolgt.

[0015] In der WO 2004/066002 A1 sind optische Anordnungen für eine LED-Beleuchtung gezeigt, die aus gruppenweise angeordneten, unterschiedlich farbiges Licht ausstrahlenden Leuchtdioden besteht. Jeder Leuchtdiode ist jeweils eine Linse zugeordnet, deren Flächen beispielsweise konkav ausgebildet sind. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Element zu schaffen, das zum Bündeln von Licht, das von einem Mikroarray von Lichtquellen abgegeben wird, geeignet ist und mit dem eine gute Bündelung bei geringer Querschnittsfläche des Lichtstrahlbündels erzielt wird.

[0016] Die Aufgabe wird durch die Schaffung eines Mikrolinsenarrays mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein optisches Modul mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und einen Scheinwerfer mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0017] Das erfindungsgemäße Mikrolinsenarray ist für ein Array von Lichtquellen ausgebildet, die in einem bestimmten Muster angeordnet sind, wobei die einzelnen Lichtquellen etwa Lambertstrahler sind. Das Mikrolinsenarray weist mehrere Linsen auf, die rotationssymmetrisch um eine optische Achse ausgebildet sind und eine konkave Eintrittsfläche und eine konvexe Austrittsfläche aufweisen und im Muster der Lichtquellen angeordnet sind.

[0018] Das Mikrolinsenarray zeichnet sich dadurch aus, dass die Eintrittsflächen und die Austrittsfläche derart asphärisch ausgebildet sind, dass ein von einer Lichtquelle unter einem bestimmten Eintrittswinkel gegenüber der optischen Achse abgegebener Lichtstrahl von der Linse auf einen vorbestimmten Austrittswinkel gegenüber der optischen Achse umgelenkt wird, wobei die Eintrittsflächen und die Austrittsflächen der einzelnen Linsen derart geformt sind, dass die Linsen nur Licht aus einem zentralen Bereich einer jeden Lichtquelle abbilden, wobei der zentrale Bereich einer jeden Lichtquelle der Bereich ist, in dem die Lichtquelle zwischen 70 % und 95 % ihrer gesamten Strahlungsleistung abgibt.

[0019] Mit der Linse des erfindungsgemäßen Mikrolinsenarray kann eine gute Bündelung des Lichtes bei geringer Querschnittsfläche des Lichtstrahlbündels erzielt werden, da durch die winkeltreue Abbildung nur Licht aus dem zentralen Bereich der Lichtquelle erfasst wird. Dies hat zur Folge, dass die tatsächliche wirksame Abstrahlfläche lediglich die Fläche des Zentrums der Lichtquelle umfasst. Die tatsächliche Abstrahlfläche ist somit wesentlich kleiner als die gesamte Fläche der Lichtquelle. Da die Abstrahlfläche klein ist, ist es möglich, das durch die Linse erzeugte Lichtstrahlbündel auf einen engen Winkelbereich mit einer kleinen Querschnittsfläche zu bündeln. Weiterhin hat sich gezeigt, dass die Strukturen der Lichtquelle mit der erfindungsgemäßen Linse beseitigt werden können, so dass das abgebildete Lichtstrahlbündel eine gleichmäßige Lichtverteilung besitzt.

[0020] Bündelnde bzw. kollimierende Linsen weisen üblicherweise eine konvexe Eintrittsfläche und eine konvexe Austrittsfläche auf. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben jedoch erkannt, dass eine konkave Eintrittsfläche zum Bündeln des Lichtes eines Arrays von Lichtquel- 2/17 feiiifdifisd® patea-aiftt AT505 107 B1 2009-08-15 len wesentlich vorteilhafter ist. Werden die Lichtquellen des Arrays nicht in den Brennpunkten der einzelnen Linsen, sondern möglichst nahe an die Linsen angeordnet, so wirkt die konkave Eintrittsfläche auch kollimierend bzw. bündelnd auf das jeweilige Lichtstrahlbündel. Durch das Vorsehen der konkaven Eintrittsfläche kann jedoch im Vergleich zu einer konvexen oder planaren Eintrittsfläche wesentlich mehr Licht von einzelnen Lichtquellen erfasst werden.

[0021] Ein weiterer Vorteil des Vorsehens einer konkaven Eintrittsfläche und einer konvexen Austrittsfläche ist, dass Licht einer Lichtquelle, die nahe an der Linse angeordnet ist und sich somit nicht im Brennpunkt der Linse befindet, Verschmiert wird, wodurch Strukturen und Farb-verläufe der Lichtquelle ausgeglichen werden. Man erhält somit ein gleichmäßiges Lichtstrahlbündel von weißem Licht.

[0022] Vorzugsweise sind die einzelnen Linsen derart ausgebildet, dass sie nur Licht aus einem zentralen Bereich einer jeden Lichtquelle abbilden. Bei Lichtquellenarrays wird nämlich ein Großteil der Strahlungsleistung von mehreren im Vergleich zum gesamten Array kleinen Flächen abgegeben. Wird nur das Licht dieser hellen Punkte erfasst und gebündelt, so ist die gesamte lichtabstrahlende Fläche gering und dementsprechend gering kann die Querschnittsfläche des gebündelten Lichtstrahlbündels gehalten werden. Die „dunklen Bereiche" zwischen den hellen Lichtpunkten werden somit unberücksichtigt gelassen. Die Linsen des erfindungsgemäßen Mikrolinsenarrays sind nicht, wie herkömmliche Linsen, zum Abbilden eines bestimmten Bildpunktes der Abbildungsebene auf einen Bildpunkt der Bildebene ausgebildet, sondern zum Abbilden eines eintretenden Lichtstrahles bestimmter Richtung auf einen austretenden Lichtstrahl bestimmter Richtung. Mit einer solchen Linse wird somit nicht Bildpunkt auf Bildpunkt, sondern Richtung auf Richtung abgebildet. Hierdurch kann eine gezielte Bündelung des Lichtes einer Lichtquelle erzielt werden, auch wenn diese nicht am Brennpunkt, sondern entfernt von diesem möglichst nahe an der Linse und auf der optischen Achse der Linse angeordnet ist.

[0023] Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Brechwirkung der Linse auf die Linseneintrittsfläche und auf die Linsenaustrittsfläche für einen von einem Punkt im Bereich des Zentrums der Lichtquelle ausgehenden Lichtstrahl etwa im Verhältnis von z.B. 30 % zu 70 % verteilt. Das heißt, dass von der gesamten Winkelablenkung, die ein solcher Strahl erfährt, etwa 30 % an der Eintrittsfläche und die weitere Ablenkung von etwa 70 % an der Austrittsfläche stattfindet. Dies hat zur Folge, dass die Krümmungen der Linseneintrittsfläche und der Linsenaustrittsfläche relativ gering sind, insbesonders sind die Krümmungsänderungen an den jeweiligen Oberflächen sehr klein. Hierdurch zeigen die Linsen ein sehr gutmütiges Verhalten bezüglich ausgedehnter Lichtquellen, d.h., dass auch Lichtstrahlen, die nicht exakt an der optischen Achse von der Lichtquelle austreten, fast genauso stark abgelenkt werden, wie Lichtstrahlen, die exakt an der optischen Achse von der Lichtquelle austreten. Hierdurch wird im gebündelten Lichtstrahlbündel Licht unterschiedlicher Punkte der Lichtquelle überlagert, wodurch Strukturen von Farbverteilungen der Lichtquelle ausgeglichen werden. Weiterhin werden hierdurch hell-dunkel-Ringe vermieden. Die Verteilung der Brechwirkung kann auch in einem anderen Verhältnis ausgeführt sein. Es ist zweckmäßig, dass an der Eintrittsfläche etwa eine Brechwirkung von 30 % bis 50 % vorliegt.

[0024] Das erfindungsgemäße Mikrolinsenarray kann als Massenartikel aus einem Kunststoff (bspw. PMMA oder Polycarbonat) im Spritzgießverfahren hergestellt werden.

[0025] Das erfindungsgemäße Mikrolinsenarray wird vorzugsweise in einem optischen Modul zusammen mit einem Array von Lichtquellen eingesetzt, wobei die Lichtquellen möglichst nahe an die jeweiligen Linsen angeordnet sind. Die bevorzugten Lichtquellen sind Leuchtdioden.

[0026] Die Erfindung wird im nachfolgenden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in: [0027]

Figur 1 ein erfindungsgemäßes Mikrolinsenarray in perspektivischer Ansicht von oben,

Figur 2 das Mikrolinsenarray aus Fig. 1 in perspektivischer Ansicht von unten,

Figur 3 die Kontur eines Arrays von Lichtquellen in einer perspektivischen Ansicht von oben, 3/17 Üite-’ifcsistNs pätema»t AT505 107 B1 2009-08-15

Figur 4 ein optisches Modul mit dem erfindungsgemäßen Mikrolinsenarray gemäß Figur 1 und 2 und dem Array von Lichtquellen aus Figur 3 in der Draufsicht, Figur 5 das optische Modul aus Figur 4 in perspektivischer Ansicht,

Figur 6 die Leuchtdichteverteilung des Arrays von Lichtquellen in der Draufsicht,

Figur 7 die Leuchtdichteverteilung des Arrays von Lichtquellen in einer Ansicht von schräg vorne,

Figur 8 einen Querschnitt durch eine einzelne Linse des Mikrolinsenarrays und eine Vergusslinse des Arrays von Lichtquellen,

Figur 9 ein Diagramm der Bestrahlungsstärke des Moduls aus Figur 4 in einem Abstand von 500 mm,

Figur 10 am Mikrolinsenarray angeformte Beinchen in der Seitenansicht,

Figur 11 Beinchen aus Figur 10 in der Frontansicht,

Figur 12 eine Tabeile der Koordinaten der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche einer Linse gemäß Figur 8 des Mikrolinsenarrays,

Figur 13 einen Scheinwerfer mit dem erfindungsgemäßen optischen Modul im Querschnitt,

Figur 14 der Scheinwerfer aus Figur 12 in perspektivischer Darstellung,

Figur 15 die mit diesem Scheinwerfer erzielte Helligkeitsverteilung in einem Abstand von einem Meter, und

Figur 16 einen langgestreckter Scheinwerfer mit mehreren erfindungsgemäßen optischen Modulen schematisch in perspektivischer Ansicht,

Figur 17 den Scheinwerfer aus Figur 16 im Querschnitt,

Figur 18 den Scheinwerfer aus Figur 16 im Längsschnitt, und Figur 19 einen Scheinwerfer mit Reflektor.

[0028] Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels eines Mikrolinsenarrays 1 näher erläutert. Dieses Mikrolinsenarray 1 ist zur Bündelung von Licht eines Arrays von Lichtquellen vorgesehen, das von Lamina Ceramics Inc. hergestellt wird und die Typenbezeichnung BL-12 D0-0136 trägt (Figur 3, 6 und 7). Dieses Array 2 weist 42 blaue Leuchtdioden auf. Jeweils sechs dieser Leuchtdioden sind eng nebeneinander liegend zur Ausbildung eines Leuchtpunktes 3 angeordnet. Es sind somit sieben Leuchtpunkte 3 an dem Array vorgesehen. Sechs Leuchtpunkte 3 sind in einem hexagonalen Raster angeordnet und der verbleibende siebte Leuchtpunkt ist mittig in dem Raster platziert. Der Mittenabstand benachbarter Leuchtpunkte 3 beträgt 4,40 mm (Fig. 4). Die Leuchtdioden sind in einer Lumineszenzfarbstoff-Matrix zum Erzeugen von weißem Licht eingebettet. Jeder Leucht- punkt 3 ist mit einer auf dem Array integrierten Vergusslinse 4 versehen. Der Leuchtpunkt 3 bildet eine Lichtquelle, die in etwa einen Lambertstrahler darstellt, d. h. dass sie in allen Richtungen gleiche Strahldichte aufweist.

[0029] Das Mikrolinsenarray 1 weist sieben Linsen 5 auf, die jeweils einem Leuchtpunkt 3 zugeordnet sind und im gleichen Raster bzw. Muster wie die Leuchtpunkte 3 angeordnet sind (Figur 1, 2). Eine einzelne Linse 5 ist zusammen mit einer Vergusslinse 4 im Querschnitt in Figur 8 dargestellt. Die Linse 5 weist eine Eintrittsfläche 6 und eine Austrittsfläche 7 auf. Die Linse 5 ist rotationssymmetrisch um eine optische Achse 8 ausgebildet. Die Koordinaten von Stützpunkten der Eintrittsfläche 6 und der Austrittsfläche 7 sind in den Tabellen aus Figur 12 aufgeführt. Die Stützpunkte können mit einer Spline-Funktion dritter Ordnung interpoliert werden. Sowohl die Eintrittsfläche 6 als auch die Austrittsfläche 7 sind asphärische Oberflächen.

[0030] Mit dieser Linse 5 wird ein bestimmter Eintrittswinkel auf einen bestimmten Austrittswinkel abgebildet. Das heißt, dass ein Lichtstrahl, der im Bereich der optischen Achse 8 aus dem Lichtpunkt 3 unter einem Eintrittswinkel abgestrahlt wird, der gegenüber der optischen Achse 8 gemessen wird, durch Brechung an der Eintrittsfläche 6 und der Austrittsfläche 7 derart umgelenkt wird, dass er einen vorbestimmten Austrittswinkel gegenüber der optischen Achse aufweist. Die Zuordnung von Eintrittswinkel und Austrittswinkel ist eindeutig. Beträgt der Eintrittswinkel 0°, so ist auch der Austrittswinkel 0°. Der maximale Eintrittswinkel beträgt bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel 85°. Der korrespondierende Austrittswinkel beträgt 35°. Diese bedeutet, dass mit dieser Linse Licht aus einem Eintrittswinkel von 170° auf einen Austrittswinkelbereich von 70° gebündelt wird. Diese Bündelung liegt nahe an der thermodynamischen Grenze für den gegebenen Leuchtpunkt-Durchmesser und den durch den Leuchtpunktabstand 4/17

&tS!!isCiii$ChS AT505107B1 2009-08-15 vorgegebenen Linsendurchmesser.

[0031] Die Eintrittsfläche 6 und die Austrittsfläche 7 für eine erfindungsgemäße Linse, bei der ein bestimmter Eintrittswinkel auf einen bestimmten Austrittswinkel abgebildet wird, kann mit folgendem Verfahren ermittelt werden: [0032] Es wird von einer vorgegebenen Lichtstärkeverteilung der Lichtquelle lQ (thetaQ) ausgegangen, wobei thetaQ der Winkel des Lichtstrahls gegenüber der optischen Achse 8 ist. Der Begriff Lichtstärkeverteilung besagt, wie viel Licht in eine bestimmte Richtung abgestrahlt wird. Hierzu wird oftmals synonym der Begriff Fernfeldcharakteristik verwendet.

[0033] Die Lichtstärkeverteilung ist die gewünschte Lichtstärkeverteilung lz(thetaz) an der Austrittsseite der Linse. Mit dieser Lichtstärkeverteilung lz wird vorgegeben, in welchen Winkelbereich das Licht durch die Linse gebündelt werden soll.

[0034] Zunächst ist eine Funktion thetaz (thetaQ) gesucht. Hierzu erstellt man zunächst die beiden Funktionen des kumulierten Lichtstromes Phi an der Eintrittsseite PhiQ bzw. an der Austrittseite Phiz der Linse:

thetaQ

PhiQ (thetÜQ) = |IQ (theta) sin2 (theta) dtheta o tketaz

Phiz (thetaz) = J/z (theta) sin2 (theta) dtheta o [0035] Der kumulierte Lichtstrom wird auch als encircled energy bezeichnet, wobei der kumulierte Lichtstrom den Lichtstrom über den jeweiligen Winkelbereich von 0 bis thetaQ bzw. von 0 bis thetaz angibt.

[0036] Aus der Funktion von Phi2 wird die Umkehrfunktion thetaz (Phiz) gebildet. In diese Umkehrfunktion wird für Phiz die Funktion PhiQ(thetaQ) eingesetzt, da der kumulierte Lichtstrom auf der Eintrittsseite den kumulierten Lichtstrom auf der Austrittseite entsprechen soll. Dies ist die gesuchte Funktion von thetaz (thetaQ). Diese Funktion beschreibt, welchem Eintrittswinkel welcher Austrittswinkel zugeordnet ist.

[0037] Diese Funktion ist eine Differenzialgleichung, die in Verbindung mit dem Brechungsgesetz und beliebigen Randwerten mit einem herkömmlichen Verfahren, wie z.B. der Runge-Kutta-Methode gelöst werden kann. Dies wird auch als Maßschneidern, bzw. tailering von Optikprofilen bezeichnet und ist ausführlich in Nonimaging Optics von Roland Winston, u.a. Aca-demic Press (7. Februar 2005) erläutert.

[0038] Die sich hieraus ergebenden Oberflächen stellen die Eintrittsfläche und die Austrittsfläche einer Linse dar, bei der bestimmte Eintrittswinkel auf bestimme Austrittwinkel abgebildet werden.

[0039] Der gesamte Abstrahlwinkelbereich der Leuchtpunkte 3 umfasst 180° Grad. Hier wird ein Winkelbereich von 170° Grad mit der Linse 5 erfasst. Dies wird durch die konkave Eintrittsfläche 6 möglich, da sie einen großen Teil der Vergusslinse 4 umschließt und das von der Vergusslinse 4 austretende Licht einsammelt. Hierzu ist der Leuchtpunkt 3 bzw. die Vergusslinse 4 möglichst nahe an der Eintrittsfläche 6 anzuordnen, wobei der Mittelpunkt des Leuchtpunktes 3 vorzugsweise auf der optischen Achse 8 der Linse 5 liegt. Bei einer solche Anordnung des Leuchtpunktes 3 bzgl. der Linse 5 wirkt die konkave Eintrittsfläche 6 kollimierend und trägt somit zur Bündelung des Lichtes bei.

[0040] Die Eintrittsfläche 6 und die Austrittsfläche 7 der Linse 5 sind derart ausgebildet, dass die Brechwirkung an den beiden Oberflächen jeweils etwa gleich groß ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel trägt die Eintrittsfläche 6 mit ca. 30 % und die Austrittsfläche mit ca. 70 % zur Umlenkung der einzelnen Lichtstrahlen bei. Hierdurch wird zum einem die Krümmung der Eintrittsfläche 6 und der Austrittsfläche 7 sowie die Krümmungsänderung der Flächen gering 5/17

AT505 107 B1 2009-08-15 gehalten. Dies hat zur Folge, dass die Umlenkung der Lichtstrahlen von einem vorbestimmten Eintrittswinkel auf einen vorbestimmte Austrittswinkel nicht nur für exakt an der optische Achse am Leuchtpunkt 3 austretende Lichtstrahlen gilt, sondern auch für Lichtstrahlen, die entfernt von der optischen Achse 8 austreten. Die Abbildung der Lichtstrahlen ist somit „gutmütig" im Hinblick auf die Position der Abstrahlung der Lichtstrahlen am Leuchtpunkt. Hierdurch werden im entfernten Lichtstrahlbündel die von unterschiedlichen Punkten vom Leuchtpunkt 3 abgestrahlten Lichtstrahlbündel überlagert, wodurch zum einen die Strukturen der Leuchtpunkte 3 verschmiert werden und zum anderen Farbverteilungen ausgeglichen werden. Die einzelnen Leuchtpunkte 3 weisen im Zentrum ein bläuliches Licht und am Randbereich ein gelbliches Licht auf. Zudem ist ohne die Verwendung der Abbildungslinse die durch die einzelnen Leuchtrouten ausgebildete Struktur in den Leuchtpunkten 3 erkennbar. Da Lichtstrahlen unterschiedlicher Abstrahlpunkte der erfindungsgemäßen Linse 5 überlagert werden, wird somit die Struktur beseitigt und ein gleichmäßiges weißes Licht erzeugt.

[0041] Durch die Abbildung bestimmter Eintrittswinkel auf bestimmte Austrittswinkel, die auch als winkeltreue Abbildung bezeichnet werden kann, wird von jeder Linse 5 des Mikrolinsenar-rays 1 nur Licht aus dem zentralen Bereich eines jeden Leuchtpunktes 3 erfasst. Die dunklen Bereiche zwischen den Leuchtpunkten 3 des Arrays von Lichtquellen 3 werden somit nicht mit dem Mikrolinsenarray 1 abgebildet. Sie werden mit der Abbildung somit weggeschnitten. Diese hat zur Folge, dass die tatsächliche wirksame Abstrahlfläche lediglich die Flächen der einzelnen Leuchtpunkte 3 und nicht die gesamt Fläche des Arrays von Lichtquellen 2 umfasst. Die tatsächliche Abstrahlfläche ist somit wesentlich kleiner als die gesamte Fläche des Arrays von Lichtquellen. Da die Abstrahlfläche klein ist, ist es auch möglich, das durch das Mikrolinsenarray 1 erzeugte Lichtstrahlbündel auf einen engen Winkelbereich mit einer kleinen Querschnittsfläche zu bündeln. Da die dunklen Zwischenbereiche zwischen den Leuchtpunkten 3 keine oder nur eine geringe Lichtleistung aufweisen, wird fast das gesamte abgestrahlte Licht erfasst. Die Fläche des zentralen Bereiches ist typischerweise kleiner als 50 % der Fläche, die maximal einem Leuchtpunkt 3 in dem Array 2 von Lichtquellen zur Verfügung steht. Hier wird jedoch mehr als 70 % bis zu 95 % der gesamten Strahlungsleistung abgestrahlt.

[0042] Wollte man mit der Linse 5 das Lichtstrahlbündel im Winkelbereich von +/- 35° scharf abschneiden, so müsste die Austrittsfläche 7 entlang der gestrichelten Linie 9 in Figur 8 verlaufen. Eine scharfe Kante ist bei den meisten Anwendungen jedoch nicht erwünscht, weshalb die Austrittsfläche 7 nach außen gezogen ist, wie es in Figur 8 gezeigt ist. Ein weiterer Vorteil dieser Form liegt darin, dass der Überlappungsbereich benachbarter Linsen 5 im Mikrolinsenarray 1 größer ist, wodurch zum einen die Stabilität des Mikrolinsenarrays erhöht wird und zum anderen die Herstellung mittels eines Spritzgießverfahrens erleichtert wird, da durch die größeren Wandstärken des Mikrolinsenarrays ein ausreichender Durchgang für die einzuspritzenden Kunststoffmasse vorgesehen wird. Würde der Randbereich der Austrittsfläche 7 sehr steil ausgeführt werden, würde dies zu Löchern zwischen benachbarten Linsen im Mikrolinsenarray führen, was wiederum optische Verluste verursachen würde.

[0043] In den Figuren 4, 10 und 11 sind die Beinchen 10 des Mikrolinsenarrays 1 zum Anordnen desselben auf dem Array 2 dargestellt. Die Beinchen besitzen zwei Funktionen, nämlich zum einem der mechanischen Anordnung des Mikrolinsenarrays 1 auf dem Lichtquellenarray 2 und zum anderen dienen sie als Angußkanäle in der Spritzgießform zum Zuführen der Kunststoffmasse. Jedes Beinchen weist einen horizontalen Steg 11 auf, der von der Austrittsfläche 7 einer Linse 5 radial nach außen führt. An seinem äußeren Ende ist der Steg nach unten zur Ausbildung eines Anschlags 12 abgewinkelt. Dieser Anschlag 12 dient zur Anlage von den Aussenkanten des Lichtquellenarrays 2. Zudem ist an der Unterseite des Stege 5 ein Abstandselement 13 ausgebildet, das auf der Oberfläche des Lichtquellenarrays 2 aufliegt und das Mikrolinsenarray 1 mit einem vorbestimmten Abstand h über der Oberfläche des Lichtquellenarrays 2 positioniert. Dies ist bei dem oben beschriebenen Lichtquellenarray 2 zweckmäßig, das im Betrieb eine Temperatur bis zu 120 0 C aufweisen kann. Das aus Kunststoff (z.B. PMMA oder Polycarbonat) ausgebildete Mikrolinsenarray kann derart hohen Temperatur nicht widerstehen und zum anderen ist ein Luftspalt notwendig damit die Wärme abgeführt werden kann.

[0044] Die Stege 11 weisen einen sich nach oben etwas verjüngenden trapezförmigen Quer- 6/17 teiÄsthe AT505 107 B1 2009-08-15 schnitt auf, der das Ausformen an einer Spritzgießform erleichtert.

[0045] Wie in der Draufsicht in Figur 4 erkennbar ist, sind sechs Beinchen 10 vorgesehen, wobei zwei Paar Beinchen der Figur 4 diametral gegenüberliegend angeordnet sind. Hierdurch wird ein Verdrehen des Mikrolinsenarrays 1 auf dem Lichtquellenarray 2 verhindert, so dass die einzelnen Linsen 5 exakt über den Leuchtpunkt 3 zentrisch ausgerichtet sind.

[0046] Ein erfindungsgemäßes optisches Modul 15 umfasst das oben dargestellte Mikrolinsen-array 1 und das oben beschriebene Lichtquellenarray (BL-12D0-0136). Mit einem solchem Modul 15 wird in einer Entfernung von 500 mm eine Strahlungsleistung, wie sie in Figur 9 mit der durchgezogenen Linie 14a dargestellt ist, erzielt. Die gestrichelte Linie 14b in Figur 9 zeigt die Strahlungsleistung des Lichtquellenarray 2 ohne Bündelung durch das Mikrolinsenarray 1. Man erkennt zum einen eine deutliche Zunahme der Lichtleistung im mittigen Bereich, wobei ein gewisses Plateau ausgebildet ist. Bei einem Winkel von 30°, der einem Abstand von 290 mm von der Mitte entspricht, fällt die Lichtleistung auf ca. 50 % ab. In einem Winkelbereich von +/- 45° werden ca. 78 % des gesamten von dem Lichtquellenarray 2 abgestrahlten Lichtes gebündelt.

[0047] Dieses Modul stellt somit eine Lichtquelle dar, die ein gerichtetes Lichtstrahlbündel mit gleichmäßigen weißen Licht ausstrahlt und die aufgrund der Verwendung von Leuchtdioden und der hoch effizienten Bündelung mittels des erfindungsgemäßen Mikrolinsenarrays 1 einen hohen Wirkungsgrad besitzt.

[0048] Prototypen solcher Module haben gezeigt, dass das „Verschmieren" der Strukturen des Lichtquellenarrays 2 durch das erfindungsgemäße Mikrolinsenarray 1 überraschend stark ausgeprägt ist. So wurde in einem solchen Modul ein Lichtquellenarray eingesetzt, bei dem neben weißen Leuchtpunkten auch ein roter Leuchtpunkt vorgesehen ist. Die Helligkeit des roten Leuchtpunktes kann unabhängig von den weißen Leuchtpunkten eingestellt werden, um den Rotanteil des gesamten abgestrahlten Lichtstrahlbündels zu variieren. Es hat sich gezeigt, dass das rote Licht gleichmäßig auf den gesamten abgestrahlten Lichtstrahlbündel verteilt ist und der ursprüngliche rote Leuchtpunkt nicht mehr als punktuelle Lichtquelle erkennbar ist. Dieses Modul bildet somit eine Lichtquelle mit gleichmäßigen Licht, dessen Rotanteil frei variierbar ist.

[0049] Weiterhin gibt es RGB-Mikrolichtquellenarrays mit jeweils einer oder mehreren Leuchtdioden in den Farben rot, grün und blau in einem jeden Lichtpunkt. Die Helligkeit der roten, grünen bzw. blauen Lichtquellen sind unabhängig voneinander einstellbar. Wird ein solches RGB-Mikrolichtquellenarray in einem erfindungsgemäßen Modul eingesetzt, so stellt dieses Modul eine Lichtquelle dar, deren Farbe durch Mischen der RGB-Farbanteile frei variierbar ist und eine gleichmäßige Lichtverteilung besitzt.

[0050] Das erfindungsgemäße Mikrolinsenarray kann auch in vorteilhafter Weise in Kombination mit einem einfarbigen Mikrolichtquellenarray verwendet werden, insbesondere einem, das als Lichtquellen Leuchtdioden verwendet, die sehr hell gegenüber dem dunklen Hintergrund sind. Selbst diese starken Strukturen werden mit dem erfindungsgemäßen Mikrolinsenarray aufgelöst, so dass sie in dem abgestrahlten Lichtstrahlbündel nicht mehr erkennbar sind.

[0051] Figuren 13 und 14 zeigen einen Scheinwerfer mit dem erfindungsgemäßen Modul 15, der ein Gehäuse 16 aufweist, das eine ebenflächige Basis 17 besitzt, von der sich eine Mantelfläche in Form eines rotationssymmetrischen parabelförmigen Abschnittes erstreckt. Dieser hält entfernt von der Basis 17 eine parallel zur Basis 17 angeordnete Fresnel-Linse 19. Da das von dem erfindungsgemäßen Modul 15 abgegebene Licht bereits gebündelt ist, ist es nicht notwendig, dass die Mantelfläche 18 als Reflektor ausgebildet ist, da ein Großteil des Lichtes unmittelbar auf die Fresnel-Linse 19 projiziert wird. Mit der Fresnel-Linse 19 wird der Winkelbereich des von diesem Scheinwerfer 20 abgegebenen Lichtstrahlbündels festgelegt. So kann durch Austausch der Fresnel-Linse 19 der Winkelbereich und damit die Spot-Größe dieses Scheinwerfers 20 eingestellt werden. Weiterhin kann durch Austausch der Fresnel-Linse 19 die Schärfe der Kante des Spots variiert werden.

[0052] Figur 15 zeigt die Helligkeitsverteilung in einem solchen Spot im Abstand von einem Meter vom Scheinwerfer. Dieser Spot weist einen Winkelbereich von +/- 10° auf und enthält 7/17

AT505 107 B1 2009-08-15 mehr als 66 % des vom Leuchtdiodenarray abgegebenen Lichtes. Ein wesentlicher Vorteil in der Kombination aus Mikrolinsenarray und Fresnel-Linse liegt in der kleinen Ausdehnung des Spots bei hoher Effizienz.

[0053] Die Erfindung ist oben anhand eines Ausführungsbeispiels mit sieben Leuchtpunkten erläutert worden. Die Erfindung kann selbstverständlich auch auf Arrays mit einer anderen Anzahl von Leuchtpunkten und mit in einem anderen Muster angeordneten Leuchtpunkten abgewandelt werden. Hierbei ist jeweils jedem Leuchtpunkt eine Linse zuzuordnen. Weiterhin kann die Form der Eintrittsfläche 6 und der Austrittsfläche 7 abgeändert werden, insbesondere wenn eine weniger starke Bündelung gewünscht ist oder wenn der Abstand zwischen einzelnen Leuchtpunkten größer ist, so dass für die einzelnen Linsen mehr Platz zur Verfügung steht. Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Mikrolinsenarray auch für andere Lichtquellen als Leuchtdioden verwendet werden. So ist es auch möglich, dass das erfindungsgemäße Prinzip auch auf Arrays mit größeren Lichtquellen übertragen wird, die nicht mehr als Mikroarrays bzw. Mikrolinsenarrays zu bezeichnen sind.

[0054] Ein langgestreckter Scheinwerfer mit mehreren erfindungsgemäßen Modulen 15 ist in den Figuren 16 bis 19 gezeigt. Hierbei sind entlang einer Längsrichtung T in regelmäßigen Abständen die erfindungsgemäßen Module 15 derart angeordnet, dass sie mit ihrer abstrahlenden Oberseite in eine quer zur Längsrichtung T verlaufenden Strahlrichtung S ausgerichtet sind. Parallel zur Längsrichtung T und mit etwas Abstand zu den Modulen 15 ist eine Fresnel-Linse 21 angeordnet, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Zylinderlinse ausgebildet ist. Die Fresnel-Linse 21 hat das gleiche Querschnittsprofil, wie die in Figur 13 und 14 gezeigte Fresnel-Linse 19, wobei die Linse 20 ein in Längsrichtung T konstantes Profil besitzt. Die Fresnel-Linse 21 ist parallel zur Oberfläche der Module 15 angeordnet.

[0055] Die Fresnel-Linse 21 erzeugt quer zur Längsrichtung T eine gleichmäßige Lichtstärke, die in einem Winkelbereich von +/-10° gebündelt ist (Fig. 17). Längs der Längsrichtung T besitzt die Fresnel-Linse 21 keine Brechkraft und lässt die Bündelung auf einen Winkelbereich von +/-40° des Mikrolinsenarrays unverändert (Fig. 18). Diese im Ergebnis elliptische Lichtstärkenverteilung ist in vielen Fällen gewünscht, z.B. bei der Beleuchtung von Wänden von einer Seite aus, was auch als wall-washing bezeichnet wird. Man kann durch eine asymmetrische Fresnel-Linse eine asymmetrische Lichtverteilung quer zur Längsrichtung T erzeugen und damit z.B. eine gleichmäßigere Lichtverteilung auf einer solchen Wand.

[0056] Diese Anordnung aus mehreren Modulen 15 und der Fresnel-Zylinderlinse 21 kann man in ein extrudiertes Alu-Profil (nicht dargestellt) einbauen, das gleichzeitig als mechanische Halterung, ästhetisch ansprechendes Gehäuse und als Kühlkörper dient.

[0057] Anstatt der Fresnel-Linse könnte man auch einen glatten oder facettierten Reflektor 22 einsetzen, am besten in off-axis-Anordnung (Fig. 19).

[0058] Ein wesentlicher Vorteil dieses Scheinwerfers liegt darin, dass die Linse bzw. der Reflektor es erlauben, die Lichtstärke quer zur Längsrichtung in ähnlicher Weise auszuformen wie bei dem in den Figuren 13 und 14 gezeigten Scheinwerfer, und dabei entweder bei minimalem Querschnitt des Lichtstrahlbündels eine maximale Kollimation und Effizienz zu erreichen oder aber durch geschickte Wahl der Fresnel-Linsenform ein breiteres Lichtstrahlbündel mit nahezu beliebiger Lichtstärkenverteilung zu erzielen. Längs der Längsrichtung ist die Abstrahlcharakteristik auf +/- 40° festgelegt. Das ist für viele Anwendungen ein vorteilhafter Wert, da einerseits Strahlen mit höherem Winkel (nahezu parallel zur Achse) z.B. für die Wandbeleuchtung verloren gehen würden, und andererseits bereits wenige Zentimeter von der Leuchte entfernt sich das Licht vieler LED-Mikrolinsenarrays überlagert, was der Gleichmäßigkeit dient.

[0059] Bezugszeichenliste 1 Mikrolinsenarray 2 Array von Lichtquellen 3 Leuchtpunkt 4 Vergusslinse 5 Linse 8/17

Claims (18)

1. ΑΤ505 107 Β1 2009-08-15 &ΐ?”ϊ:«ί:ϊ(!ΐ5 (saien-M 6 Eintrittsfläche 7 Austrittsfläche 8 Optische Achse 9 Gestrichelte Linie 10 Beinchen 11 Steg 12 Anschlag 13 Abstandselement 14a durchgezogene Linie 14b gestrichelte Linie 15 Modul 16 Gehäuse 17 Basis 18 Mantelfläche 19 Fresnel-Linse 20 Scheinwerfer 21 Fresnel-Linse 22 Reflektor Patentansprüche 1. Mikrolinsenarray für ein Array von Lichtquellen, die in einem bestimmten Muster angeordnet sind, wobei die einzelnen Lichtquellen (3) etwa Lambertstrahler sind, und das Mikrolinsenarray (1) mehrere Linsen (5) aufweist, die rotationssymmetrisch um eine optische Achse (8) ausgebildet sind und eine konkave Eintrittsfläche (6) und eine konvexe Austrittsfläche (7) aufweisen und im Muster der Lichtquellen (3) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsflächen (6) und die Austrittsfläche (7) derart asphärisch ausgebildet sind, dass ein von einer Lichtquelle (3) unter einem bestimmten Eintrittswinkel gegenüber der optischen Achse (8) abgegebener Lichtstrahl von der Linse (5) auf einen vorbestimmten Austrittswinkel gegenüber der optischen Achse (8) umgelenkt wird, wobei die Eintrittsflächen (6) und die Austrittsflächen (7) der einzelnen Linsen (5) derart geformt sind, dass die Linsen (5) nur Licht aus einem zentralen Bereich einer jeden Lichtquelle (3) abbilden, wobei der zentrale Bereich einer jeden Lichtquelle (3) der Bereich ist, in dem die Lichtquelle (3) zwischen 70% und 95% ihrer gesamten Strahlungsleistung abgibt.
2. 2. Mikrolinsenarray nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche des zentralen Bereichs kleiner als 50 % der Fläche ist, die maximal einer der Lichtquellen (3) auf dem Array (2) von Lichtquellen zur Verfügung steht.
3. 3. Mikrolinsenarray nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Linsen (5) derart ausgebildet sind, dass sie jeweils Licht aus einem Eingangsstrahlungswinkelbereich auf einen Ausgangsstrahlungswinkelbereich bündeln, wobei der Ausgangsstrahlungswinkelbereich enger als der Eingangsstrahlungswinkelbereich ist.
4. 4. Mikrolinsenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Eintrittswinkel von 0°auf einen Austrittswinkel von 0°und ein maximaler Eintrittswinkel im Bereich von 80° bis 85° auf einen Austrittswinkel im Bereich von 35° bis 40° und dazwischen liegende Eintrittswinkel auf jeweils dazwischen liegende Austrittswinkel abgebildet werden.
5. 5. Mikrolinsenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechwirkung an den Eintrittsflächen (6) und an den Austrittsflächen (7) der Linsen (5) für einen von der Lichtquelle im zentralem Bereich austretenden Lichtstrahl im etwa gleichen Verhältnis verteilt sind.
6. 6. Mikrolinsenarray nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der Eintrittsfläche (6) etwa 30 % bis 50 % der Brechwirkung der Linsen (5) vorliegt.
7. 7. Mikrolinsenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das 9/17 AT505 107 B1 2009-08-15 Mikrolinsenarray (1) aus Kunststoff ausgebildet ist.
8. 8. Mikrolinsenarray nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrolinsenarray (1) im Spritzgießverfahren hergestellt ist.
9. 9. Optisches Modul, das ein Array (2) von Lichtquellen und ein Mikrolinsenarray (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrolinsenarray (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist.
10. 10. Optisches Modul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass einer jeden Lichtquelle (3) eine Linse (5) zugeordnet ist und der Abstand zwischen den Lichtquellen (3) und den Eintrittsflächen (6) kleiner als die Brennweite der Linsen (5) ist.
11. 11. Optisches Modul nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Lichtquellen (3) und den Eintrittsflächen (6) kleiner als der Abstand der optischen Achsen (8) zweier benachbarter Linsen (5) ist.
12. 12. Optisches Modul nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (3) Leuchtdioden aufweisen.
13. 13. Optisches Modul nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Array (2) von Lichtquellen mehrere weiße Lichtquellen und zumindest eine rote Lichtquelle umfasst, wobei die Helligkeit der roten Lichtquelle unabhängig von den weißen Lichtquellen einstellbar ist.
14. 14. Optisches Modul nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Array (2) von Lichtquellen zumindest jeweils eine Lichtquelle in den Farben rot, grün und blau umfasst, wobei die Helligkeit der roten, grünen und blauen Lichtquelle(n) unabhängig voneinander einstellbar sind.
15. 15. Scheinwerfer mit einem in einem Gehäuse angeordneten Leuchtmittel, dadurch gekennzeichnet, dass das Leuchtmittel ein Modul (15) gemäß einem der Ansprüche 13 bis 19 ist.
16. 16. Scheinwerfer nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Modul eine Fresnel-Linse (19, 21) oder ein Reflektor (22) angeordnet ist, auf die das vom Modul abgestrahlte Licht projiziert wird.
17. 17. Scheinwerfer nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Fresnel-Linse (19) oder der Reflektor (22) kreisförmig ausgebildet ist.
18. 18. Scheinwerfer nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Scheinwerfer mehrere Module (15) umfasst und die Fresnel-Linse (21) bzw. der Reflektor (22) langgestreckt ausgebildet ist und einen in Längsrichtung (T) konstanten Querschnitt aufweist. Hierzu 7 Blatt Zeichnungen 10/17